基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法及系统

1.本技术涉及光电探测技术领域，特别涉及一种基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法及系统。


背景技术：

2.随着探测器的发展，长波红外探测器在航天卫星领域应用越来越广泛。hgtecd具有带隙可调，光吸收系数大，载流子寿命长，电子迁移率高等特点，这些优点使得hgtecd成为制备长波红外焦平面探测器的理想材料。然而随着波长的增加，探测器的背景辐射也相应的增大，很大程度上侵占了有效信号的动态范围，使探测器还没达到系统所需的积分时间，其积分电容就已经饱和了。另外背景辐射的波动还会降低系统的噪声等效温差，影响长波红外系统的成像质量。所以红外系统，尤其是长波红外，背景辐射的去除是十分必要的。
3.主动型抑制背景辐射的方法需要将焦平面和光学系统保持在一个极低的温度上，这将消耗大量的资源，且不可持续。本发明为被动型方法，不追求将整个系统保持在一个极低的温度上，而是通过不同方法，拟合得到所有像元的实时暗背景估算值，将暗背景估算值从入射信号中去除，从而达到消除背景辐射的目的。现有技术方案均以探测器暗像元为基础。即遮挡一部分探测器像元(称为“暗像元”)，使它们保持在光学系统入瞳之外，不能接收到有效信号的辐射能量，只能输出暗场信号，用来表征系统的背景辐射。然后将不同像元与这些暗像元建立相关性，推导出焦平面上所有像元的背景辐射。例如专利申请cn 112284535 a渐进式在轨推扫式中短波红外成像光谱仪暗背景去除方法、cn 105841815 a一种成像光谱仪ccd光谱图像暗电流校正方法、cn 111432093 a一种cmos图像传感器的暗电流校正方法等。
4.对于被动型消除红外谱段背景辐射的方法，现有技术方案均以探测器暗像元为基础，需要在探测器某一个区域或者某几个区域定义一个或者多个暗像元，不让它们感光，用来表征背景辐射。这样做有三个缺点：
5.局限性：目前受限于工艺，红外探测器尤其是长波红外探测器的焦平面尺寸很小，通常小于1k
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1k的面阵，单独定义某个区域为暗像元，浪费有效像元的数量。这种方法为了提高准确度，通常会在探测器不同位置定义多个暗像元区域，浪费像元数更多。
6.差异性：长波红外探测器像元之间的非均匀性非常明显，通常在10％左右。由于这种方法是利用少数暗像元去估算所有像元的背景辐射，必然会由于不同像元的差异性导致计算不准确。
7.暗像元是否真的“暗”：现有技术方案中实际上隐含了一个前提，就是在正常成像状态下，有效入射信号在暗像元上无响应，暗像元的输出只包括背景辐射。实际工作中不会这么理想，有效信号多多少少都会在暗像元上产生电荷。通常情况下，为了计算的准确性，需要选择有效像元附近的暗像元，而这样目标入射信号更容易“污染”暗像元，彼此矛盾。


