CN108955890A - 一种点目标探测型红外tdi探测器像元排列设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外探测器像元设计方法技术领域，公开了一种点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法；本发明点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法从红外点目标探测系统的时域响应出发，通过探测系统各部分时域的点扩散函数以及线扩展函数建立整个TDI型红外点目标探测成像系统模型；之后在该模型的基础上从点目标采样理论和实际TDI探测器制作工艺等方面着手，给出该类型探测器沿线列以及沿扫描方向上像元尺寸和间距与点目标探测性能之间的相互关系；最后通过引入单采样间隔内点目标能量相应期望值等点探测性能指标，以此得到最佳的探测器像元排列设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器像元设计方法技术领域，特别是一种点目标探测型红外TDI 探测器像元排列设计方法。
背景技术
由于红外探测器相邻像元串音方面问题相对可见光探测器而言大得多，且对于模拟 TDI探测器而言其戽链结构也会产生一部分的串音，因而在设计红外TDI探测器时需要保留一定的间距来减小串音。但是对于红外点目标探测系统而言，由此不仅会导致成像 系统分辨率的下降，更加会降低对所观测的目标的探测能力，因此需要采用特殊的像元 排列设计和应用手段来弥补该问题。
发明内容
本发明的目的在于从红外点目标探测系统的时域响应出发，通过探测系统各部分时 域的点扩散函数以及线扩展函数建立整个TDI型红外点目标探测成像系统模型；之后在该模型的基础上从点目标采样理论和实际TDI探测器制作工艺等方面着手，给出该类型 探测器沿线列以及沿扫描方向上像元尺寸和间距与点目标探测性能之间的相互关系；最 后通过引入单采样间隔内点目标能量相应期望值等点探测性能指标，以此得到最佳的探 测器像元排列设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将整个红外TDI点目标探测系统的系统模型在时域中进行分解，得到TDI扫描型红外TDI点目标检测系统在沿扫描方向上和沿线列方向上点目标经过光学系统、 探测器像元孔径以及扫描成像并最终采样后输出的信号表达式；
步骤2：引入单个采样间隔内探测器获得的点目标能量的数学期望和方差：E(Φ)和D(Φ)，以此来评估像元排列设计对点目标能量的响应高低和稳定性；
步骤3：根据步骤1与步骤2中像元排列的尺寸与间距对点目标探测系统的影响模型以及相应的评价标准对TDI点目标探测系统的探测能力进行分析，得到最佳的探测器 像元排列尺寸与排列组合。
优选地，所述步骤1中在沿扫描方向上，对于TDI扫描型红外TDI点目标检测系统而言，点目标经过光学系统、探测器像元排列孔径和扫描积分并最终采样后，其最终输 出的信号模型表达式为：
其中Go(x)为探测器最终获得的点目标图像信息，Pt(x)是包含点目标的目标场景，PSFopt(x)是光学系统的点扩散函数，Lapt(x)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔 径函数，Lint(x)是探测器沿扫描方向上的扫描积分孔径函数，comb函数为像元采样的梳 状函数。
优选地，所述步骤1中在沿线列方向上，点目标经过光学系统、探测器像元孔径并最终采样后，其输出的信号表达式为：
其中，Lapt(y)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔径函数。
优选地，所述步骤2中探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的期望值E(Φ)为：
上式中，G、Rd分别为系统增益以及探测器光谱响应率，Φactual是实际点目标所在像 元经过扫描积分采样之后获得的光谱辐射通量，Φb是点目标周围像元经过扫描积分采样后获得的背景光谱辐射通量，λ1，λ2是系统响应的波长范围。G(x)是包含信号与背 景的光谱辐射通量，B(x)是背景光谱辐射通量。
优选地，所述步骤2中探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的标准差D(Φ)为：
本发明与现有技术相比，其显著优点：
本发明点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法从红外点目标探测系统的时 域响应出发，通过探测系统各部分时域的点扩散函数以及线扩展函数建立整个TDI型红外点目标探测成像系统模型；之后在该模型的基础上从点目标采样理论和实际TDI探测 器制作工艺等方面着手，给出该类型探测器沿线列以及沿扫描方向上像元尺寸和间距与 点目标探测性能之间的相互关系；最后通过引入单采样间隔内点目标能量相应期望值等 点探测性能指标，以此得到最佳的探测器像元排列设计方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明红外TDI点目标探测成像系统模型示意图。
图2为本发明探测器点目标信号采样模型示意图。
图3为本发明像元采样间隔对目标探测能力的影响示意图。
图4为本发明过采样与未过采样系统的系统示意图。
图5为本发明示意图像元尺寸对目标探测能力的影响示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
步骤1：将整个红外TDI点目标探测系统的系统模型在时域中进行分解，得到TDI扫描型红外TDI点目标检测系统在沿扫描方向上和沿线列方向上点目标经过光学系统、 探测器像元孔径以及扫描成像并最终采样后输出的信号表达式；
在沿扫描方向上，对于TDI扫描型红外TDI点目标检测系统而言，点目标经过光学系统、探测器像元排列孔径和扫描积分并最终采样后，其最终输出的信号模型表达式为：
