專利名稱：一種光纖束傳像系統(tǒng)中非均勻性校正的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖束傳像系統(tǒng)圖像處理領(lǐng)域，具體是指一種線面轉(zhuǎn)換型光纖束傳像 系統(tǒng)中非均勻性的校正方法。
背景技術(shù)：
線列陣探測器是掃描成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，超長線列陣可以擴(kuò)大掃描范圍，提 高系統(tǒng)分辨率。6000元以上超長線列陣探測器目前受限于工藝無法做到，采用異型光纖傳 像束構(gòu)成的光電成像系統(tǒng)可以解決這個問題(專利號=200410089452. 8，“推帚式超高分辨 率紅外焦平面?zhèn)飨袷儞Q光電成像系統(tǒng)”)。該光電系統(tǒng)的主要原理就是利用特殊排列的光 纖傳像束(即一端為線陣排列，另外一端為面陣排列)將線目標(biāo)轉(zhuǎn)換成為面目標(biāo)，面目標(biāo)成 像于面陣探測器，探測器所得到的圖像經(jīng)過時空變換方法(專利號200510030793.2，“基 于光纖耦合的焦平面陣列圖像時空變換方法”)恢復(fù)出掃描圖像?；謴?fù)出的圖像存在比較嚴(yán) 重的非均勻性，主要表現(xiàn)為圖像中垂直于掃描方向上有明顯的細(xì)條紋，還有較寬的條帶，如 圖4所示。圖像非均勻性的產(chǎn)生主要來源于三個方向，一是探測器存在非均勻性，二是光學(xué) 系統(tǒng)帶來的非均勻性，三是光纖束本身帶來的非均勻性。相對于光纖束引起的非均勻性，光 學(xué)系統(tǒng)和探測器帶來的非均勻性可以忽略。引起光纖束非均勻性的根本原因是各光纖之間 透過率不同，以至于當(dāng)相同照度的光線進(jìn)入光纖之后，光纖束輸出端得到的圖像不均勻。光 纖束輸入端線陣和輸出端面陣的排列結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。如圖2所示，光纖束輸 入端線陣由K級光纖子束錯位重疊呈品字型排列而成，光纖子束由mXn元光纖構(gòu)成。光纖 束輸出端面陣與輸入端線陣光纖一一對應(yīng)，如圖3所示，輸出端面陣由與輸入端線陣對應(yīng) 的奇級①_偶級②_奇級③光纖子束……順序疊加而成。下面根據(jù)光纖束的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對光 纖束非均勻性產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。光纖傳像束中包含光纖的數(shù)目是巨大的，以光纖子束 為4 X 220元，K為40來計算，一條光纖束由超過35000根光纖構(gòu)成，如此多的光纖不可能做 到每根光纖之間都完全相同。光纖纖芯直徑、包層直徑、光纖長短、光纖材料的細(xì)微差別，以 及光纖之間光纖端面垂直度的差異都會引起光線在光纖中的光程不同，從而光纖的吸收損 耗和散射損耗不同，導(dǎo)致不同光纖之間透過率不同，最終在得到的圖像上就表現(xiàn)為有條紋 存在。除此之外，光纖束制作工藝對光纖的透過率也有較大的影響。由于目前光纖束排絲 還是依靠手工排列，所以在光纖集束的過程中，可能出現(xiàn)光纖束輸入端或輸出端某一層光 纖不平整或者出現(xiàn)扭曲，導(dǎo)致出射光線不集中，導(dǎo)光能力不強(qiáng)而散射，影響光纖透過率。當(dāng) 光纖束輸入端線陣某一級(如圖2所示)在排列的過程中受到擠壓或者扭曲時，整級光纖 的透過率都會受到影響，表現(xiàn)在最終圖像上就是會有條帶產(chǎn)生(如圖4所示)。光纖束在制 作過程中還會出現(xiàn)黃絲或暗絲，這些光纖的透過率明顯低于周圍光纖的透過率，在圖像上 表現(xiàn)為較暗的條紋。目前，關(guān)于光纖傳像束非均勻性校正算法方面的研究還比較少，不過紅外焦平面 非均勻性校正已經(jīng)有很多有效的算法，這些算法值得借鑒。紅外焦平面非均勻校正的主要 算法有點(diǎn)校正和自適應(yīng)校正兩類。其中點(diǎn)校正包括一點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正、多點(diǎn)校正等。自適應(yīng)校正主要有基于場景的校正算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、連續(xù)時間校正等。在選擇校正算法的時 候主要考慮兩點(diǎn)，算法有效性及復(fù)雜性。