張麗莎劉兆軍馬文坡龍亮吳立民阮寧娟錢惟賢

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 南京理工大學(xué)，南京 210094）

基于90°旋轉(zhuǎn)定標(biāo)和場景校正相結(jié)合的非均勻性校正技術(shù)

張麗莎1劉兆軍1馬文坡1龍亮1吳立民1阮寧娟1錢惟賢2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

（2 南京理工大學(xué)，南京 210094）

非均勻性是影響紅外遙感系統(tǒng)探測靈敏度的重要因素之一。隨著紅外遙感系統(tǒng)探測性能的提升，探測幅寬越大、輻射分辨率越高，對非均勻性要求也越高，而傳統(tǒng)的非均勻性校正技術(shù)殘差較大，難以滿足要求，非均勻性已經(jīng)成為限制紅外系統(tǒng)在各領(lǐng)域深入應(yīng)用的嚴(yán)重問題。針對高靈敏度長線陣推掃型海洋紅外遙感系統(tǒng)，提出一種采用+0°旋轉(zhuǎn)定標(biāo)（side-slither）和基于場景相結(jié)合的自適應(yīng)校正技術(shù)。首先根據(jù)海洋背景紅外輻射特性模型和系統(tǒng)響應(yīng)特性，完成紅外圖像的仿真；通過side-slither定標(biāo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對圖像的預(yù)校正以及盲元替換；根據(jù)side-slither原理，分析鏈路中影響校正殘差的各因素，主要包括平臺偏航和場景的高頻動態(tài)變化，導(dǎo)致所有像元不能對同一輻射強(qiáng)度的場景成像，增大校正后圖像的非均勻性殘差。為進(jìn)一步抑制非均勻性殘差，對圖像進(jìn)行基于場景的自適應(yīng)校正，仿真結(jié)果表明，經(jīng)side-slither定標(biāo)和恒定統(tǒng)計(jì)場景校正后，圖像非均勻性殘差能接近或小于時間噪聲水平，滿足高靈敏度探測需求，能夠?yàn)楹罄m(xù)紅外弱目標(biāo)的檢出提供高品質(zhì)圖像。

+0°旋轉(zhuǎn)定標(biāo) 基于場景的非均勻性校正 高靈敏度 海洋紅外遙感

Key wordsside-slither; scened-based nonuniformity correction; high sensitivity; marine infrared remote sensing

0 引言

海洋紅外遙感在海表溫度異常監(jiān)測、漁業(yè)指導(dǎo)、海表油污染、水下目標(biāo)探測等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著其應(yīng)用的不斷深入，對大幅寬、高探測靈敏度的遙感器需求越來越強(qiáng)烈。幅寬越大，探測器的規(guī)模要求也越大，像元間響應(yīng)的非均勻性問題日益突出；探測靈敏度越高，非均勻性在總噪聲中的占比越大，對靈敏度的衰減不可忽略，同時降低圖像品質(zhì)，影響弱目標(biāo)的有效探測和檢出[1]。

傳統(tǒng)非均勻性校正（Nonuniformity Corrected，NUC）方法有：利用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)校正系數(shù)；在軌內(nèi)定標(biāo)源；在軌外定標(biāo)場地。其中，實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)成像鏈路與實(shí)際目標(biāo)探測鏈路不同，而且探測系統(tǒng)在軌狀態(tài)也會隨時間不斷變化，利用實(shí)驗(yàn)室的校正系數(shù)難以滿足高靈敏度探測及校正需求。在軌內(nèi)定標(biāo)源校正法是在光路中設(shè)計(jì)黑體定標(biāo)源，影響其非均勻性校正殘差的主要因素有：定標(biāo)的頻次、定標(biāo)溫度點(diǎn)的選取以及黑體控溫穩(wěn)定性和均勻性等，以上因素導(dǎo)致非均勻性校正殘差較大。在軌外定標(biāo)場地校正需要較大面積的均勻定標(biāo)場地，而大面積穩(wěn)定的紅外定標(biāo)場很難獲取[3]。

