CN103335725B - 一种校正光敏元辐射通量非均匀性的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校正光敏元辐射通量非均匀性的数据处理方法，该方法利用矩阵运算的方法，根据安装探测器的实际杜瓦组件的几何尺寸精确计算光敏元辐射通量矩阵后对测试得到的探测器响应率进行校正，主要步骤包括：1，计算探测器的对角线长度；2，测量杜瓦组件的几何参数；3，计算最大黑体扩展源直径；4，生成最大黑体扩展源位置矩阵；5，生成杜瓦窗口矩阵；6，生成探测器视场范围矩阵；7，计算探测器对角线上光敏元的辐照度向量；8，计算整个探测器上的光敏元辐射通量矩阵；9，校正探测器光敏元响应率。本发明的优点为：计算结果准确，计算速度快。

Description

一种校正光敏元辐射通量非均匀性的数据处理方法

技术领域：

本发明涉及红外焦平面探测器响应率辐射通量非均匀性校正领域。

背景技术：

红外焦平面探测器响应率测试时需要在探测器上方安装冷屏以减少杂散辐射对探测器信号的干扰，同时利用冷屏孔的F数方便进行探测器各种参数的测量计算。冷屏孔的存在使探测器上各光敏元接收的来自黑体源的辐射通量不均匀，而探测器响应率测试值是通过统一的辐射通量计算而来，故探测器实际的响应率需要扣除辐射通量不均匀对测量计算结果的影响。目前存在两种计算辐射通量不均匀性的方法，毛京湘等在《圆形冷屏下红外焦平面探测器光敏元立体角的计算及其成像仿真》一文(《红外与激光工程》第38卷第6期第958页)中公开了联合利用MATLAB软件和SOLIDWORK软件求解冷屏孔辐射立体角的方法，李建林等在《精确计算红外焦平面冷屏立体角的方法》一文(《红外与激光工程》第41卷第5期第1156页)中公开了利用MATLAB软件中的int()函数进行冷屏孔立体角精确计算的方法。这两种方法均只计算了冷屏孔立体角，相当于仅考虑了冷屏孔与足够大的黑体扩展源之间无任何光路遮挡的情形。但是实际杜瓦组件窗口可能对黑体扩展源和冷屏孔之间的光路造成遮挡，故仅考虑冷屏孔立体角可能引起较大的误差。另外，第一种方法需要同时使用MATLAB软件和SOLIDWORK两种软件，计算过程较为复杂，第二种方法使用MATLAB软件中的int()函数对偏离探测器中心的光敏元进行计算时效率较低，而绝大部分光敏元都偏离探测器的中心。

面阵红外焦平面探测器测试时一般选用圆孔冷屏，本发明对圆孔冷屏的情形，运用矩阵计算的方法，根据安装探测器的实际杜瓦组件的几何尺寸精确计算面阵红外焦平面探测器光敏元的辐射通量矩阵，进而对测试得到的探测器响应率进行校正。校正过程运算效率高，校正结果客观准确，对红外焦平面探测器响应率的测量有较大的指导作用。

发明内容：

为解决上述问题，本发明的目的是提供能够实现面阵红外焦平面探测器光敏元响应率的辐射通量非均匀性准确校正的方法。

为达上述目的，本发明提供一种校正光敏元辐射通量非均匀性的数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1：计算探测器的对角线长度L_FPAdiag，其中：

$L_{\mathrm{FPAdiag}}=\sqrt{M^2+N^2}\×a---\left(1\right)$

式中，M，N为红外面阵探测器的二维光敏元数，a为红外探测器相邻光敏元中心距；

步骤2：测量出探测器安装于实际杜瓦组件中的几何参数，包括：冷屏孔直径d₁，冷屏孔与探测器芯片的垂直距离h₁，杜瓦组件窗口直径d₂，杜瓦组件窗口和冷屏孔的垂直距离h₂；

步骤3：计算最大黑体扩展源直径L_black，其中：

$L_{\mathrm{black}}=\frac{(L_{\mathrm{FPAdiag}}+d_1)\×h_2+d_1\×h_1}{h_1}---\left(2\right);$

步骤4：生成最大黑体扩展源横坐标位置矩阵X，其元素记作x_ij；纵坐标位置矩阵Y，其元素记作y_ij，其中：

x_ij＝i         （3）

y_ij＝j   （4）

式中，i，j为元素下标，i，j的取值范围是1，2，3，…，M_b，其中：

$M_b=\left[\frac{L_{\mathrm{black}}}{P}\right]+\mathrm{Mod}\left(\right[\frac{L_{\mathrm{black}}}{P}],2)---\left(5\right)$

式中，P=a，“[]”表示取整，“Mod(,)”表示取余；

步骤5：生成杜瓦窗口矩阵W，其元素记作w_ij，其中：

$w_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}0,|i-\frac{M_b+1}{2}|\&GreaterEqual;\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\&cup;|j-\frac{M_b+1}{2}|\&GreaterEqual;\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\\ 1,|i-\frac{M_b+1}{2}|<\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\&cap;|j-\frac{M_b+1}{2}|<\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，“[]”表示取整；