其中Go(x)为探测器最终获得的点目标图像信息，Pt(x)是包含点目标的目标场景。PSFopt(x)是光学系统的点扩散函数。Lapt(x)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔 径函数，Lint(x)是探测器沿扫描方向上的扫描积分孔径函数，comb函数为像元采样的梳 状函数；其中，整个成像系统模型如图1所示。
在沿线列方向上，点目标经过光学系统、探测器像元孔径并最终采样后，其输出的信号表达式为：
Lapt(y)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔径函数。
步骤2：由于在扫描成像过程中点目标与探测器像元采样点的初始相位会影响探测 器最终输出的目标能量。因此，为了能够更加客观地对速度失配对红外TDI探测器探测能力的影响进行评价，本文引入单个采样间隔内探测器获得的点目标能量的数学期望和方差：E(Φ)和D(Φ)，以此来评价系统对点目标能量的响应高低和稳定性。
如图2所示，现取目标场景经过TDI成像系统后输出的响应Go(x)的峰值点作为参考点，用Δx来表示扫描成像时探测器实际采样点和该峰值点偏离的距离。
一般而言，Δx在(-p/2，p/2)区间内等概率分布，其中p为采样间隔。因此探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的期望值E(Φ)为：
上式中，G、Rd分别为系统增益以及探测器光谱响应率，Φactual是实际点目标所在像 元经过扫描积分采样之后获得的光谱辐射通量，Φb是点目标周围像元经过扫描积分采样后获得的背景光谱辐射通量，λ1，λ2是系统响应的波长范围。G(x)是包含信号与背 景的光谱辐射通量，B(x)是背景光谱辐射通量。
此外，探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的标准差D(Φ)为：
步骤3：根据步骤1与步骤2中像元排列的尺寸与间距对点目标探测系统的影响模型以及相应的评价标准对TDI点目标探测系统的沿扫描方向上探测能力进行分析。
可知在探测器沿扫描方向上的像元尺寸为28μm的情况下，较优的像元采样间距范围为12μm至16μm。不同像元尺寸对目标探测能力的影响，如图3所示。
即，对于点目标检测系统而言，为使整个成像系统具有良好的探测性能，应该在沿扫描方向采取一定量的过采样，以此减少系统的采样间隔，如图4所示。
过采样后的采样间隔可由相邻像元的中心距离除以过采样倍数得到。这样做可以在 不牺牲点目标探测器系统对目标能量的平均响应能力的情况下一定程度的降低由于TDI 探测器相邻像元之间的间距导致的对点目标响应的标准差，即减小跨像元现象的出现， 具体的过采样倍数可由E(Φ)和D(Φ)来计算得到。
步骤4、根据步骤1与步骤2中像元的尺寸与间距对点目标探测系统的影响模型以及相应的评价标准对TDI点目标探测系统的沿线列方向上探测能力进行分析。
可知在探测器沿线列方向上的像元中心距为25.4μm的情况下，最优的探测器的像元尺寸设定为38μm～42μm。不同像元尺寸对目标探测能力的影响如图5所示。
可见，像元中心距为25.4μm情况下，当探测器沿线列方向上的像元尺寸从25μm 开始增加时，由于增加像元尺寸会增加像元对点目标能量响应的比例，减小出现跨像元 现象的概率(即响应目标能量的标准差)，因此探测器获得的平均点目标能量会获得一定 的提升，最终导致增大像元尺寸所造成信噪比退化并不明显。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了 进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将整个红外TDI点目标探测系统的系统模型在时域中进行分解，得到TDI扫描型红外TDI点目标检测系统在沿扫描方向上和沿线列方向上点目标经过光学系统、探测器像元孔径以及扫描成像并最终采样后输出的信号表达式；
步骤2：引入单个采样间隔内探测器获得的点目标能量的数学期望和方差：E(Φ)和D(Φ)，以此来评估像元排列设计对点目标能量的响应高低和稳定性；
步骤3：根据步骤1与步骤2中像元排列的尺寸与间距对点目标探测系统的影响模型以及相应的评价标准对TDI点目标探测系统的探测能力进行分析，得到最佳的探测器像元排列尺寸与排列组合。
2.根据权利要求1所述的点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，所述步骤1中在沿扫描方向上，对于TDI扫描型红外TDI点目标检测系统而言，点目标经过光学系统、探测器像元排列孔径和扫描积分并最终采样后，其最终输出的信号模型表达式为：
其中Go(x)为探测器最终获得的点目标图像信息，Pt(x)是包含点目标的目标场景，PSFopt(x)是光学系统的点扩散函数，Lapt(x)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔径函数，Lint(x)是探测器沿扫描方向上的扫描积分孔径函数，comb函数为像元采样的梳状函数。
3.根据权利要求1所述的点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，所述步骤1中在沿线列方向上，点目标经过光学系统、探测器像元孔径并最终采样后，其输出的信号表达式为：
其中，Lapt(y)是红外TDI探测器扫描方向上的像元几何孔径函数。
4.根据权利要求1所述的点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，所述步骤2中探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的期望值E(Φ)为：
上式中，G、Rd分别为系统增益以及探测器光谱响应率，Φactual是实际点目标所在像元经过扫描积分采样之后获得的光谱辐射通量，Φb是点目标周围像元经过扫描积分采样后获得的背景光谱辐射通量，λ1，λ2是系统响应的波长范围。G(x)是包含信号与背景的光谱辐射通量，B(x)是背景光谱辐射通量。
5.根据权利要求1所述的点目标探测型红外TDI探测器像元排列设计方法，其特征在于，所述步骤2中探测器在单个采样间隔内获得的点目标能量的标准差D(Φ)为：
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