我們需要一種既有效又簡單的算法，這樣才能在保 證校正效果的同時保證圖像處理的實時性。兩點(diǎn)法校正是紅外焦平面中廣泛運(yùn)用的一種校 正方法，它考慮了探測器的增益系數(shù)不均勻性和偏置不均勻性。其中偏置不均勻性是指當(dāng) 入射光照度為零時，探測器輸出響應(yīng)不為零，即存在暗電平。而光纖傳像束和探測器不同， 并不存在暗電平現(xiàn)象，當(dāng)入射光照度為零時并無輸出。所以不用校正偏置不均勻性。所以 采用一點(diǎn)法進(jìn)行校正，只對增益系數(shù)的非均勻性進(jìn)行校正。傳統(tǒng)的一點(diǎn)法校正是對定標(biāo)點(diǎn) 處探測器所有像元響應(yīng)校正為其平均響應(yīng)，得到的系數(shù)就是校正系數(shù)，并不適用于線面轉(zhuǎn) 換型光纖傳像束非均勻性校正。因為由于光纖束制作工藝問題，每一級光纖子束之間整體 透過率可能存在較大差別，如果采用傳統(tǒng)一點(diǎn)法進(jìn)行校正，即將光纖元響應(yīng)校正到其平均 響應(yīng)，將會無法校正圖像中的條帶。其次，采用傳統(tǒng)一點(diǎn)法校正時，只有目標(biāo)實際照度在定 標(biāo)點(diǎn)照度附近時才會有比較好的校正效果
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種線面轉(zhuǎn)換型光纖束構(gòu)成的傳像系統(tǒng)中光纖束非均勻 性校正的方法，以使恢復(fù)出的圖像具有較好的均勻性，更有利于目標(biāo)的探測。
如圖2如示，設(shè)光纖束輸入端線陣由K級光纖子束組成，K為自然數(shù)。每級光纖子 束由m層光纖，每層η元光纖即mXn元光纖組成。奇級(①、③……)與偶級(②、④……) 光纖子束錯位重疊成品字型排列而成。面陣端與線陣端對應(yīng)以奇級_偶級_奇級光纖子 束……的方式疊加排列而成。因為在恢復(fù)圖像時，只需要m層光纖中的一層就可以恢復(fù)出 掃描圖像，所以我們討論的只是m層光纖中其中一層光纖的非均勻性校正，其他層的校正 方法相同，當(dāng)文中提到第k(k= 1，2，3…K)級光纖子束的像元數(shù)時，指的就是那一級的其中 一層的像元數(shù)，即m= 1。為了保證圖像的實時性，選擇一種有效且簡單的算法來對非均勻性進(jìn)行校正。根 據(jù)光纖束的排列結(jié)構(gòu)以及光纖束非均勻性產(chǎn)生的原因，采用適合光纖束非均勻性校正的一 點(diǎn)法進(jìn)行校正，我們稱它為多段式分級一點(diǎn)法。主要思想是，在探測器動態(tài)范圍內(nèi)，選取 φ。，φ17 φ2，Φ3··· ΦΜ不同的Μ+1個照度等級對光纖束各光纖元響應(yīng)進(jìn)行定標(biāo)，對每一個 照度級進(jìn)行定標(biāo)時，將定標(biāo)圖像按照光纖束輸入端的級數(shù)K分為K組，分別對每一組求相應(yīng) 組的平均響應(yīng)值，以K組中平均響應(yīng)值最大者作為校正參考值，各光纖元響應(yīng)值與校正參 考值相除，所得系數(shù)為光纖元在相應(yīng)照度條件下對應(yīng)組的校正系數(shù)。在校正第k(k= 1，2， 3…K)組光纖子束第i(i = 1,2,…η)個光纖元響應(yīng)時，先判斷該光纖元響應(yīng)最接近哪一 個定標(biāo)點(diǎn)下對應(yīng)光纖子束的平均響應(yīng)值，用該定標(biāo)點(diǎn)下對應(yīng)光纖元的校正系數(shù)進(jìn)行校正。多段式分級一點(diǎn)法校正過程如下將一漫反射白板置于整個光學(xué)系統(tǒng)前端(圖1)，通過改變照射到漫反射白板的光 照度，或換不同反射率的漫反射白板，可結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)中光圈變化，得到Μ+1個照度級的定 標(biāo)圖像，這Μ+1個照度級在探測器動態(tài)范圍內(nèi)，Μ+1個照度級可取5-10級。Μ+1個照度級的 定標(biāo)圖像也可以通過積分球得到，第1個照度級接近被探測目標(biāo)照度值下限，第Μ+1個照度 級接近被探測目標(biāo)照度值上限。按照光纖束輸入端線陣的級數(shù)K，將定標(biāo)圖像響應(yīng)值分為K 組，每一組對應(yīng)一級光纖子束的響應(yīng)。分別對每一組求其平均響應(yīng)(公式1)，得到第j級照度下，第k級光纖子束的平均響應(yīng)，并分別作為該照度條件下各級光纖子束的響應(yīng)值(公式 2)，將平均響應(yīng)的最大值作為校正參考值(公式3)，用校正參考值除以各光纖元的響應(yīng)值， 得到第i級照度下第k級光纖子束中第i元光纖的校正系數(shù)(公式4)。公式如下<formula>formula see original document page 5</formula>其中k = 1，2，3...K ;i = l，2，3...Nk ;j = 0，1，2，Μ。K 為光纖束輸入端線陣的級
