红外焦平面非均匀性校正的人工神经网络算法

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1、河北大学工学硕士学位论文和本质的某些不完美，在国内外还都处于实验室仿真阶段，没有实际应用的公开报道。本文第1章在分析非均匀性产生原因的基础上结合实际应用，对非均匀性几种不同的定义方式及衡量方法进行了比较，选取了一种便于实际操作的非均匀性定义及衡量方法，此衡量方法在后面的算法仿真中被用来评价非均匀性校正效果的优劣。而后对以往各种非均匀性校正算法进行了讨论，并归纳总结了各算法的优、缺点，阐述了自适应校正算法才是非均匀性校正的发展趋势；第2章详细阐述了一种自适应校正算法——人工神经网络校正算法。首先从人工神经网络的基本原理出发，介

2、绍了其发展过程及特点，分析比较了其包含的多种神经算法的适用范围和复杂度，选取了BP网络应用于红外焦平面非均匀性校正。然后详细介绍了所采用的BP网络的算法原理，对算法进行了讨论研究，进而结合红外焦平面非均匀性校正实际，参阅大量文献，给出了BP算法在非均匀性校正中的应用模型，并对这一应用模型进行了深入的剖析。在此基础上，提出了一种改进的BP校正算法——归一化BP校正算法的实现方法；第3章为计算机仿真部分。包括对红外黑体图像的编程仿真，和以此图像作为源图像，进行的校正算法仿真。在试验过程中经典BP校正算法由于其参数选择难度大，未取

3、得较好的校正效果。而对归一化BP校正算法的仿真，得到了合理的参数选择范围，在对黑体图像进行非均匀性校正的试验中取得良好效果。进而将归一化BP校正算法应用于实际的中波红外焦平面成像系统采集到的天空背景点目标图像，对其进行非均匀性校正，亦得到了良好的校正效果。仿真验证了第2章中对算法的分析，也验证了归一化BP校正算法的有效性。最后针对试验中的中波红外焦平面指出了归一化BP神经网络校正算法的参数具体选择范围。第4章分析了归一化BP算法的复杂度，在考察了当今数字处理（DSP）芯片发展状况的基础上，论证了归一化BP校正算法的硬件可实现

4、性。-2-第1章红外焦平面非均匀性校正概述第1章红外焦平面非均匀性校正概述随着红外焦平面阵列的广泛使用，必须对红外焦平面阵列进行非均匀性校正。对其进行校正之前需要了解其形成原因，所以本章从考察红外焦平面阵列非均匀性的成因入手，在多种非均匀性定义方式和大小衡量方法中，明确选择了一种更切合实际、便于操作的非均匀性定义方式及其大小衡量方法。然后介绍了几种以往的非均匀性校正方法，并归纳总结了这些算法的优、缺点。指出自适应的非均匀性校正算法是红外焦平面非均匀性校正发展的必然趋势。1.1红外焦平面非均匀性的产生红外焦平面非均匀性产生的原

5、因十分复杂。目前，人们对非均匀性的来源认识已经比较清楚，但对其数学描述却大部分局限于经验公式，还不能完整的建立红外焦平面非均匀性产生的数学模型和计算理论。产生红外非均匀性的原因可分【7】【8】为：（1）器件自身的非均匀性器件自身的非均匀性是红外非均匀性的主要组成部分，由器件的材料及制造工艺水平决定。一旦焦平面器件制造完成，这种由器件自身制造工艺引起的非均匀性将始终存在。以HgCdTe探测器为例，研究结果表明，Hg1-xCdxTe材料中x组分的变化和CCD注入效率的变化将影响红外探测器的均匀性。当注入效率为90%时，非均匀性为

6、20%—22%；而当注入效率提高到99.9%时，非均匀性最大值为1.7%。-3-河北大学工学硕士学位论文（2）器件工作状态引入的非均匀性在红外热成像系统的性能中，与红外焦平面器件的工作状态相关的主要参数有：焦平面器件的工作温度和温度的均匀性、红外探测器及其CCD器件的驱动信号等。HgCdTe光伏探测器的辐射响应性能与它所处的实际温度相关，焦平面器件和焦平面器件探测单元的温度均匀性将影响整个焦平面器件响应率的均匀性。同样，红外探测单元及其CCD器件单元驱动信号的变化也将影响整个焦平面器件响应的均匀性。这种非均匀性主要由焦平面器

7、件的工作状态确定，同一焦平面在不同成像系统中可能呈现出不同的非均匀性效果。（3）与外界输入相关的非均匀性在红外热成像系统中，入射的目标和背景红外辐射强度变化，红外热像仪光学系统的背景辐射等外界特性均可对焦平面器件的非均匀性产生影响。景物的红外辐射变化主要有辐射总量和辐射光谱两种形式，由于红外探测器的光谱响应比较复杂，辐射总量的响应均匀性并不能代表其辐射光谱变化后仍具有相同的均匀性。红外光学系统的背景辐射条件的变化又将影响到红外探测器所处的工作环境、工作参数和工作性能，几种因素相互耦合，以至影响焦平面的非均匀性。这类非均匀性与

8、实际外界条件密切相关，在焦平面器件的研制和红外热成像系统的设计中是很难预测的。如果把红外成像系统看成是景物与图像色彩的变换系统，则人们可从实际红外成像系统的图像信息传递过程去分析图像非均匀性的产生机理和变化形态。但要获得完整的分析结果将是很困难的，因为在红外图像的传递过程中，许多非均匀性因