CN110146171A - 一种空间红外相机盲元修正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间红外相机信息处理技术领域，公开了一种空间红外相机盲元修正方法及装置；空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，采用转折平面镜组件、黑体组件进行构成盲元检测组件，采用电子学组件获取探测器数据；对红外线列焦平面探测器存在的盲元；通过图像自适应检测的方法，根据预设的策略进行自动检测和替换；空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，对红外焦平面探测器存在的盲元，通过人工注数干预的方法，根据注数进行手工替换。本发明能够灵活实现红外相机的盲元替换需求，有助于空间红外相机提高在轨成像质量、提高图像数据可用度。
Description
技术领域
本发明属于空间红外相机信息处理技术领域，尤其涉及一种空间红外相机盲元修正方法及装置。
背景技术
目前，最接近的现有技术：红外成像需要红外探测器工作在制冷环境下，每次红外相机开机，红外探测器往往经历从高温到低温的温度冲击，而关机时红外探测器则往往经历从低温到高温的温度冲击。由于工艺和材料的局限性，红外探测器存在噪声较大的像元和响应偏小的像元，若超过了国军标的限制值则这些元称为盲元。盲元包括死像元和过热像元，其中死像元指像元响应率小于平均响应率1/2的像元，过热像元指像元噪声电压大于平均噪声电压2倍的像元。(国军标GBT17444-2013)
在温度交变下，盲元数量和盲元在焦平面中的位置容易出现变化，将影响红外相机对地观测。特别是对于使用线列探测器的推扫型的空间红外相机，若出现一个新的盲元，将使得空间成像上出现一个过亮或过暗的条带，丢失了该元对地成像的信息，影响相机使用。目前一般采用的方法是后处理，在地面数据处理终端对获得的空间图像进行盲元替换，需要预知盲元的位置，由人工用盲元相邻的像元进行替换，实时性差，效率低下。
近几年随着红外遥感技术的发展，红外线列探测器规模急剧膨胀，获取图像的空间分辨率和时间分辨率得到极大提升，图像数据量急剧增加，依靠人工替换的后处理方法，即使是在后端通过软件批量处理，也无法适应实时性的使用要求。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的红外线列探测器规模急剧膨胀，获取图像的空间分辨率和时间分辨率得到极大提升，图像数据量急剧增加，依靠人工替换的后处理方法，无法适应实时性的使用要求。
解决上述技术问题的难度：
在温度交变下，盲元数量和盲元在焦平面中的位置容易出现变化，将影响红外相机对地观测，限于星上处理的资源，往往采用在地面数据处理终端后处理，实时性差，特别是高分辨率相机的图像数据量急剧增加，传统方法已不适应；而直接在星上处理存在技术难题，往往需要繁琐的人工定标流程和较强大的处理器。
解决上述技术问题的意义：
实现红外相机盲元自动分析功能，提高了运控使用的便利性。能够灵活实现红外相机的盲元替换需求，有助于空间红外相机提高在轨成像质量、提高图像数据可用度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空间红外相机盲元修正方法及装置。
本发明是这样实现的，一种空间红外相机盲元修正方法，所述空间红外相机盲元修正方法包括：
第一步，空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，采用转折平面镜组件、黑体组件进行构成盲元检测组件，采用电子学组件获取探测器数据；对红外线列焦平面探测器存在的盲元；
第二步，通过图像自适应检测的方法，根据预设的策略进行自动检测和替换；
第三步，空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，对红外焦平面探测器存在的盲元，通过人工注数干预的方法，根据注数进行手工替换。
进一步，所述空间红外相机盲元修正方法具体包括以下步骤：
步骤一，将设置在光路前的转折镜转向面源黑体，切换光路到黑体观测模式；
步骤二，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T0±1℃，发送同步采样信号Syn0给电子学；
步骤三，电子学组件获取探测器对黑体在温度T0时的逐元响应数据D0i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F0为高电平；
步骤四，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T1±1℃，发送同步采样信号Syn1给电子学；
步骤五，电子学组件获取探测器对黑体在温度T1时的逐元响应数据D1i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F1为高电平；
步骤六，电子学组件检测到标志信号F0和F1都为高电平时，停止采数，电子学软件启动检测状态机，同时停止黑体加热，标志信号F0和F1复位为低电平；
步骤七，电子学软件进入检测状态机，逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
步骤八，通过滑窗运算，在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的Ri平均值，探测器像元一共为N元，则滑动计算从1～N逐元检测，设定门限值Th1为0.5；
若Th1i<0.5，则判断为死像元，在盲元标志RAM 1区地址i记录为1；
步骤九，通过求D1i的均方根值，逐元计算探测器噪声ni；