數(shù)，Μ+1表示定標(biāo)時的照度等級數(shù)，Nk表示第k級光纖子束一層光纖的元數(shù)，因為光纖束采 用緊密六角型排列，且在制作過程中無法精確控制每一級的光纖元數(shù)，所以不同級的光纖 元數(shù)會有所不同。公式(1)中示在第j級照度下第k級光纖子束的平均響應(yīng)值，Vi, k 表示第k級光纖子束中第i元光纖的響應(yīng)值。公式(2)中Φ &表示第k級光纖子束在第j 級照度下的參考響應(yīng)值。公式(3)中Vrefj表示第j級照度下的校正參考值。公式(4)中 \ j,k表示第j級照度下，第k級光纖子束中第i元光纖的校正系數(shù)。在校正時，根據(jù)光纖元響應(yīng)值Vi, k所在的照度范圍，讀入相應(yīng)的校正系數(shù)\ j, k進(jìn) 行校正，校正后響應(yīng)值為Vi, k'。具體就是找出與第k級光纖子束中第i元光纖的響應(yīng)值 Vu最接近的參考響應(yīng)值Φιρ根據(jù)Φ ρ對應(yīng)的照度級和光纖子束，讀入相應(yīng)的校正系數(shù) ay.k，則Vi,,‘ =BiijikXVi,,(5)對光纖束中每一級光纖子束的光纖元用以上的方法進(jìn)行校正，即可得到校正后的 圖像。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和技術(shù)效果1.圖像非均勻性得到較好的較正。2.圖像中的由于光纖束非均勻性引起的條紋顯著減少。3.圖像中由于光纖子束之間非均勻性引起的條帶基本消除。4.算法簡單，有利于圖像處理的實時性。


圖1對光纖束非均勻性進(jìn)行定標(biāo)時的裝置示意圖。圖2是線面轉(zhuǎn)換型光纖傳像束輸入端排列結(jié)構(gòu)。圖3是線面轉(zhuǎn)換型光纖傳像束輸出端排列結(jié)構(gòu)。圖4是未經(jīng)過非均勻性校正的圖像。圖5采用多段式分級一點(diǎn)法進(jìn)行校正后的圖像。
具體實施例方式下面以本發(fā)明在一個基于線面轉(zhuǎn)換光纖傳像束系統(tǒng)的項目中的應(yīng)用為例，對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明項目中光纖傳像束排列結(jié)構(gòu)為光纖束輸入端線陣由40級光纖子束錯位重疊 呈品字型排列，每級光纖子束由4X210元光纖分4層緊密排列而成。光纖束輸出端為 210X160元面陣排列?；謴?fù)出掃描圖像時，只使用了 4層光纖中的第2層，所以非均勻性校 正只針對各級光纖子束的第2層光纖進(jìn)行，所以說到某級光纖子束時，默認(rèn)指的是某級光 纖子束的第二層光纖。如果需要對其它層光纖進(jìn)行校正，則方法相同。分別采用反射率為100%，80%，60%，40%，20%的漫反射板，并結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)中 光圈的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生10個照度級下的光纖傳像束定標(biāo)圖像。將每一個照度級的定標(biāo)圖像中對應(yīng)的光纖元響應(yīng)值都分為40組，每一組對應(yīng)一 級光纖子束的響應(yīng)，分別按公式(1) (4)求出各組的平均響應(yīng)&t,光纖在各照度級的參考 響應(yīng)值Φ μ，校正參考值Vrefr各光纖元的校正系數(shù)a^k。從第1級光纖子束開始，將每 一級光纖子束中光纖元的響應(yīng)值Viik與該光纖子束對應(yīng)的10個參考響應(yīng)值Φμ作比較， 找到最接近Vi, k的參考響應(yīng)Φρ，Φ ρ對應(yīng)照度級下的校正系數(shù)作為該光纖元響應(yīng) 的校正系數(shù)，校正系數(shù)乘以光纖元響應(yīng)值即可得到校正后的響應(yīng)值。
如圖4所示，未經(jīng)非均勻性校正時，圖像中有很多條紋存正，條帶也很明顯，經(jīng)過 多段式分級一點(diǎn)法校正之后的圖像如圖5所示，可以看出，圖像非均勻性得到了明顯的改 善，條紋也顯著減少，條帶現(xiàn)象也消除了。
