非制冷型红外成像系统关键技术研究

【摘要】：近年来红外成像系统在军事和民用领域得到了迅速的发展,非制冷红外成像系统,以其价格低、可靠性高、体积小、功耗低等优势在红外热成像系统的发展中占据着重要地位。本文在非制冷红外热成像系统基本理论和红外图像处理算法研究的基础上,设计并研制了具有实时图像处理功能的非制冷红外热成像系统,取得了很好的成效。红外图像的非均匀性极大地影响了图像的质量和视觉效果。本文在深入研究非均匀性产生原因的基础上,分别分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和缺陷,在此基础上提出了一种联合非均匀性校正方法。该算法首先根据上电时刻焦平面衬底的温度值,从存储设备中提取预先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数,初步消除探测器的非均匀性；通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性,提出了用具有保边缘特性的P-M滤波取代传统神经网络算法中的四邻域均值滤波来获得期望图像,从而减小了图像边缘模糊。实验结果表明,该算法收敛速度快,校正精度高,有效减小了因红外焦平面响应特性漂移而引起的图像降质。针对红外图像对比度低、温度分辨力差等问题,提出了一种基于双边滤波器的红外图像局部对比度增强算法。算法首先采用双边滤波器对图像进行分层处理,得到动态范围较大的背景图像和包含较多噪声和细节信息的细节层图像；对背景图像进行动态范围压缩和局部对比度拉伸,得到符合人眼识别的低位宽图像；对细节层图像进行贝叶斯阈值去噪,并对弱边缘信息进行增强；最后将背景层图像和细节层图像进行加权运算,得到增强后的图像。针对大量图像进行了实验,对增强效果进行了定性和定量分析,并与目前常用的增强算法进行了比较。实验结果表明,该算法能够有效地提高图像的局部对比度,突出纹理细节信息,并抑制图像噪声,改善了图像的整体视觉效果。根据红外探测器UL02152的结构特点和输出信号特点,设计了一款低噪声红外成像系统。利用FPGA芯片提供探测器的时序驱动信号,采用低噪声的电压偏置电路和高精度的数字信号处理技术,有效的抑制了系统噪声,保证了系统输出信号的完整性和稳定性。在FPGA中完成了图像的盲点剔除、非均匀性校正以及图像增强等处理,图像延时小于2帧,满足实时输出的要求。经测试,红外图像NETD值为74mK,实现了系统的低噪声设计。