CN105203211B - 一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法 - Google Patents

Abstract

一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法；首先建立探元辐射响应模型，其次完成对可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源的成像，获得相应的阵列探测器数字DN值；并对阵列探测器数字DN值进行小波变换，依据广义1/f噪声的统计自相似特性，估计广义1/f噪声的小波系数，然后利用小波软阈值方法对得到的小波系数进行收缩，最后对收缩后的小波系数进行小波逆变换得到分离广义1/f噪声后的中波红外焦平面阵列探测器数字DN值；而后计算噪声大小；并对可变高温黑体和低温黑体数据的数字DN值进行噪声去除；进而计算获得相对辐射定标系数；最终对阵列探测器获得的图像数据，获得阵列探测器的相对辐射校正图像。

Description

一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法

技术领域

本发明涉及中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法，特别涉及一种具备星上黑体定标装置的中波红外焦平面阵列探测器相对辐射校正方法。

背景技术

地表的温度一般为300K，地表辐射能量基本上处在3.0μm以上的波段，中波红外焦平面阵列探测器利用空间光学系统收集3.0μm～5.0μm的中波红外辐射能量，其具有穿透烟、尘、雾、雪以及识别伪装的能力，可以进行白天和黑夜的准全天候观测，这些特点使得它获得的高精度面阵热辐射信息在实现导弹预警、红外侦察等军事方面以及森林火灾、地表温度、洋面温度、昼夜云、海岸线监测等民用方面具有的广阔应用。

但是由于中波红外焦平面阵列探测器受材料和工艺水平的限制，以及光电接收阵列受空间和探元耦合影响很大，使得中波红外焦平面阵列探测器各探测单元响应特性之间存在普遍的非均匀性，在图像上表现为空间噪声，它将导致对相同地表成像时探测器输出的数字DN值间存在很大差别，以致使其难以满足中红外成像的应用需求。因此必须将中波红外焦平面阵列探测器的非均匀性进行归一化相对辐射校正，使各探元输出值调整到同一基准使得各探元对相同地表具有相同的数字DN输出值。

目前，中波红外焦平面阵列探测器相对辐射校正常采用内部温度参考源的星上定标法(内定标法)，即在星上配置可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源，依据定标指令依次完成对黑体的成像，定标成像完成后利用两点法或多点法实现阵列探测器各探测元响应相对辐射校正。虽然基于两点法或多点法的相对辐射校正可以有效地去除空间噪声中由热噪声和散粒噪声等白噪声造成的中波红外焦平面阵列探测器非均匀性，但是无法去除空间噪声由g-r噪声和布朗噪声 等广义1/f噪声造成的中波红外焦平面阵列探测器非均匀性，故其校正精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法，解决了背景技术里中波红外焦平面阵列探测器相对辐射校精度不高的技术问题。

本发明的技术方案是：一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法，步骤如下：

1)建立探元辐射响应模型：依据中波红外焦平面阵列探测器的成像原理和成像链路的噪声产生机理，建立中波红外焦平面阵列探测器的辐射响应模型；

2)星上黑体定标成像：依次完成对可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源的成像，获得相应的阵列探测器数字DN值；

3)噪声分离：对步骤2)得到的阵列探测器数字DN值进行小波变换，依据广义1/f噪声的统计自相似特性，估计广义1/f噪声的小波系数，然后利用小波软阈值方法对得到的小波系数进行收缩，最后对收缩后的小波系数进行小波逆变换得到分离广义1/f噪声后的中波红外焦平面阵列探测器数字DN值；