步骤十，通过动态滑窗运算，计算噪声ni局域均值在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的ni平均值，滑动计算设定门限值Th1为2；
若Th2i>2，则判断为过热像元，在盲元标志RAM 2区地址i记录为1；
步骤十一，转折镜转向对地成像，恢复成像模式，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM1区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；这样实现了死像元邻域数据的替换；
步骤十二，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM2区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；实现了过热像元邻域数据的替换。
进一步，所述步骤七电子学软件进入检测状态机，首先逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
其中，黑体平均光谱辐亮度黑体在单位波长内的辐亮度，单位为W/m2/sr/um，采用普朗克公式计算；
h为普朗克常数，6.626×10-34J·s，k为玻尔兹曼常数，1.3807×10-23J·K-1，ε为黑体发射率，R(λ)为红外相机的光谱响应函数；
Ri:探测器响应率；黑体平均光谱辐亮度—随黑体温度变化；Kλ：光学透过率--定值；Ω：瞬时视场角--定值；A：光学入瞳面积--定值；Tint:探测器积分时间--定值；
通过改变黑体温度改变黑体平均光谱辐亮度，得到一组(D1i-D0i)和的值。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述空间红外相机盲元修正方法的空间红外相机盲元修正装置，所述空间红外相机盲元修正装置包括：光学组件、转折镜组件、黑体组件、红外线列探测器组件、电子学组件；
转折镜组件处于红外相机对地观测光通路的最前方，进行盲元检测时，将转折镜组件转向面源黑体组件，黑体组件加热升温到温控点，电子学组件获取红外线列探测器组件数据进行探测器盲元的自动检测。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述空间红外相机盲元修正方法的空间红外相机。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明针对星载红外相机存在盲元且容易发生变化的特点，采用转折平面镜组件、黑体组件进行构成盲元检测组件，采用电子学组件获取探测器数据，通过自适应的方法对红外相机盲元进行分类识别和判断，并通过预设的策略进行盲元替换；也可以通过上注盲元表的方法进行人工干预，根据注入的数据对盲元进行手工修补。
本发明能够灵活实现红外相机的盲元替换需求，有助于空间红外相机提高在轨成像质量、提高图像数据可用度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正方法流程图。
图2是本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正装置的结构示意图；
图中：1、光学组件；2、转折镜组件；3、黑体组件；4、红外线列探测器组件；5、电子学组件。
图3是本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有的红外线列探测器规模急剧膨胀，获取图像的空间分辨率和时间分辨率得到极大提升，图像数据量急剧增加，依靠人工替换的后处理方法，无法适应实时性的使用要求的问题。本发明能够灵活实现红外相机的盲元替换需求，有助于空间红外相机提高在轨成像质量、提高图像数据可用度。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正方法包括以下步骤：
S101：空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，采用转折平面镜组件、黑体组件进行构成盲元检测组件，采用电子学组件获取探测器数据；对红外线列焦平面探测器存在的盲元；
S102：通过图像自适应检测的方法，根据预设的策略进行自动检测和替换；
S103：空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，对红外焦平面探测器存在的盲元，通过人工注数干预的方法，根据注数进行手工替换。
本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正方法具体包括以下步骤：
S1、将设置在光路前的转折镜转向面源黑体，切换光路到黑体观测模式；
S2、通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T0±1℃，发送同步采样信号Syn0给电子学；
S3、电子学组件获取探测器对黑体在温度T0时的逐元响应数据D0i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F0为高电平；
S4、通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T1±1℃，发送同步采样信号Syn1给电子学；
S5、电子学组件获取探测器对黑体在温度T1时的逐元响应数据D1i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F1为高电平；
