CN109586904B - 基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法，是将红外焦平面阵列与读出电路连接后，通过带温度物体在两个不同温度下均匀辐照红外焦平面阵列上探测器的接收面，读出电路采集对应的数据转为电信号，通过寻找死像元和过热像元，确定红外焦平面阵列的盲元，形成密钥。本发明将红外焦平面阵列探测器中盲元的分布作为唯一且不可复制的真随机数密钥，在此基础上可以结合常用的密码学实现红外图像的加密，这种方法无需额外的真随机数发生装置，能够以较小的硬件开支获得更好的加密效果。

Description

基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法。

背景技术

随着通信技术和红外热成像技术的发展，图像在不同设备之间被频繁传输，图像安全性已经成为一个关注热点，例如在红外热像监控系统、红外热像检测系统中。为了保证红外图像内容的安全性，需要采用计算机加密技术对图像进行加密。不同于传统的文本加密方式，对于数字图像，需要将加密的图像转化成一维二进制数据后，作为二进制流进行数据加密处理。但由于数字图像具有二维分布、相邻像素之间的冗余度高和数据量大等特点，为了满足加密后的安全性要求，其算法非常复杂，需要花费大量的时间和硬件资源，加密效率低，而且用于加密的随机数种子通常采用伪随机的方式产生，不具有真随机数密钥所要求的不可预测性，容易遭到攻击或破解，进而安全性不够。且现有的密钥系统通常为独立的系统，与芯片或设备本身没有关系，容易被克隆。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法，将红外焦平面阵列探测器中盲元的分布作为唯一且不可复制的真随机数密钥，在此基础上结合常用的密码学算法实现红外图像的加密，这种方法无需额外的真随机数发生装置，能够以较小的硬件开支获得更好的加密效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法，其改进之处在于：将红外焦平面阵列与读出电路连接后，进行如下步骤：

(1)利用带温度物体或者红外辐射源均匀辐照红外焦平面阵列上探测器的接收面，此时所述物体的温度或者所述红外辐射的强度记为 T₀；调整所述物体的温度或者所述红外辐射的强度再进行一次均匀辐照，此时所述物体的温度或者所述红外辐射的强度记为T₁；

(2)在所述温度T₀和温度T₁下连续采集F帧数据；

(3)通过所述读出电路记录所述探测器的输出参数，包括电压、电流或像素值；

(4)计算焦平面阵列所有像元的平均响应率并确定死像元的分布；

(5)计算所述红外焦平面阵列中像元的噪声，并确定过热像元的分布；

(6)将所述死像元和所述过热像元记为所述红外焦平面阵列的盲元；

(7)以所述盲元的分布形成密钥，或通过反馈形成密钥流。

其中：步骤(4)包括：

1)求出所述温度T₀时各像元在F帧数据的平均响应信号

其中(i,j)表示第i行第j列的像元；

2)求出所述温度T₁时各个像元在F帧数据的平均响应信号

3)计算所述各个像元在所述温度T₀、所述温度T₁温度下的响应信号差值ΔS(i,j)：

式中，K为焦平面阵列读出电路的放大倍数，若没有放大部分，则K＝1；

4)计算所述各个像元的响应率R(i,j)：

式中，R(i,j)为第i行第j列像元的响应率；ΔS(i,j)为第i行第j列的像元的响应信号差；P为温度T₀和温度T₁条件下的辐照功率差；

5)计算所有像元的平均响应率

式中，

为焦平面阵列中所有像元的平均响应率；M、N分别为像元阵列的行数、列数；

6)将响应率低于平均响应率1/2的所有像元记为死像元R_d，盲元总个数记为d，即：

满足

的像元为死像元，记为R_d；

式中， R(i,j)为第i行第j列像元的响应率；

为焦平面阵列中所有像元的平均响应率。

其中：步骤(5)计算所述红外焦平面阵列中像元的噪声，并确定过热像元的分布，步骤如下：

I)求出F帧图像中各个像元的信号噪声S_N(i,j)：

式中，(i,j)为第i行第j列的像元；S[(i,j),T₀,f]为第i行第j列在温度为 T₀、第f帧图像上的像元噪声；K为焦平面阵列读出电路的放大倍数，如没有放大部分，则K＝1；