為解決上述難題，實(shí)現(xiàn)大視場推掃型海洋紅外遙感的高靈敏度探測，針對長線陣推掃型海洋紅外遙感系統(tǒng)，提出一種采用+0°旋轉(zhuǎn)定標(biāo)（Side-slither）和基于場景相結(jié)合的自適應(yīng)校正技術(shù)，并進(jìn)行非均勻性校正殘差預(yù)估和校正效果仿真。

1 非均勻性來源及校正評價方法

1.1 非均勻性來源

噪聲是評價紅外熱像儀性能的主要參數(shù)。噪聲參數(shù)包括時間噪聲和空間噪聲。時間噪聲使紅外系統(tǒng)像素輸出隨時間變化，而空間噪聲是像元之間響應(yīng)的不一致性。時間域噪聲可分為高頻時間噪聲和低頻時間噪聲（即1/f噪聲）；空間域噪聲可分為高頻空間噪聲（即固定模式噪聲FPN）和低頻空間噪聲。常用噪聲等效溫差（NETD）表征系統(tǒng)的高頻時間噪聲分量，非均勻性（NU）表征空間噪聲分量。

理想情況下，紅外遙感系統(tǒng)受均勻紅外輻射時，各像元的輸出信號幅度應(yīng)完全一致。實(shí)際上，受各種因素影響，其輸出幅度會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，使得所獲取的圖像信號模糊不清、畸變，甚至使傳感器失去探測的能力。紅外成像系統(tǒng)的非均勻性噪聲主要來源于以下幾個方面[4]：

（1）探測器。探測器是紅外成像系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件，它將入射的紅外輻射光子流轉(zhuǎn)換為電信號。非均勻性主要來自于各個像素的響應(yīng)及轉(zhuǎn)換函數(shù)的差異，不同像素之間的差異主要來自于積分電容、暗電流、像素形狀、光敏區(qū)域和量子效率的不同，且不同像素之間的這種差異可能會非常巨大。此外，讀出電路也存在著固有的非線性，從而對輸出產(chǎn)生影響。

（2）光學(xué)系統(tǒng)的影響。自然界中只要大于開氏零度的物體都會發(fā)出紅外輻射。成像系統(tǒng)的機(jī)械外殼、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué)設(shè)備等都會發(fā)出紅外輻射。這些輻射有的直接入射至探測器，有的經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)反射后進(jìn)入探測器，都會在焦平面產(chǎn)生非均勻性。在物面輻射亮度均勻的情況下，成像系統(tǒng)軸外像點(diǎn)和軸上像點(diǎn)的照度不一致，反應(yīng)在最終的圖像上即表現(xiàn)為一種固定圖案噪聲。最典型的如視場的“cos4效應(yīng)”。

（3）與外界輸入相關(guān)的非均勻性。在紅外成像系統(tǒng)中，入射的目標(biāo)和背景的紅外輻射強(qiáng)度變化范圍、紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射等外界特征均會對焦平面器件的非均勻性產(chǎn)生影響。

均勻入射輻射下，以焦平面陣列有效像元的均方差與探測元輸出均值的百分比作為其非均勻性，表示式如下[5]：

式中 Yij為第i行第j列像元的響應(yīng)輸出信號幅值；為所有有效像元的響應(yīng)輸出信號的平均值；M、N分別為FPA的行、列數(shù)；d和h分別對應(yīng)盲元像素中的死像元和過熱像元的數(shù)目。

1.2 非均勻性校正能力評價方法

傳統(tǒng)上，衡量紅外系統(tǒng)靈敏度常用NETD表示，而NETD只能反映高頻時間噪聲分量，對于高靈敏度探測系統(tǒng)，空間噪聲對探測靈敏度的衰減影響也是不可忽略的。因此，系統(tǒng)的非均勻性校正指標(biāo)需和時間噪聲相關(guān)聯(lián)。通過引入校正能力品質(zhì)因子c[6]，對比時間噪聲、空間噪聲對系統(tǒng)探測靈敏度的影響占比，為系統(tǒng)非均勻性校正指標(biāo)的分解設(shè)計(jì)和校正能力的評估提供依據(jù)。