4)噪声估计：利用步骤2)得到的可变高温黑体和低温黑体定标数据的数字DN值和步骤3)得到的分离广义1/f噪声后的数字DN值，计算噪声大小；

5)噪声去除：利用步骤4)得到的噪声，在步骤2)得到的可变高温黑体和低温黑体数据的数字DN值中进行噪声去除，即得到去噪后的可变高温黑体和低温黑体定标数据；

6)计算获得相对辐射校正系数：利用步骤5)的去噪后的可变高温黑体和低温黑体数据，计算获得相对辐射定标系数；

7)相对辐射校正：对阵列探测器获得的图像数据，利用步骤4)得到的噪声和步骤6)得到的相对辐射校正系数，获得阵列探测器的相对辐射校正图像。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用中波红外焦平面阵列探测器成像时的噪声特点，提出了采用小波分析法去除广义1/f噪声，实现了中波红外焦平面阵列探测器高精度的相对辐射校正技术问题。

(2)本发明为中波红外焦平面阵列探测器提出的方法，兼顾了中波红外焦平面阵列探测器的成像特点与可实行性，对太阳同步轨道卫星或地球同步轨道卫星上具备星上黑体定标装置的中波红外焦平面阵列探测器遥感图像校正具有很强的工程应用意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

(1)探元辐射响应模型确立：依据中波红外焦平面阵列探测器的成像原理，充分考虑成像链路的噪声来源，建立中波红外焦平面阵列探测器的辐射响应模型；

DN(m，n)＝f[L(m，n)]+N_f(m，n)+N_w(m，n) ①

＝f[L(m，n)]+N(m，n)

式中：m，n为中波红外焦平面阵列探测器的探元位置m∈[1，M]，

n∈[1，N]；

DN(m，n)为探元(m，n)的原始数字DN值；

f[L(m，n)]为探元(m，n)接收的辐射亮度L(m，n)函数；

N_f(m，n)为探元(m，n)的广义1/f噪声；

N_w(m，n)为探元(m，n)的白噪声；

N(m，n)＝N_f(m，n)+N_w(m，n)为探元(m，n)的总噪声。

(2)星上黑体定标成像：依据定标指令依次完成对可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源的成像，获得相应的中波红外焦平面阵列探测器的原始数字DN值；

(3)噪声分离：对步骤(2)的数字DN值进行小波变换，依据广义1/f噪声的统计自相似特性，估计广义1/f噪声的小波系数，然后利用小波软阈值 方法对得的小波系数进行收缩，最后对收缩后的小波系数进行小波逆变换得到分离广义1/f噪声后的中波红外焦平面阵列探测器数字DN值；

(3.1)小波变换

对步骤(2)的数字DN值进行小波变换，可获得不同小波尺度下的总噪声小波系数模型为：

②

式中：j为小波尺度，j∈[1，J]；

k为第k个小波变换区域，以探元(m，n)为中心的2^j个像元，k∈[1，K]。

(3.2)参数估计

依据广义1/f噪声的统计自相似特性，其不同小波尺度下总噪声的小波系数方差沿尺度指数变化，并且满足方程③式：

③

式中：var[N^j(k)]为尺度系数j下小波系数的方差；

σ为噪声强度，

var[N^J(k)]为最大尺度系数J下小波系数的方差；

γ为广义1/f噪声的过程参数；

σ_w为各尺度下的白噪声强度，其不随尺度变化为常数。

(3.3)参数计算

对方程③式进行对数变换并整理为方程④式，将y与j画直线，获得直线的斜率a和截距b，即可计算出γ和σ_w：

④

σ_w＝e^b-ln(σ)

(3.4)估计广义1/f噪声的小波系数

将不同小波尺度下的总噪声小波系数N^j(k)乘以平滑系数得到估计广义1/f噪声的小波系数

⑤

(3.5)小波系数收缩

利用小波软阈值方法，对得到的广义1/f噪声小波系数进行收缩：

⑥

式中：

(3.6)广义1/f噪声分离

对收缩后的小波系数进行小波逆变换得到分离广义1/f噪声后的中波红外焦平面阵列探测器数字DN值：

⑦

(4)噪声估计：对可变高温黑体和低温黑体定标数据，分别进行步骤(3)的噪声分离，利用可变高温黑体和低温黑体定标数据的原始数字DN值和分离广义1/f噪声后的数字DN值，通过方程⑧式计算各噪声大小；