II)求出F帧图像中各像元的噪声平均值：

式中，M、N分别为像元阵列的行数、列数；S_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声；d为死像元R_d的个数。

III)将噪声电压值大于2倍信号噪声平均值的像元记为过热像元，即：

满足

的像元，记为过热像元；

式中，S_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声；

为所有像元的平均噪声。

其中：步骤(2)中若所述红外焦平面阵列采用线列焦平面，则在所述温度T₀和温度T₁下连续采集F行数据。

实施本发明的，具有以下有益效果：

本发明红外焦平面阵列中的盲元是由于探测器的制造材料的非均匀性及制造工艺的不一致性所引起的，具有物理上的随机性和不可预测性，同时每颗芯片的盲元分布都是唯一的，具有不可克隆性。

本发明盲元的分布可以通过施加红外辐照，并通过读出电路以电压、电流或像素值等信号的形式表现出来，利用红外探测器芯片本身的电路结构即可生成密钥，操作简单，且无需增加额外的硬件开销，低成本地实现密钥生成。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的计算F帧红外焦平面阵列电压的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

红外焦平面阵列对材料的均匀性要求以及工艺的一致性要求很高。尽管目前的材料制造水平已经有了相当快的发展，可以采用多种材料制造性能不同的探测器，但制造器件的材料还远未达到所要求的均匀度，红外焦平面阵列中会出现各种晶格缺陷、掺杂不均和厚度不均的问题，这些都会造成在材料晶片不同位置上的探测器的饱和电流、量子效率和截止波长等参数的不同；其次在采用光刻法制造探测器时，由于制造工艺水平的限制，各探测器光敏面的几何尺寸也存在一定误差，从而导致即使在均匀光照下，各个探测单元的输出响应也会呈现不一致的现象。且红外焦平面阵列的盲元与制造红外焦平面阵列的材料、工艺有关，当红外焦平面阵列制造完成后其盲元也就唯一确定，因此红外探测器的盲元分布呈现出唯一性，不同红外探测器之间的盲元分布具有非相关性和不可预测性。

基于上述技术，本实施例提出一种基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法，其流程图如图1所示，将红外焦平面阵列与读出电路连接后，进行如下步骤：

(1)利用温度或者红外辐射分布均匀的物体(例如某一固定温度下的黑体)均匀辐照(例如使用光阑等对光束起着限制作用的实体) 红外焦平面阵列上探测器的接收面，此时物体的温度或者红外辐射的强度记为T₀；调整所述物体的温度或者所述红外辐射的强度再进行一次均匀辐照，此时所述物体的温度或者红外辐射的强度记为T₁；

(2)在所述温度T₀和温度T₁下连续采集F帧数据，本实施例 F≥100。若采用线列焦平面器件，则连续采集F行数据，F≥100。

(3)通过所述读出电路记录所述探测器的输出信号，例如电压、电流或像素值等，本实施例如下步骤均以电压为例进行说明，F帧红外焦平面阵列的电压输出记为V_S[(i,j),T₀,f]和V_S[(i,j),T₁,f]；其计算过程如图2所示。

(4)计算焦平面阵列所有像元的平均电压响应率并确定死像元的分布；包括：

1)求出温度T₀时各个像元在F帧数据的平均响应电压

其中(i,j)表示第i行第j列的像元；

2)求出温度T₁时各个像元在F帧数据的平均响应电压

3)计算各个像元在T₀、T₁温度下的响应电压差值ΔV(i,j)：

式中，ΔV(i,j)为T₀、T₁温度下的响应信号差值，K为焦平面阵列读出电路的放大倍数；如没有放大部分，则K＝1；

4)计算各个像元的响应率R(i,j)：

式中，R(i,j)为像元响应率，P为温度T₀和T₁条件下的辐照功率差；

5)计算所有像元的平均响应率

式中，

为像元的平均响应率；其中M，N分别为像元阵列的行数、列数；

6)将响应率低于平均响应率1/2的所有像元记为死像元R_d，死像元总个数记为d，即：

(5)计算所述红外焦平面阵列中像元的噪声，并确定过热像元的分布，包括：

I)求出F帧图像中各个像元的噪声电压：

式中，(i,j)表示第i行第j列的像元，V_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声电压；F为采集的总帧数；K为焦平面阵列读出电路的放大倍数，如没有放大部分则K＝1；