式中 σtot為系統(tǒng)總噪聲，包括時間噪聲σtemp和空間噪聲σspat，即：。

從c的定義可知，c為≥0的值，且c越接近于0，表明空間噪聲相對時間噪聲越小，非均勻性對系統(tǒng)性能的衰減近似可忽略。當(dāng)c遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時，空間噪聲σspat相對于時間噪聲σtemp，在總噪聲中占比較大，對探測靈敏度的影響不可忽略，必須采取相應(yīng)有效的非均勻性校正技術(shù)，使空間噪聲接近或小于時間噪聲。

2 基于side-slither和場景相結(jié)合的海洋紅外遙感校正技術(shù)

2.1 side-slither和場景校正相結(jié)合校正實(shí)現(xiàn)過程

采用side-slither和場景校正相結(jié)合的全鏈路，自適應(yīng)非均勻性校正技術(shù)能夠克服大型定標(biāo)場和溫度點(diǎn)的選取等難題，可分為side-slither預(yù)校正模塊和場景校正模塊。其校正流程如圖1所示。

通過 side-slither可獲取預(yù)校正系數(shù)和盲元索引表。首先，對原始圖像進(jìn)行盲元替換，根據(jù)盲元索引表中的盲元位置信息，采用鄰域平均法對盲元進(jìn)行替換，如果一個鄰域內(nèi)有多個盲元，則用去除盲元后的鄰域像素均值來替換當(dāng)前像素值，也可以采用其他盲元替換方法進(jìn)行盲元替換；根據(jù)獲取的預(yù)校正系數(shù)對圖像進(jìn)行預(yù)校正；最后，結(jié)合基于場景的自適應(yīng)校正算法，獲取非均勻性校正殘差較小的高品質(zhì)圖像。

2.2 side-slither定標(biāo)

2.2.1 定標(biāo)原理

side-slither技術(shù)已成功應(yīng)用于IKONOS、RapidEye等陸地觀測領(lǐng)域可見光譜段探測，而對其在海洋紅外遙感系統(tǒng)的應(yīng)用研究較少。side-slither定標(biāo)本質(zhì)是同一線列上的探測像元對同一地物成像[8-11]。推掃式光學(xué)遙感系統(tǒng)正常成像模式下，焦面探測線列與成像方向垂直，原理如圖2所示。進(jìn)行side-slither定標(biāo)時，將焦面旋轉(zhuǎn) +0°，探測線列方向與成像方向平行。這樣，在不考慮其他影響因素的情況下，理論上探測線列上每個像元都依次同樣的地面區(qū)域成像。而side-slither定標(biāo)時焦面探測線列輸出得到的圖像中，每個像元獲得的輻射能量信息是一樣的，這樣就相當(dāng)于滿足了相對輻射定標(biāo)所需要的給焦面探測線列提供均勻輻照度場的條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焦面像元非均勻性校正工作。

金隆電解測量陰陽極板的懸垂度采用9點(diǎn)測量法，選取測量所得差值的最大值即為懸垂度。圖6、圖7例舉了常規(guī)和PC電解用陰陽極板懸垂度波動及比例范圍。以PC陰極板懸垂度為例，范圍在5 mm以內(nèi)，占比小于20%，10 mm以內(nèi)為60%，因此出裝槽極距的影響將是金隆電解長期發(fā)展面臨的一大重要考驗(yàn)。

對于N元線列探測器，如果入射輻射為均勻輻射，則理想的探測器響應(yīng)也應(yīng)是均勻的，即校正后的探測器響應(yīng)和探測器的原始輸出的關(guān)系可以表示為：

式中iY、Xi、Oi分別為探測器第 i個像元的校正后輸出、原始響應(yīng)輸出以及預(yù)校正系數(shù)。根據(jù)Side-slither定標(biāo)原理，可得當(dāng)前探測溫度點(diǎn)下的預(yù)校正系數(shù)為：

