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红外焦平面非均匀性校正的人工神经网络算法.pdf
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红外焦平面非均匀性校正的人工神经网络算法.pdf
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摘 要
- -
I
摘 要
红外焦平面应用于红外成像系统具有结构简单、灵敏度高、功耗小等优点,
所以得到高度重视和广泛应用。然而,红外焦平面阵列固有的非均匀性,使红
外成像系统的温度分辨率下降,图像质量受到严重影响。因此,必须对红外焦
平面进行非均匀性校正。
本论文首先对红外焦平面非均匀性的产生原因进行了探讨,而后选取了便
于实际操作的非均匀性定义及大小度量方式,并介绍了几种非均匀性校正算法
及其优、缺点。在此基础上,指出自适应非均匀性校正方法是非均匀性校正发
展的必然趋势。进而详细介绍了自适应非均匀性校正方法中最具发展前景的人
工神经网络校正算法,并对各种人工神经网络算法进行了研究和比较,选取 BP
神经网络应用于红外焦平面的非均匀性校正。参阅国外文献,给出了的非均匀
性 BP 校正算法的实际应用模型。通过对经典 BP 校正算法模型的分析研究,针
对经典 BP 校正算法参数难以选取的缺点,提出了一种改进型的 BP 校正算法——归
一化 BP 校正算法的实现方式,在参数选取的合理性和可行性方面得到了明显的
改善。分析归一化 BP 校正算法的参数选取与算法敛散性之间的关系,对实际应
用中参数的选取具有指导作用。对改进的归一化 BP 校正算法利用 Matlab 进行
了软件仿真,在取得良好的非均匀性校正效果的同时,验证了对归一化 BP 校正
算法理论分析的正确性。最后对算法的硬件可实现性进行了论证。
关键词:BP 算法,非均匀性校正,Matlab,人工神经网络算法,红外焦平面
Abstract
-II-
Abstract
Infrared focal plane array(IRFPA) can be superior for infrared imaging systems
not only because of its simplicity and compactness in structure ,but also because of
its high sensitivity and low power depletion. And infrared focal plane array is
applied to imaging system widely and attracted lots of attention. Unfortunately, its
inherent nonuniformity can degrade image quality and system performance. Hence,
nonuniformity correction(NUC) becomes necessary.
The paper firstly describes the reasons of the nonuniformity in the IRFPA.
Then several methods of nonuniformity correction(NUC) for IRFPA are analyzed
and compared, which leads to that the adaptive correction scheme is the best for the
IR imaging system. Following that, artificial neural networks correction
technique— back propagation(BP) algorithm is discussed in detail. On the base of
above analysis, the unitary BP algorithm is introduced, which has more adaptability
than classical BP algorithm. Experiments were performed. The unitary BP
algorithm's effectiveness and superiority were verified by simulation. At the end of
this paper, the possibility of hardware-realization of the algorithm is validated.
Keywords: back propagation(BP) algorithm, nonuniformity correction, Matlab,
artificial neural networks(ANN),infrared focal plane array(IRFPA)
引 言
- -
1
引 言
在过去的几十年中,红外探测器件的元数不断增加,由单元发展到线列,
由线列发展到焦平面阵列(Focal Plane Array)。红外焦平面阵列探测器的出现,
是红外成像史上一个划时代的革命。它大幅度提高了红外成像系统的灵敏度和
可靠性。更重要的是,采用红外焦平面可大大减小成像系统的体积、质量、功
耗,这对于制导武器是很关键的。由此可见,发展以焦平面阵列为核心的第二
代红外制导系统是红外成像系统发展的必然趋势,它必将在未来先进武器系统
中获得广泛应用。
然而,在焦平面阵列的实际应用中,各探测元响应之间存在着非均匀性
(Nonuniformity)。非均匀性是指焦平面阵列在外界同一均匀光学场输入时,
单元之间输出的不一致性。红外焦平面的非均匀性使红外成像系统的温度分辨
率下降,目标图像质量受到严重影响,极大地限制了红外成像系统的探测性能。
因此,必须对红外焦平面阵列进行非均匀性校正。加之红外焦平面非均匀性成
因十分复杂,使得其校正难度增大,所以本课题的研究有着重要意义。
目前,国外在原有的定标线性校正算法
【1】【 2】
的基础上
注 1
,提出了红外非均
匀性的自适应校正算法
【3】【 4】
,获得了较好的试验结果。国内对红外焦平面阵列
的非均匀性校正的研究正在起步,有的单位采用定标方式的线性校正算法和通
用高速数字信号处理(DSP)芯片解决这一问题
【5】【 6】
。至今,已实用化的方法
有一点、二点或多点定标线性校正算法。自适应校正算法由于稳定性、实用性
注 1:【1】为参考文献 1,下同。
- 3 -
第 1 章 红外焦平面非均匀性校正概述
1.1 红外焦平面非均匀性的产生
(1)
HgCdTe
- 4 -
(2)
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