S6、电子学组件检测到标志信号F0和F1都为高电平时，停止采数，电子学软件启动检测状态机，同时停止黑体加热，标志信号F0和F1复位为低电平；
S7、电子学软件进入检测状态机，首先逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
其中，黑体平均光谱辐亮度黑体在单位波长内的辐亮度，单位为W/m2/sr/um，采用普朗克公式计算；
h为普朗克常数，6.626×10-34J·s，k为玻尔兹曼常数，1.3807×10-23J·K-1，ε为黑体发射率，R(λ)为红外相机的光谱响应函数。
Ri:探测器响应率；
黑体平均光谱辐亮度—随黑体温度变化；
Kλ：光学透过率--定值；
Ω：瞬时视场角--定值；
A：光学入瞳面积--定值；
Tint:探测器积分时间--定值。
通过改变黑体温度改变黑体平均光谱辐亮度，得到一组(D1i-D0i)和Lbb(λ,T)的值，由于空间红外相机设计完成后，分母的各项数据均为定值，因此可以预先设置，这样仅需更新上述式子分子中的高低温响应值即可。
S8、为降低大视场红外相机视场内背景均匀性对响应率的影响，不采用全局参数进行分割，而是通过局域动态监测Ri的变化；通过滑窗运算，在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的Ri平均值，探测器像元一共为N元，则滑动计算从1～N逐元检测，设定门限值Th1为0.5；
若Th1i<0.5，则判断为死像元，在盲元标志RAM 1区地址i记录为1；
S9、通过求D1i的均方根值，逐元计算探测器噪声ni；
S10、通过动态滑窗运算，计算噪声ni局域均值在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的ni平均值，滑动计算设定门限值Th1为2；
若Th2i>2，则判断为过热像元，在盲元标志RAM 2区地址i记录为1；
S11、转折镜转向对地成像，恢复成像模式，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM1区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；这样实现了死像元邻域数据的替换；
S12、进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM2区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；这样实现了过热像元邻域数据的替换。
上述S1至S12步骤，无需人工干预，由相机电子学自动完成，仅需要发送开始检测指令，检测完成后自动回复对地观测成像。
如图2所示，本发明实施例提供的空间红外相机盲元修正装置包括：光学组件1、转折镜组件2、黑体组件3、红外线列探测器组件4、电子学组件5。
转折镜组件2处于红外相机对地观测光通路的最前方，进行盲元检测时，将转折镜组件2转向面源黑体组件3，黑体组件3加热升温到温控点，电子学组件5获取红外线列探测器组件4数据进行探测器盲元的自动检测。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1：如图3所示基于2000元探测器空间红外相机盲元修正方法包括以下步骤：
第一步，将设置在光路前的转折镜转向面源黑体，切换光路到黑体观测模式；
第二步，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T0±1℃，发送同步采样信号Syn0给电子学；
第三步，电子学组件获取探测器对黑体在温度T0时的逐元响应数据D0i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F0为高电平；
第四步，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T1±1℃，发送同步采样信号Syn1给电子学；
第五步，电子学组件获取探测器对黑体在温度T1时的逐元响应数据D1i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F1为高电平；
第六步，电子学组件检测到标志信号F0和F1都为高电平时，停止采数，电子学软件启动检测状态机，同时停止黑体加热，标志信号F0和F1复位为低电平；
第七步，电子学软件进入检测状态机，首先逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
其中，空间红外相机设计完成后，分母的各项数据均为定值，因此可以预先设置，这样仅需更新上述式子分子中的高低温响应值即可；
第八步，为降低大视场红外相机视场内背景均匀性对响应率的影响，不采用全局参数进行分割，而是通过局域动态监测Ri的变化；通过滑窗运算，在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的Ri平均值，探测器像元一共为2000元，则滑动计算从1～2000逐元检测，设定门限值Th1为0.5；
若Th1i<0.5，则判断为死像元，在盲元标志RAM 1区地址i记录为1；
第九步，通过求D1i的均方根值，逐元计算探测器噪声ni；
第十步，通过动态滑窗运算，计算噪声ni局域均值在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的ni平均值，滑动计算设定门限值Th2为2；
若Th2i>2，则判断为过热像元，在盲元标志RAM 2区地址i记录为1；