2.2.2 校正殘差影響因素分析

影響side-slither校正殘差的主要因素包括[8]：

1）平臺偏航指向偏差。理想情況下，線列各像元依次對同一區(qū)域成像，校正后空間噪聲能很好的抑制，接近或小于時間噪聲。這要求在所有像元總的積分時間內(nèi)，平臺具有足夠的偏航指向精度。平臺的偏航指向偏差會導(dǎo)致線列未能對同一區(qū)域成像，影響最終的非均勻性校正效果。

2）定標(biāo)場景輻射特性的動態(tài)變化。對于海洋遙感，某一時刻探測的動態(tài)范圍相對較小，這對于Side-Slither技術(shù)的應(yīng)用非常有利。但是不同海域、不同季節(jié)、不同緯度，海面目標(biāo)的溫度分布和輻射特性也不同，因此，校正系數(shù)需根據(jù)實(shí)際探測情況不斷更新。

2.3 基于場景的非均勻性校正

常用的基于場景的非均勻性校正方法有：恒定統(tǒng)計(jì)平均法（Constant Statistics）[12-13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Neural Network）[14-15]、時域高通濾波法（Temporal High Pass Filtering）[16-17]等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對低頻占優(yōu)的非均勻噪聲無法取得很好的校正效果，特別是來源于成像系統(tǒng)內(nèi)部輻射和光學(xué)漸暈效應(yīng)的非均勻噪聲，主要表現(xiàn)為低頻空間噪聲，且這種低頻空間噪聲受工作環(huán)境影響較大。時域高通濾波法基于圖像中目標(biāo)的高速運(yùn)動，即濾去時域上相對變化緩慢的對象，保留并突出圖像中的移動目標(biāo)。而對于不變的場景，該方法則受一定的制約，會把不變的靜止背景連同固定圖案噪聲一起濾除。

在場景變化比較緩慢的情況下，恒定統(tǒng)計(jì)平均法校正效果很好，算法復(fù)雜度相對較低。由于海面溫度緩慢變化，可以認(rèn)為其近似滿足恒定統(tǒng)計(jì)場景校正的以下兩個約束條件，這里主要介紹恒定統(tǒng)計(jì)平均法的校正原理。

2）輸入到每個探測器單元的輸入信號的統(tǒng)計(jì)方差都相等。

恒定統(tǒng)計(jì)算法采用MOONEY線性響應(yīng)模型，即：

式中 n為算法迭代次數(shù)； Xi( n)為第i像元的原始輸出； Yi( n)為校正后輸出值；αi(n)、 βi(n)分別為像元對應(yīng)的校正增益和偏置，基于對場景的假設(shè)，可以用場景的均值和方差來估計(jì)，即：

式中 mi( n)為 Xi( n)的均值； σi(n)為 Xi( n)的均方差，可以用以下的迭代公式計(jì)算：

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 推掃型海洋遙感系統(tǒng)參數(shù)介紹

選取典型中緯度夏天海洋場景溫度 300K進(jìn)行分析，利用長線陣探測器與平臺飛行方向的配合實(shí)現(xiàn)推掃成像，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)F數(shù)為2，積分時間為3ms，積分時間內(nèi)探測器具有足夠的電荷處理能力而不飽和，噪聲等效溫差NETD優(yōu)于10mK；焦平面線陣列采用機(jī)械制冷工作在80K以下。

表1 系統(tǒng)主要相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of the system

測試推掃型紅外成像系統(tǒng)在多個黑體溫度輻射條件下的響應(yīng)，圖3（a）為某溫度點(diǎn)處系統(tǒng)的均勻輻射成像圖。假設(shè)一幀內(nèi)像元響應(yīng)輸出為xi（i為像元位置編號），利用式（11）所述歸一化方式，可得一幀內(nèi)所有像元的響應(yīng)歸一化分布，如圖3（b）所示。其中，、max(x)、min(x)分別為一幀內(nèi)像元響應(yīng)輸出的平均值、最大值和最小值。圖3變化劇烈的尖峰是盲元；非均勻性噪聲既包含空間高頻分量，也包含空間低頻分量，其中空間低頻非均勻性噪聲在圖中表現(xiàn)為圖像的灰度值在相鄰像元間的緩變。同理，某一像元在不同幀間的歸一化響應(yīng)和時間噪聲分布如圖3（c）所示。

