CN111741243B - 一种tdicmos探测器的非均匀校正方法 - Google Patents
一种tdicmos探测器的非均匀校正方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,涉及TDICMOS探测器成像技术领域,解决现有探测器响应的非均匀校正方法存在受暗电流影响,进而出现暗场的偏差的问题,校正系统包括TDICMOS探测器、成像控制器、积分球以及图像数据采集及处理器;探测器和成像控制器放置在温度控制器内,实现恒定的温度控制。成像控制器产生探测器工作所需的控制和驱动信号,探测器返回相关的状态信号。探测器输出的串行图像数据经成像控制器调理后,以并行图像数据的方式送入图像数据采集及处理器进行处理,实现成像参数和校正参数的计算。本发明对各像素的积分级数、像素增益和PGA增益进行标定,可以实现相对准确的亮场增益校正系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种TDICMOS探测器成像技术领域,具体涉及一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,该方法是一种综合考虑探测器的工作温度、积分级数、像素增益、PGA增益和曝光时间的TDICMOS探测器非均匀校正方法。
背景技术
成像探测器响应的非均匀校正,通常基于探测器线性模型采用两点校正法,仅需要一个增益校正系数和偏置校正系数即可。而在实际应用中,特别是对于TDICMOS探测器,感光像素的大小存在差异导致不同积分级数下各像素的增益系数的差异,各像素内部的电荷电压转换电容容值的差异和读出链的差异,导致不同像素增益和PGA增益下各像素的增益系数的差异;温度的变化将导致暗电流的变化,从而可能导致各像素暗场DN值的差异;TDI级数、像素增益、PGA增益和单级曝光时间的长短会将各像素暗电流的进一步放大,从而出现暗场的偏差。对于TDICMOS探测器,即使将积分级数设置为最小,实际也存在暗电流的影响。
对于探测器,其输出的平均灰度值Dave和入射光能量Li的关系可由所有像素的平均响应斜率aave和偏置系数bave来表示。
Davei=aave×Li+bave (1)
对于第一个像素,其输出的平均灰度值D1i和入射光能量Li的关系可由该行的响应斜率a1和偏置系数b1来表示。
D1i=a1×Li+b1 (2)
则对于第一个像素,其校正后的灰度值Dadjust_1i与原始的灰度值D1i的关系如下所示:
则对于第i个像素,最终的校正系数aadjust_i和badjust_i公式为:
也就是从理论上说可以通过所有像素的平均响应斜率aave和偏置系数bave及对应第i个像素的响应斜率ai和偏置系数bi获得第i个像素最终的校正系数aadjust_i和badjust_i。
发明内容
本发明为解决现有TDICMOS探测器响应的非均匀校正方法存在受暗电流影响,进而出现暗场的偏差的问题,提供一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法。
一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,包括对暗场下的成像参数测试和亮场下的成像参数测试,获得最终的校正系数;具体由以下步骤实现:
步骤一、进行暗场下的成像参数测试过程,具体为:
步骤一一、不开积分球,将TDICMOS探测器置于温度控制器内,调节温度控制器,将温度控制在预期的温度,将所述TDICMOS探测器的积分级数分别设置为最大积分级数kTDImax和最小积分级数kTDImin,TDICMOS探测器的单级积分时间按照预期行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益kpixel_normal和预期PGA增益kamp_norma保持不变,测量对应各像素的最大灰度值DNdarkimax和最小灰度值DNdarkimin;
步骤一二、计算在所述预期温度和预期行周期tint_normal下第i个像素的暗电流为:
式中,DNdarkimax_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;DNdarkimin_norma为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
进一步获得在预期温度和预期行周期下的平均暗电流为:
式中,DNdarkmax_ave_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;DNdarkmin_ave_nor为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
步骤一三、计算第i个像素的温度点tθ在预期行周期下的暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
则温度点tθ在预期行周期下的平均暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
步骤一四、通过下公式获取不同积分级数kTDIi、不同行周期长度tint、不同像素增益kpixelj和PGA增益kampk下的暗场DN值偏差ψi;
ψi=(Idark_ave-Idarki)×kTDI×tint×kpixel×kamp×tθ
式中,Idarki为第i个像素的暗电流,kTDI为探测器的积分级数,kpixel为探测器的像素增益,kamp为探测器的PGA增益;
步骤二、进行所述亮场下的成像参数测试,计算校正系数,具体过程为:
步骤二一、打开积分球,设定积分球输出的光能量Lp,p为光能量点个数;将TDICMOS探测器置于温度控制器内,调节温度控制器,将温度控制在的预期工作温度点tnormal,设定探测器的预期积分级数为kTDI_normal,探测器的单级积分时间按照预期行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益kpixel_normal和预期PGA增益kamp_normal保持不变,测量对应第i个像素的灰度值DNnormal_pi,计算探测器各像素在预期工作温度、单级积分时间以及成像参数下的拟合响应斜率系数knormal_i和平均响应斜率系数knormal_average,获得计算第i个像素的响应校正系数knormal_jiaozheng_i;
步骤二二、改变步骤二一中的TDICMOS探测器的积分级数为kTDI_m,测量积分球输出不同的光能量下除预期积分级数kTDI_normal下的响应校正系数kTDI_jiaozheng_mi,获得m-1个积分级数下的相对响应校正系数:
改变步骤二一中的TDICMOS探测器的像素增益为kpixel_n,测量积分球输出不同的光能量下除预期像素增益kpixel_normal的响应校正系数kpixel_jiaozheng_ni,获得n-1个像素增益下的相对响应校正系数:
改变步骤二一中的TDICMOS探测器的PGA增益为kamp_r,测量积分球输出不同的光能量下除预期PGA增益kamp_normal下的响应校正系数kamp_jiaozheng_ri,获得r-1个PGA增益下的相对响应校正系数:
步骤三、计算最终的校正系数;
步骤三一、根据步骤二在亮场下成像测试,获得第i个像素的最终乘数校正系数kjiaozheng_i,用下式表示为:
kjiaozheng_i=knormal_jiaozheng_i×kTDI_xdjz_mi×kpixel_xdjz_ni×kamp_xdjz_ri
式中,knormal_jiaozheng_i为第i个像素在亮场下成像测试中的预期行周期、预期单级积分时间、预期积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的乘数校正系数,kTDI_xdjz_mi为第i个像素的积分级数相对预期积分级数的调整系数,kpixel_xdjz_ni为第i个像素的像素增益相对预期像素增益的调整系数,kamp_xdjz_ri为第i个像素的PGA增益相对预期PGA增益的调整系数;
步骤三二、在暗场测试下,计算第i个像素在当前的温度、积分时间、积分级数、像素增益和PGA增益下的暗场DN值DNdarkijk为:
DNdarkijk=(DNimin_normal-kTDImin×tint_normal×kpixel_normal×kamp_normal)+Idarki×kTDI×tint×kpixel×kamp
式中,DNimin_normal为第i个像素在预期行周期、预期单级积分时间、最小积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的暗场DN值;
步骤三三、根据步骤三一获得的最终乘数校正系数和步骤三二获得得暗场DN值DNdarkijk,获得偏置校正系数;
第i个像素的最终偏置校正系数bjiaozheng_i为:
bjiaozheng_i=(bjiaozheng_ave-kjiaozheng_i×(bi_normal+bnormal_average))
式中,bjiaozheng_ave为平均的偏置校正系数,bi_normal为在预期行周期、预期单级积分时间、预期积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的各像素偏置校正系数。
本发明的有益效果:
1、事先对各像素不同温度下的暗电流参数进行标定,同时根据积分级数、像素增益、PGA增益和单级的曝光时间进行校正参数的修订,可以实现相对准确的暗场偏置校正系数;
2、事先对各像素的积分级数、像素增益和PGA增益进行标定,可以实现相对准确的亮场增益校正系数。
3、针对积分级数、像素增益和PGA增益的变化,仅需要存储m+n+r-2组相对变化的校正系数,而不需要存储m×n×r组校正系数。
附图说明
图1为本发明所述的TDICMOS数据校正系统框图。
具体实施方式
结合图1说明本实施方式,一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,包括TDICMOS数据校正系统,所述校正系统包括TDICMOS探测器、成像控制器、积分球以及图像数据采集及处理器;所述TDICMOS探测器和成像控制器放置在温度控制器内,实现恒定的温度控制。
成像控制器产生TDICMOS探测器工作所需的控制和驱动信号,TDICMOS探测器返回相关的状态信号。TDICMOS探测器输出的串行图像数据经成像控制器调理后,以并行图像数据的方式送入图像数据采集及处理器进行处理,实现成像参数和校正参数的计算。TDICMOS探测器和成像控制器放置在温度控制器内,实现恒定的温度控制。
本实施方式的的具体步骤如下:
一、暗场下的成像参数测试
(1)不开积分球,将TDICMOS探测器处于漆黑的黑暗环境中,调节温度控制器,将温度控制在预期的温度点(指的是成像系统设计的预期温度如常温的25℃,对于不同的应用,预期温度是不同的。以预期温度为中心,受外部的环境变化和探测器自身发热及温度控制器调节策略的影响,在一个上下的范围内变化)。
然后分别改变探测器的积分级数分别设置为最大值kTDImax和最小值kTDImin,探测器的单级积分时间按照预期的行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益kpixel_norma和预期PGA增益kamp_norma保持不变,测量对应各像素的最大灰度值DNdarkimax和最小灰度值DNdarkimin。