II)求出F帧图像中各像元的噪声电压平均值：

式中，

为噪声电压平均值；d为死像元R_d的个数；

III)将噪声电压值大于2倍噪声电压平均值的像元记为过热像元，即：

式中，

为噪声电压平均值，V_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声电压。

(6)将所述死像元和所述过热像元记为所述红外焦平面阵列的盲元；

(7)以所述盲元的分布形成密钥，或者也可通过反馈形成密钥流辅以密码学算法，例如哈希函数、对称加密算法、公钥加密算法等构成红外图像加密系统。

综上所述，本发明采用红外焦平面阵列探测器中盲元的分布作为唯一且不可复制的真随机数密钥，盲元的分布与红外焦平面阵列芯片的制造材料及工艺有关，具有随机性、不可预测性，在芯片生产完成后其盲元分布也就确定下来了，因此兼具不可克隆性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.基于红外焦平面探测器盲元分布的密钥生成方法，其特征在于：将红外焦平面阵列与读出电路连接后，进行如下步骤：

(1)利用带温度物体或者红外辐射源均匀辐照红外焦平面阵列上探测器的接收面，此时所述物体的温度或者所述红外辐射的强度记为T₀；调整所述物体的温度或者所述红外辐射的强度再进行一次均匀辐照，此时所述物体的温度或者所述红外辐射的强度记为T₁；

(2)在所述温度T₀和温度T₁下连续采集F帧数据；

(3)通过所述读出电路记录所述探测器的输出参数，包括电压、电流或像素值；

(4)计算焦平面阵列所有像元的平均响应率并确定死像元的分布；

(5)计算所述红外焦平面阵列中像元的噪声，并确定过热像元的分布；

(6)将所述死像元和所述过热像元记为所述红外焦平面阵列的盲元；

(7)以所述盲元的分布形成密钥，或通过反馈形成密钥流；

其中，步骤(2)中若所述红外焦平面阵列采用线列焦平面，则在所述温度T₀和温度T₁下连续采集F行数据，F≥100；

步骤(4)包括：

1)求出所述温度T₀时各像元在F帧数据的平均响应信号

其中(i,j)表示第i行第j列的像元；

2)求出所述温度T₁时各个像元在F帧数据的平均响应信号

3)计算所述各个像元在所述温度T₀、所述温度T₁温度下的响应信号差值ΔS(i，j)：

式中，K为焦平面阵列读出电路的放大倍数，若没有放大部分，则K＝1；

4)计算所述各个像元的响应率R(i，j)：

式中，R(i，j)为第i行第j列像元的响应率；ΔS(i，j)为第i行第j列的像元的响应信号差；P为温度T₀和温度T₁条件下的辐照功率差；

5)计算所有像元的平均响应率

式中，

为焦平面阵列中所有像元的平均响应率；M、N分别为像元阵列的行数、列数；

6)将响应率低于平均响应率1/2的所有像元记为死像元R_d，盲元总个数记为d，即：

满足

的像元为死像元，记为R_d；

式中， R(i,j)为第i行第j列像元的响应率；

为焦平面阵列中所有像元的平均响应率；

步骤(5)计算所述红外焦平面阵列中像元的噪声，并确定过热像元的分布，步骤如下：

I)求出F帧图像中各个像元的信号噪声S_N(i，j)：

式中，(i,j)为第i行第j列的像元；S[(i,j),T₀,f]为第i行第j列在温度为T₀、第f帧图像上的像元噪声；K为焦平面阵列读出电路的放大倍数，如没有放大部分，则K＝1；

II)求出F帧图像中各像元的噪声平均值：

式中，M、N分别为像元阵列的行数、列数；S_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声；d为死像元R_d的个数；

III)将噪声电压值大于2倍信号噪声平均值的像元记为过热像元，即：

满足

的像元，记为过热像元；

式中，S_N(i,j)为第i行第j列的像元噪声；

为所有像元的平均噪声。

Images