第十一步，转折镜转向对地成像，恢复成像模式，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM1区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；这样实现了死像元邻域数据的替换；
第十二步，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM2区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；实现了过热像元邻域数据的替换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种空间红外相机盲元修正方法，其特征在于，所述空间红外相机盲元修正方法包括：
第一步，空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，采用转折平面镜组件、黑体组件进行构成盲元检测组件，采用电子学组件获取探测器数据；对红外线列焦平面探测器存在的盲元；
第二步，通过图像自适应检测的方法，根据预设的策略进行自动检测和替换；
第三步，空间红外相机使用大规模红外线列焦平面探测器对地观测成像，对红外焦平面探测器存在的盲元，通过人工注数干预的方法，根据注数进行手工替换。
2.如权利要求1所述的空间红外相机盲元修正方法，其特征在于，所述空间红外相机盲元修正方法具体包括以下步骤：
步骤一，将设置在光路前的转折镜转向面源黑体，切换光路到黑体观测模式；
步骤二，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T0±1℃，发送同步采样信号Syn0给电子学；
步骤三，电子学组件获取探测器对黑体在温度T0时的逐元响应数据D0i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F0为高电平；
步骤四，通过加热片升温黑体，直到黑体温度稳定到预设温控点T1±1℃，发送同步采样信号Syn1给电子学；
步骤五，电子学组件获取探测器对黑体在温度T1时的逐元响应数据D1i，并存储于SRAM，i为像元号；采集数据完成后置标志信号F1为高电平；
步骤六，电子学组件检测到标志信号F0和F1都为高电平时，停止采数，电子学软件启动检测状态机，同时停止黑体加热，标志信号F0和F1复位为低电平；
步骤七，电子学软件进入检测状态机，逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
步骤八，通过滑窗运算，在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的Ri平均值，探测器像元一共为N元，则滑动计算从1～N逐元检测，设定门限值Th1为0.5；
若Th1i<0.5，则判断为死像元，在盲元标志RAM1区地址i记录为1；
步骤九，通过求D1i的均方根值，逐元计算探测器噪声ni；
步骤十，通过动态滑窗运算，计算噪声ni局域均值在当前像元左邻域15元、右邻域16元内计算32个像元信号的ni平均值，滑动计算设定门限值Th1为2；
若Th2i>2，则判断为过热像元，在盲元标志RAM2区地址i记录为1；
步骤十一，转折镜转向对地成像，恢复成像模式，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM1区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；这样实现了死像元邻域数据的替换；
步骤十二，进行数据采集并将数据存入缓存，同时顺序读出盲元标志RAM2区中的数据，置于深度为4的FIFO中，当读出的数为1、且前一地址和后一地址均不为1时，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝(Di+1+Di-1)/2；若当前地址读出的数为1、且前一地址不为1而后一地址为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di-1；若读出的数为1、且前一地址为1而后一地址不为1，将当前数据缓存地址i获得的数据替换如下：Di＝Di+1；若出现3个连续地址都存在盲元，即连续盲元，则中间盲元不处理，两侧盲元处理方法同上；实现了过热像元邻域数据的替换。
3.如权利要求2所述的空间红外相机盲元修正方法，其特征在于，所述步骤七电子学软件进入检测状态机，首先逐元计算探测器相对响应率Ri，相对响应率计算方法为：
其中，黑体平均光谱辐亮度黑体在单位波长内的辐亮度，单位为W/m2/sr/um，采用普朗克公式计算；
h为普朗克常数，6.626×10-34J·s，k为玻尔兹曼常数，1.3807×10-23J·K-1，ε为黑体发射率，R(λ)为红外相机的光谱响应函数；
Ri:探测器响应率；黑体平均光谱辐亮度—随黑体温度变化；Kλ：光学透过率--定值；Ω：瞬时视场角--定值；A：光学入瞳面积--定值；Tint:探测器积分时间--定值；
通过改变黑体温度改变黑体平均光谱辐亮度，得到一组(D1i-D0i)和的值。
4.一种基于权利要求1所述空间红外相机盲元修正方法的空间红外相机盲元修正装置，其特征在于，所述空间红外相机盲元修正装置包括：光学组件、转折镜组件、黑体组件、红外线列探测器组件、电子学组件；
转折镜组件处于红外相机对地观测光通路的最前方，进行盲元检测时，将转折镜组件转向面源黑体组件，黑体组件加热升温到温控点，电子学组件获取红外线列探测器组件数据进行探测器盲元的自动检测。
5.一种应用权利要求1～3任意一项所述空间红外相机盲元修正方法的空间红外相机。
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