3.2 海背景紅外輻射特性模型

式中 ω為探測器觀測方向與海面法線方向的夾角。探測譜段內(nèi)海面在探測器上產(chǎn)生的輻射總量N由式（13）決定[18]：

式中 τ為海面與探測器之間的譜段內(nèi)平均輻射透過率；ε為海面發(fā)射率； Nbb(T sea )為海面溫度的黑體輻射；ρ為海面反射率；Nsky為天空輻射；Nsun為太陽輻射；NA為探測器與海面之間的大氣程輻射。結(jié)合上節(jié)中探測器不同輻亮度下的響應(yīng)，仿真校正前海背景紅外輻射圖像如圖4所示，其中，信號均值為：33 797 LSB（LSB為信號量化的最低有效位，代表量化臺階），空間噪聲為2 704 LSB，由于系統(tǒng)的時間噪聲僅為2.14 LSB，空間噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時間噪聲，是造成系統(tǒng)靈敏度衰減的主要因素。

3.3 side-slither校正仿真

理想的side-slither校正保證所有像元經(jīng)過同一目標(biāo)區(qū)域，即對同一目標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)，校正效果仿真如圖5（a）所示，校正后空間噪聲為0.676 LSB，校正能力品質(zhì)因子c=0.32。實(shí)際工作中，由于平臺偏航和場景動態(tài)變化等因素影響，會降低其校正能力，通過選取相對單一、無明顯突變目標(biāo)的海面場景，可以提高side-slither校正效果。假設(shè)平臺偏航和場景動態(tài)變化造成的采樣點(diǎn)溫度隨機(jī)變化范圍為±1K，導(dǎo)致焦面響應(yīng)附加相應(yīng)的隨機(jī)噪聲，經(jīng)海面紅外模型仿真計(jì)算可得，噪聲為415 LSB，即side-slither非均勻性校正后殘差約為415 LSB（空間噪聲），c=194，如圖5（b）所示。與圖4對比可見，雖然有效地抑制了空間噪聲，但是對于高靈敏度探測系統(tǒng)，相比時間噪聲，仍是制約系統(tǒng)探測靈敏度和弱目標(biāo)檢出的關(guān)鍵因素，需結(jié)合基于場景的自適應(yīng)校正技術(shù)，進(jìn)一步抑制空間噪聲影響。

3.4 基于場景的非均勻性校正能力仿真

在side-slither校正基礎(chǔ)上，對圖像進(jìn)一步基于場景的校正算法進(jìn)行自適應(yīng)校正，仿真結(jié)果如圖6所示（根據(jù)校正結(jié)果，圖像顯示動態(tài)范圍自適應(yīng)調(diào)整）。圖 6（a）為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法校正后圖像及空間噪聲隨迭代次數(shù)變化曲線，校正后空間噪聲為 147 LSB，c=68.7，相比時間噪聲仍較大，難以滿足校正需求；圖6（b）為高通濾波法校正后圖像，殘余空間噪聲為1.87 LSB，c=0.88，空間噪聲接近時間噪聲水平，但收斂速度較慢。圖6（c）所示恒定統(tǒng)計(jì)平均法校正后空間噪聲為0.69 LSB，校正能力品質(zhì)因子c=0.33，能夠較好的抑制空域噪聲，收斂速度快，同時時域噪聲保持不變。