⑧

式中：i＝0 对应低温黑体数据；

i＝1～I对应第i景可变高温黑体数据。

(5)噪声去除：利用步骤(4)的噪声大小，在可变高温黑体和低温黑体数据的原始 数字DN值中去除，即得到无噪声的可变高温黑体和低温黑体定标数据

(6)相对辐射校正系数计算：利用步骤(5)的多景去除噪声的可变高温黑体和低温黑体数据，计算相对辐射定标系数；

可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源可认为是均匀的朗伯体辐射源，故中波红外焦平面阵列探测器各探元接收的黑体辐射能量相同即有f[L_i(m，n)]≡C(常数)，那么去除噪声的可变高温黑体和低温黑体数据的数字DN值即 应也为常数，但由于中波红外焦平面阵列探测器各探元响应的不一致性致使每个探元的数字DN值不一致将其记为(为第i景中探元(m，n)去除噪声的数字DN值)。

(6.1)样本统计量计算

第i景去除噪声的可变高温黑体和低温黑体数据的所有探元数字DN值样本均值为：

⑨

(6.2)相对辐射定标系数计算

将第i景去除噪声的可变高温黑体和低温黑体数据的样本均值作为中波红外焦平面阵列探测器的输入能量期望值，即有：那么第i景中探元(m，n)的相对辐射定标系数为：

⑩

对探元(m，n)获得的I+1个相对辐射定标系数进行平均，最终得到中波红外焦平面阵列探测器各探元的相对辐射定标系数为：

(7)相对辐射校正：对中波红外焦平面阵列探测器获得的遥感图像数据，利用步骤(4)中得到的噪声大小和步骤(6)中得到的相对辐射校正系数，通过方程式即可完成波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正图像DN_R(m，n)。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种中波红外焦平面阵列探测器的相对辐射校正方法，其特征在于步骤如下：

1)建立探元辐射响应模型：依据中波红外焦平面阵列探测器的成像原理和成像链路的噪声产生机理，建立中波红外焦平面阵列探测器的辐射响应模型，即：

DN(m,n)＝f[L(m,n)]+N_f(m,n)+N_w(m,n)

＝f[L(m,n)]+N(m,n)

式中：m，n为中波红外焦平面阵列探测器的探元位置m∈[1,M]，n∈[1,N]；M、N均为正整数；

DN(m,n)为探元(m,n)的原始数字DN值；

f[L(m,n)]为探元(m,n)接收的辐射亮度L(m,n)函数；

N_f(m,n)为探元(m,n)的广义1/f噪声；

N_w(m,n)为探元(m,n)的白噪声；

N(m,n)＝N_f(m,n)+N_w(m,n)为探元(m,n)的总噪声；

2)星上黑体定标成像：依次完成对可变高温黑体辐射源和低温黑体辐射源的成像，获得相应的阵列探测器数字DN值；

3)噪声分离：对步骤2)得到的阵列探测器数字DN值进行小波变换，依据广义1/f噪声的统计自相似特性，估计广义1/f噪声的小波系数，然后利用小波软阈值方法对得到的小波系数进行收缩，最后对收缩后的小波系数进行小波逆变换得到分离广义1/f噪声后的中波红外焦平面阵列探测器数字DN值；

4)噪声估计：利用步骤2)得到的可变高温黑体和低温黑体定标数据的数字DN值和步骤3)得到的分离广义1/f噪声后的数字DN值，计算噪声大小；

5)噪声去除：利用步骤4)得到的噪声，在步骤2)得到的可变高温黑体和低温黑体数据的数字DN值中进行噪声去除，即得到去噪后的可变高温黑体和低温黑体定标数据；

6)计算获得相对辐射校正系数：利用步骤5)的去噪后的可变高温黑体和低温黑体数据，计算获得相对辐射定标系数；

7)相对辐射校正：对阵列探测器获得的图像数据，利用步骤4)得到的噪声和步骤6)得到的相对辐射校正系数，获得阵列探测器的相对辐射校正图像。