步骤6：生成探测器视场范围矩阵PG，其元素记作pg_uv，其中：

${\mathrm{pg}}_{\mathrm{uv}}=\left\{\begin{array}{c}0,|u-\frac{M_p+1}{2}|\&GreaterEqual;\frac{M_p}{2}\&cup;|v-\frac{M_p+1}{2}|\&GreaterEqual;\frac{M_p}{2}\\ 1,|u-\frac{M_p+1}{2}|<\frac{M_p}{2}\&cap;|v-\frac{M_p+1}{2}|<\frac{M_p}{2}\end{array}\right.---\left(7\right);$

式中，u，v为元素下标，u，v的取值范围是1，2，3，…，M_p，其中：

$M_p=\left[\frac{d_1\&times;(h_1+h_2)}{h_1\&times;P}\right]+\mathrm{Mod}\left(\right[\frac{d_1\&times;(h_1+h_2)}{h_1\&times;P}],2)---\left(8\right)$

式中，“[]”表示取整，“Mod(,)”表示取余；

步骤7：计算探测器对角线上光敏元的辐照度向量R，其元素记作r_l，其中l为下标，l的取值范围是1，2，3，…，M_r，其中：

式中，表示向上取整；

探测器对角线上光敏元的辐照度向量R中的元素r_l的求取步骤如下：

7-1）：生成最大黑体辐射通量矩阵RM，其元素记作rm_ij，其中：

${\mathrm{rm}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{{({(x_{\mathrm{ij}}-(\frac{\mathrm{Mb}}{2}+1))}^2+{(y_{\mathrm{ij}}-\frac{\mathrm{Mb}}{2})}^2+{\left(\right[\frac{h1+h2}{P}\left]\right)}^2)}^{3/2}}---\left(10\right)$

式中，“[]”表示取整；

7-2）：生成探测器视场中心位置矩阵B，其元素记作b_ij，其中：

式中，“[]”表示取整；

7-3）：生成探测器视场矩阵PA，其元素记作pa_ij，其中：

PA＝B*PG   （12）

式中，“*”表示卷积；

7-4）：循环步骤7-1，步骤7-2，步骤7-3，计算探测器对角线上光敏元的辐照度向量R的所有元素值r_l，有

$r_l=\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{rm}}_{\mathrm{ij}}\&times;{\mathrm{pa}}_{\mathrm{ij}}\&times;w_{\mathrm{ij}})---\left(13\right);$

步骤8：计算整个探测器上的光敏元辐射通量分布矩阵O，其元素记作o_mn,其中：

式中，表示向下取整，表示向上取整，m，n为元素下标，m的取值范围是1，2，3，…，M，n的取值范围是1，2，3，…，N，dis为光敏元距离探测器中心的距离，其中：

$\mathrm{dis}=\sqrt{{(m-\frac{1+M}{2})}^2+{(n-\frac{1+N}{2})}^2}---\left(15\right);$

步骤9：对测试得到的其元素记作re_mn的光敏元响应率矩阵RE进行辐射通量非均匀性校正，校正后的光敏元响应率矩阵JZ，其元素记作jz_mn，其中：

${\mathrm{jz}}_{\mathrm{mn}}=\frac{{\mathrm{re}}_{\mathrm{mn}}}{o_{\mathrm{mn}}}---\left(16\right).$

本发明的有益效果是：

1）本发明可以准确校正安装于实际杜瓦组件中的探测器响应率的辐射通量非均匀性；

2）本发明利用矩阵计算的方法实现了探测器响应率的辐射通量非均匀性的高效率校正；

附图说明：

附图1：本发明的方法流程图。

附图2：本发明针对的实际杜瓦组件截面的几何尺寸示意图。

附图3：本发明具体实施例中校正前后探测器中心一行的响应率分布图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述：

本实施例对640×512规模的相邻光敏元中心距为25μm的红外焦平面探测器响应率的辐射通量非均匀性进行了校正。杜瓦组件几何参数为：冷屏孔直径d₁=20000μm，冷屏孔与探测器芯片的垂直距离h₁=40000μm，杜瓦组件窗口直径d₂=22000μm，杜瓦组件窗口和冷屏孔的垂直距离h₂=5500μm。

校正时，按照说明书中的方法步骤编写MATLAB代码进行相应的运算。

图2为校正前后探测器中心一行的响应率分布的对比图，从图中可以发现，校正前响应率非均匀性较大，校正后响应率基本保持一致。

整个探测器校正前测试的响应率不均匀性为5.91%，校正后响应率不均匀性降低为3.94%。

上述具体实施例只是为了详细说明本发明，并非对本发明做任何形式上的限定。

Claims (1)

1.一种校正光敏元辐射通量非均匀性的数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1：计算探测器的对角线长度L_FPAdiag，其中：