3.5 海面目標(biāo)紅外圖像校正仿真

通過調(diào)研三種典型海面目標(biāo)（水下目標(biāo)內(nèi)波尾跡[19]、艦船 Kelvin尾跡[20]、艦船目標(biāo)[21]）的紅外輻射特性，初步假設(shè)其輻射等效黑體溫度與海面背景相差分別為：10mK、1K、10K，同時結(jié)合紅外系統(tǒng)的輻射響應(yīng)特性，生成仿真圖像，利用文中所述聯(lián)合校正方法對其進(jìn)行非均勻性校正，結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為水下目標(biāo)生成的海面內(nèi)波尾跡紅外圖像校正仿真結(jié)果，由于其輻射亮度等效黑體溫度與背景溫差假定為 10mK，通過校正，雖然非均勻性得到很好的抑制，但由于目標(biāo)較弱，需結(jié)合檢測算法對目標(biāo)進(jìn)行提取。由圖 7（b）、（c）可見，對于不同輻射強(qiáng)度的海面目標(biāo)，基于 side-slither定標(biāo)與恒定統(tǒng)計(jì)平均法場景相結(jié)合的校正方法，能夠較好地將空間噪聲降低到時間噪聲附近水平，收斂速度快；同時時間噪聲不會被放大，最終系統(tǒng)的探測靈敏度由時間噪聲和空間噪聲共同決定，為后續(xù)弱目標(biāo)的有效檢出提供高品質(zhì)圖像。

4 結(jié)束語

海洋紅外遙感技術(shù)對海洋資源管理和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的影響日益增強(qiáng)，特別是在實(shí)施大范圍海面瞬間信息監(jiān)測，長年全球海洋數(shù)據(jù)采集等方面，發(fā)揮了不可替代的優(yōu)勢。隨著應(yīng)用的深入和擴(kuò)展，如水下目標(biāo)所引起的海面內(nèi)波的探測、二類水體水溫水色監(jiān)測等方面，需實(shí)現(xiàn)強(qiáng)背景下弱目標(biāo)的有效檢出，因而遙感器需滿足較高的的探測靈敏度，同時對非均勻性校正技術(shù)提出更高的要求?；诟哽`敏度大視場推掃型海洋紅外遙感器，提出 side-slither定標(biāo)源校正和場景統(tǒng)計(jì)法相結(jié)合的自適應(yīng)校正技術(shù)。通過side-slither技術(shù)，理論上使得所有像元經(jīng)過同一區(qū)域，滿足紅外定標(biāo)場地的要求，實(shí)現(xiàn)全鏈路、全口徑預(yù)校正和盲元的檢測、替換；同時結(jié)合基于場景的恒定統(tǒng)計(jì)校正方法，實(shí)現(xiàn)紅外遙感器成像全鏈路非均勻性校正系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，使非均勻性校正殘差接近或優(yōu)于時間噪聲的水平，以盡可能地提高紅外遙感器的探測靈敏度，為弱目標(biāo)檢出提供高品質(zhì)的紅外圖像。

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High Performance NUC by Side-slither Combined with Scened-based Correction

ZHANG Lisha1LIU Zhaojun1MA Wenpo1LONG Liang1WU Limin1RUAN Ningjuan1QIAN Weixian2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

（2 Nanjing Univereity of Science and Technology, Nanjing 210094, China）

Nonuniformity is one of the important factors influencing detection sensitivity. Following the performance promotion of infrared systems, nonuniformity became one of important factors influencing detection sensitivity. Higher sensitive system with larger swath width needs stricter requirements of NUC (Nonuniformity Corrected Technology, NUC). For ocean push-broom infrared sensors, an NUC conjuncting side-slither and scened-based self-adaptive NUC method is proposed. Firstly, according to SNR models, infrared images with target and noise signals are simulated. By side-slither NUC, coarse correction is realized. Influence factors of side-slither NUC include platform yawing and scene dynamic changes with high frequency, which results in that all pixels can’t image the same object and the residual nonunformity become higher. Secondly, scened-based NUC is introduced. Simulation results demonstrate that the residual space noise could be close to temporal noise and satisfy our needs of detection sensitivity.

TP732.2

: A

: 1009-8518(2017)01-0078-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.011

張麗莎，女，1983年生，2008年獲中科院研究生院光學(xué)工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為北京空間機(jī)電研究所在讀博士研究生。主要研究方向?yàn)榧t外遙感器總體技術(shù)。E-mail: zls508@126.com。

（編輯：劉穎）

2016-05-25