技术实现要素：

8.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可有效提高计算的准确性，同时避免人为定义的暗像元而浪费探测器资源的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法及系统。
9.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
10.本技术目的之一提供了一种基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法，包括下述步骤：
11.在暗场环境下，获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度；
12.拟合获取的若干帧所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面实时温度之间的关系；
13.获取每个像元的一组拟合系数；
14.根据所述拟合系数以及所述焦平面实时温度，计算得到不同像元当前帧的暗背景估算值，并将所述暗背景估算值从入射信号中去除即可消除背景辐射的影响。
15.在其中一些实施例中，在获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度的步骤中，具体包括下述步骤：将所述长波红外探测器置于全暗的环境中，用冷光屏屏蔽目标辐射能量进入所述长波红外探测器，所述长波红外探测器获取像元暗背景的实测值。
16.在其中一些实施例中，在获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度的步骤中，具体包括下述步骤：采用恒流源加测温二极管的方式，搭配32位高精度adc，分别获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度，并多次采样做平均值。
17.在其中一些实施例中，在拟合获取的若干帧所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面实时温度之间的关系的步骤中，具体包括下述步骤：将获取的所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面温度，采用不同的拟合模型，拟合像元暗背景与焦平面温度之间的关系，目标是使残差最小，所述拟合模型包括多项式拟合、指数拟合以及线性拟合。
18.本技术目的之二提供了一种所述的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除系统，包括：
19.数据获取单元，在暗场环境中，用于获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度；
20.拟合单元，用于拟合获取的若干帧所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面实时温度之间的关系；
21.拟合系数获取单元，用于获取每个像元的一组拟合系数；
22.背景辐射消除单元，用于根据所述拟合系数以及所述焦平面实时温度，计算得到不同像元当前帧的暗背景估算值，并将所述暗背景估算值从入射信号中去除即可消除背景辐射的影响。
23.在其中一些实施例中，所述数据获取单元采用恒流源加测温二极管的方式，搭配32位高精度adc，分别获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长
波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度，并多次采样做平均值。
24.在其中一些实施例中，所述拟合单元用于将获取的所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面温度，采用不同的拟合模型，拟合像元暗背景与焦平面温度之间的关系，目标是使残差最小，所述拟合模型包括多项式拟合、指数拟合以及线性拟合。
25.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
26.本技术提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法及系统，正式成像前获取所述长波红外探测器一定帧数的所有像元暗背景实测值以及对应时刻的焦平面温度，根据所述焦平面的实时温度及所有像元的暗背景实测值拟合不同像元暗背景与所述焦平面的温度之间的关系，使残差最小，每个像元得到一组拟合系数。正式成像时，通过每个像元的拟合系数以及焦平面实时温度，即可计算得到不同像元的暗背景估算值，并将所述暗背景估算值从入射信号中去除即可消除背景辐射的影响。本技术提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法及系统，直接构建所有像元背景辐射与焦平面温度之间的关系，从背景辐射的本质上计算不同像元的暗背景，而不是借助“暗像元”这个中间媒介，减少中间环节就意味着消除了暗像元非均匀性的影响以及传递的误差，有效提高计算的准确性，同时避免人为定义的暗像元而浪费探测器资源。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法的步骤流程图。
29.图2为本技术实施例提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除系统的结构示意图。
30.图3为本技术实施例1提供的像元暗背景实测值与焦平面温度的关系示意图。
31.图4为本技术实施例1提供的长波红外系统的实验框图。
32.图5(a)及(b)分别为本技术实施例1提供的校正前后探测器的有效信号输出示意图。
33.图6为本技术实施例1提供的校正前后的噪声等效温差示意图。
34.图7(a)及(b)为本技术实施例1提供的校正前后多帧合并的效果示意图。
具体实施方式
35.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
36.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本技术的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
39.请参阅图1，为本实施例1提供的一种基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法的步骤流程图，包括下述步骤：
40.步骤s110：在暗场环境下，获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度。
41.在其中一些实施例中，在暗场环境下，获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度的步骤中，具体包括下述步骤：在正式成像之前，将所述长波红外探测器置于全暗的环境中，用冷光屏屏蔽目标辐射能量进入所述长波红外探测器，所述长波红外探测器获取像元暗背景的实测值。可以理解，此时像元输出码值只包括焦平面暗电流和仪器本身的辐射。