權(quán)利要求
一種光纖束傳像系統(tǒng)中非均勻性校正的方法，其特征在于包括以下步驟1)獲取光纖傳像束各光纖元在M+1個照度條件下的響應(yīng)，得到M+1幅定標(biāo)圖像，其中M+1為5至10間的自然數(shù)，表示定標(biāo)點(diǎn)數(shù)，；2)在每一個照度條件下，將光纖元的響應(yīng)分為K組，其中K為自然數(shù)，代表光纖傳像束輸入端線陣光纖子束的級數(shù)，分別求出各組的平均響應(yīng) <mrow><msub> <mover><mi>V</mi><mo>&OverBar;</mo> </mover> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>N</mi><mi>k</mi> </msub></munderover><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>/</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>k</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式中Nk表示第k級光纖子束中光纖的元數(shù)，k＝1，2，3...K，K為光纖傳像束輸入端線陣的級數(shù)，Vi，k表示第k級光纖子束中第i元光纖的響應(yīng)值，i＝1，2，3...n，n代表每一級光纖子束的光纖元數(shù)；將各組的平均響應(yīng)分別作為該照度條件下各級光纖子束的響應(yīng)值φj，k <mrow><msub> <mi>&phi;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mover><mi>V</mi><mo>&OverBar;</mo> </mover> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>以其最大值作為該照度下各光纖元的校正參考值Vrefj； <mrow><msub> <mi>Vref</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mi>max</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mover> <mi>V</mi> <mo>&OverBar;</mo></mover><mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>3)通過校正參考值求出該照度條件下相應(yīng)光纖元的校正系數(shù)ai，j，k； <mrow><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>Vref</mi><mi>j</mi> </msub> <msub><mi>V</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi></mrow> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>4)光纖元響應(yīng)值Vi，k與φj，k相比較，選擇最接近Vi，k的φj，k，其對應(yīng)照度條件下的校正系數(shù)進(jìn)行校正；5)光纖元響應(yīng)值與所對應(yīng)的校正系數(shù)相乘，Vi，k′＝ai，j，k×Vi，k(5)得到校正后的響應(yīng)值Vi，k′。FSA00000111170600011.tif,FSA00000111170600013.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種線面轉(zhuǎn)換型光纖束傳像系統(tǒng)中非均勻性校正的方法，該發(fā)明用于線面轉(zhuǎn)換型光纖傳像束獲取超長線列陣探測器的光電系統(tǒng)中，通過采用多段式分級一點(diǎn)法校正。使用該方法后圖像非均勻性有明顯改善，為后續(xù)圖像分析奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號G06T5/50GK101833755SQ201010165238
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者方中華, 王鋼 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所