$L_{\mathrm{FPAdiag}}=\sqrt{M^2+N^2}\&times;a---\left(1\right)$

式中，M，N为红外面阵探测器的二维光敏元数，a为红外探测器相邻光敏元中心距；

步骤2：测量出探测器安装于实际杜瓦组件中的几何参数，包括：冷屏孔直径d₁，冷屏孔与探测器芯片的垂直距离h₁，杜瓦组件窗口直径d₂，杜瓦组件窗口和冷屏孔的垂直距离h₂；

步骤3：计算最大黑体扩展源直径L_black，其中：

$L_{\mathrm{black}}=\frac{(L_{\mathrm{FPAdiag}}+d_1)\&times;h_2+d_1\&times;h_1}{h_1}---\left(2\right);$

步骤4：生成最大黑体扩展源横坐标位置矩阵X，其元素记作x_ij；纵坐标位置矩阵Y，其元素记作y_ij，其中：

x_ij＝i   （3）

y_ij＝j  （4）

式中，i，j为元素下标，i，j的取值范围是1，2，3，…，M_b，其中：

$M_b=\left[\frac{L_{\mathrm{black}}}{P}\right]+\mathrm{Mod}\left(\right[\frac{L_{\mathrm{black}}}{P}],2)---\left(5\right)$

式中，P=a，“[]”表示取整，“Mod(,)”表示取余；

步骤5：生成杜瓦窗口矩阵W，其元素记作w_ij，其中：

$w_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{c}0,|i-\frac{M_b+1}{2}|\&GreaterEqual;\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\&cup;|j-\frac{M_b+1}{2}|\&GreaterEqual;\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\\ 1,|i-\frac{M_b+1}{2}|<\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\&cap;|j-\frac{M_b+1}{2}|<\left[\frac{d_2}{2\&times;P}\right]\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，“[]”表示取整；

步骤6：生成探测器视场范围矩阵PG，其元素记作pg_uv，其中：

${\mathrm{pg}}_{\mathrm{uv}}=\left\{\begin{array}{c}0,|u-\frac{M_p+1}{2}|\&GreaterEqual;\frac{M_p}{2}\&cup;|v-\frac{M_p+1}{2}|\&GreaterEqual;\frac{M_p}{2}\\ 1,|u-\frac{M_p+1}{2}|<\frac{M_p}{2}\&cap;|v-\frac{M_p+1}{2}|<\frac{M_p}{2}\end{array}\right.---\left(7\right);$

式中，u，v为元素下标，u，v的取值范围是1，2，3，…，M_p，其中：

$M_p=\left[\frac{d_1\&times;(h_1+h_2)}{h_1\&times;P}\right]+\mathrm{Mod}\left(\right[\frac{d_1\&times;(h_1+h_2)}{h_1\&times;P}],2)---\left(8\right)$

式中，“[]”表示取整，“Mod(,)”表示取余；

步骤7：计算探测器对角线上光敏元的辐照度向量R，其元素记作r_l，其中l为下标，l的取值范围是1，2，3，…，M_r，其中：

式中，表示向上取整；

探测器对角线上光敏元的辐照度向量R中的元素r_l的求取步骤如下：

7-1）：生成最大黑体辐射通量矩阵RM，其元素记作rm_ij，其中：

${\mathrm{rm}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{{({(x_{\mathrm{ij}}-(\frac{\mathrm{Mb}}{2}+1))}^2+{(y_{\mathrm{ij}}-\frac{\mathrm{Mb}}{2})}^2+{\left(\right[\frac{h1+h2}{P}\left]\right)}^2)}^{3/2}}---\left(10\right)$

式中，“[]”表示取整；

7-2）：生成探测器视场中心位置矩阵B，其元素记作b_ij，其中：

式中，“[]”表示取整；

7-3）：生成探测器视场矩阵PA，其元素记作pa_ij，其中：

PA＝B*PG  （12）

式中，“*”表示卷积；

7-4）：循环步骤7-1，步骤7-2，步骤7-3，计算探测器对角线上光敏元的辐照度向量R的所有元素值r_l，有

$r_l=\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{rm}}_{\mathrm{ij}}\&times;{\mathrm{pa}}_{\mathrm{ij}}\&times;w_{\mathrm{ij}})---\left(13\right);$

步骤8：计算整个探测器上的光敏元辐射通量分布矩阵O，其元素记作o_mn,其中：

式中，表示向下取整，表示向上取整，m，n为元素下标，m的取值范围是1，2，3，…，M，n的取值范围是1，2，3，…，N，dis为光敏元距离探测器中心的距离，其中：

$\mathrm{dis}=\sqrt{{(m-\frac{1+M}{2})}^2+{(n-\frac{1+N}{2})}^2}---\left(15\right);$

步骤9：对测试得到的其元素记作re_mn的光敏元响应率矩阵RE进行辐射通量非均匀性校正，校正后的光敏元响应率矩阵JZ，其元素记作jz_mn，其中：

${\mathrm{jz}}_{\mathrm{mn}}=\frac{{\mathrm{re}}_{\mathrm{mn}}}{o_{\mathrm{mn}}}---\left(16\right).$