42.在其中一些实施例中，在获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度获取所述长波红外探测器的焦平面的实时温度的步骤中，具体包括下述步骤：采用恒流源及加测温二极管的方式，搭配32位高精度adc，分别获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度，并多次采样做平均值，从而能够精确获取焦平面的实时温度，精度优于1mk。
43.步骤s120：拟合获取的若干帧所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面实时温度之间的关系。
44.在其中一些实施例中，在拟合获取的若干帧所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面实时温度之间的关系获取所述长波红外探测器所有像元的暗背景实测值的步骤中，具体包括下述步骤：
45.将获取的所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面温度，采用不同的拟合模型，拟合像元暗背景与焦平面温度之间的关系，目标是使残差最小，所述拟合模型包括多项式拟合、指数拟合以及线性拟合。
46.步骤s130：获取每个像元的一组拟合系数。
47.可以理解，上述拟合系统用来表征焦平面温度和暗背景的关系。
48.步骤s140：根据所述拟合系数以及所述焦平面实时温度，即可计算得到不同像元当前帧的暗背景估算值，并将所述暗背景估算值从入射信号中去除即可消除背景辐射的影响。
49.本技术提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除方法，直接构建所有像元背景辐射与焦平面温度之间的关系，从背景辐射的本质上计算不同像元的暗背景，而不是借助“暗像元”这个中间媒介，减少中间环节就意味着消除了暗像元非均匀性的影响以及传递的误差，有效提高计算的准确性，同时避免人为定义的暗像元而浪费探测器
资源。
50.请参阅图2，为本技术实施例提供的一种所述的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除系统，包括：数据获取单元110、拟合单元120、拟合系数获取单元130及背景辐射消除单元140。以下详细说明各个单元的具体实现方式。
51.具体地，在正式成像之前，将所述长波红外探测器置于全暗的环境中，数据获取单元110用冷光屏屏蔽目标辐射能量进入所述长波红外探测器，所述长波红外探测器获取像元暗背景的实测值。可以理解，此时像元输出码值只包括焦平面暗电流和仪器本身的辐射。
52.数据获取单元110采用恒流源及加测温二极管的方式，搭配32位高精度adc，分别获取所述长波红外探测器若干帧所有像元的暗背景实测值及所述长波红外探测器若干帧对应时刻的焦平面实时温度，并多次采样做平均值，从而能够精确获取焦平面的实时温度，精度优于1mk。
53.拟合单元120用于将获取的所有像元暗背景实测值和对应时刻的焦平面温度，采用不同的拟合模型，拟合像元暗背景与焦平面温度之间的关系，目标是使残差最小，所述拟合模型包括多项式拟合、指数拟合以及线性拟合。
54.拟合系数获取单元130用于获取每个像元的一组拟合系数。上述拟合系统用来表征焦平面温度和暗背景的关系。
55.背景辐射消除单元140用于根据所述拟合系数以及所述焦平面实时温度，即可计算得到不同像元当前帧的暗背景估算值，并将所述暗背景估算值从入射信号中去除即可消除背景辐射的影响。
56.本技术提供的基于长波红外探测器的长波红外谱段背景辐射消除系统，直接构建所有像元背景辐射与焦平面温度之间的关系，从背景辐射的本质上计算不同像元的暗背景，而不是借助“暗像元”这个中间媒介，减少中间环节就意味着消除了暗像元非均匀性的影响以及传递的误差，有效提高计算的准确性，同时避免人为定义的暗像元而浪费探测器资源。
57.实施例
58.选择以一款斯特林制冷(60k)的长波红外探测器，像元尺寸为320
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256，谱段范围8～12.5μm，暗电流1.5na，暗背景占据了很大一部分动态范围，限制了积分时间的增加。此外，暗背景随时间波动，也影响系统的噪声等效温差。
59.首先，虽然焦平面温度由斯特林制冷机控制在60k左右，但是仍然有微小的波动，恰恰这个微小的波动引起暗背景的波动。采用恒流源+二极管的方式，搭配32位高精度adc，准确获得焦平面实时温度，同时多次采样做平均提高测温精度，最终测温频率为250次/秒。
60.接下来，找到像元暗背景与焦平面温度之间的关系。将系统置于全黑环境中，测量不同像元的暗背景输出，同时记录焦平面温度。如图3所示，任意选取焦平面中一个像元为例，实线为暗背景dn值(左侧纵坐标)，虚线为焦平面温度(右侧纵坐标)，横坐标为帧号(代表时间)。首先可以看出像元暗背景波动较大，峰峰值有40dn；其次焦平面温度虽然波动范围只有0.016k，但是和暗背景波动非常吻合，即一致性很好；最后可以看出温度曲线相较于暗背景变化有20帧的延迟(200ms)。我们的测温频率为25次/秒，测温周期为4ms，所以这个延迟并不是测温频率导致的，而是由于采用二极管测温，温度从焦平面传导到二极管所带来的延迟，可以通过后面的数据处理校正这种延迟。
61.在实验室，可以重复上述实验，获得大量的焦平面温度和像元暗背景的数据，通过matlab的神经网络拟合得到每个像元暗背景与焦平面温度之间的关系，可以用一个多项式表达(每个像元都有一个单独的多项式)，每个像元得到一组拟合系数。在成像系统实际工作中，将这些拟合系数事先写入电路的fpga中，实时精确采样焦平面的温度，进而实时计算得到每个像元当前的暗背景估算值，将其从有效入射信号中去除，就可以消除红外谱段背景辐射对成像质量的影响。
62.最后通过实验验证这种方法的效果，实验装置框图如图4所示。验证效果分为两个部分。
63.第一部分直接给出暗背景校正前后的对比，如图5(a)及(b)所示，表示为校正前后探测器的有效信号输出。入射光源为均匀的恒温面阵黑体，代表入射能量恒定无波动。校正前，由于焦平面温度随时间无规则的变化，像元的背景辐射随焦平面温度波动，所以探测器输出也是随时间波动的；校正后，基本消除了暗背景的成分，所以探测器输出基本保持稳定，只存在白噪声(散粒噪声)。
64.第二部分通过噪声等效温差验证，由于像元的背景辐射随时间波动，会提高系统的噪声等效温差，我们对比校正前后系统的噪声等效温差，如图6所示，表示为校正前后的噪声等效温差，校正前系统的噪声等效温差在不同谱段均大于1.4k；校正后降低到0.5k左右。可以看出，采用焦平面温度进行暗背景校正后，噪声等效温差明显降低了。
65.此外，为了进一步验证校正的效果，我们对图像进行多帧合并。根据系统噪声公式，当系统噪声均为白噪声时，多帧合并会有效降低噪声等效温差，降低倍数大概是合并帧数的平方根，图7(a)及(b)给出校正前后多帧合并的效果。校正前由于背景辐射存在，且随时间不断波动，白噪声(散粒噪声)不占主导，多帧合并基本没有效果；校正后由于消除了背景辐射的干扰，白噪声占主导，多帧合并后噪声等效温差大幅下降，32帧合并后可达到0.3k(不考虑坏像元)。
66.根据以上实例以及校正前后的实验结果对比，可以证明本发明的技术方案可行有效。
67.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
68.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的保护范围之内。