(2)则在预期温度和预期的行周期下的暗电流为:
式中,DNdarkimax_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;DNdarkimin_norma为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
则获得在预期温度和预期行周期下的平均暗电流为:
式中,DNdarkmax_ave_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;DNdarkmin_ave_nor为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
(3)则计算第i个像素的温度点tθ在预期行周期下的暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
则温度点tθ在预期行周期下的平均暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
(4)不同积分级数kTDIi、不同行周期长度tint、不同像素增益kpixelj和PGA增益kampk下的暗场DN值偏差ψi可通过如下公式获取:
ψi=(Idark_ave-Idarki)×kTDI×tint×kpixel×kamp×tθ
式中,Idarki为第i个像素的暗电流,kTDI为探测器的积分级数,kpixel为探测器的像素增益,kamp为探测器的PGA增益;
二、亮场下的成像参数测试,计算m+n+r-2组校正系数。
(1)打开积分球,改变积分球输出的光能量Lp(p个光能量点),将TDICMOS探测器处于漆黑的黑暗环境中,调节温度控制器,将温度控制在的预期工作温度点tnormal,设定探测器的预期积分级数kTDI_normal,所述预期积分级数指的是根据预期的应用条件(太阳高度角30°地面反射率0.3)计算得到的图像不饱和还能获得较高信噪比的积分级数。
探测器的单级积分时间按照预期的行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益和预期PGA增益也分别设置为预期值kpixel_normal和kamp_normal保持不变,测量对应第i个像素的灰度值DNnormal_pi,计算探测器各像素在预期工作温度、积分时间和成像参数下的拟合响应斜率系数knormal_i和平均响应斜率系数knormal_average,获得计算第i个像素的响应校正系数knormal_jiaozheng_i。
第i个像素的灰度值DNnormal_pi为:
DNnormal_pi=knormal_i×Lp+bnormal_i
式中,knormal_i为第i个像素的拟合响应斜率系数,bnormal_i为第i个像素的偏置,计算所有像素的平均灰度值DNnormal_p_average为:
DNnormal_p_average=knormal_average×Lp+bnormal_average
式中,knormal_average为所有像素的平均响应斜率系数,bnormal_average为所有像素的偏置平均值;
计算第i个像素的响应校正系数knormal_jiaozheng_i:
(2)改变步骤(1)中探测器的积分级数kTDI_m,测量积分球输出不同的光能量下除预期积分级数下的响应校正系数kTDI_jiaozheng_mi,从而得到m-1个积分级数下的相对响应校正系数
(3)改变步骤(1)探测器的像素增益kpixel_n,测量积分球不同输出的光能量下除预期像素增益下的响应校正系数kpixel_jiaozheng_ni,从而得到n-1个积分级数下的相对响应校正系数:
(4)改变步骤(1)中探测器的PGA增益kamp_r,测量积分球输出不同的光能量下除预期PGA增益下的响应校正系数kamp_jiaozheng_ri,从而得到r-1个积分级数下的相对响应校正系数:
三、最终的校正系数:(增益部分校正系数的数量:1个预期应用情况下校正参数,各种积分级数下的校正系数-1,各种PGA增益下的校正系数-1以及各种像素增益下的校正系数-1;)具体为:
根据在亮场下成像测试,获得第i个像素的最终乘数校正系数kjiaozheng_i,用下式表示为:
kjiaozheng_i=knormal_jiaozheng_i×kTDI_xdjz_mi×kpixel_xdjz_ni×kamp_xdjz_ri
式中,knormal_jiaozheng_i为第i个像素在亮场下成像测试中的预期行周期、预期单级积分时间、预期积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的乘数校正系数,kTDI_xdjz_mi为第i个像素的积分级数相对预期积分级数的调整系数,kpixel_xdjz_ni为第i个像素的像素增益相对预期像素增益的调整系数,kamp_xdjz_ri为第i个像素的PGA增益相对预期PGA增益的调整系数;
计算在暗场测试下,第i个像素在当前的温度、单级积分时间、积分级数、像素增益和PGA增益下的暗场DN值DNdarkijk为:
DNdarkijk=(DNimin_normal-kTDImin×tint_normal×kpixel_normal×kamp_normal)+Idarki×kTDI×tint×kpixel×kamp
式中,DNimin_normal为第i个像素在预期行周期、预期单级积分时间、最小积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的暗场DN值;
根据获得的最终乘数校正系数和获得暗场DN值DNdarkijk,获得偏置校正系数;第i个像素的最终偏置校正系数bjiaozheng_i为:
bjiaozheng_i=(bjiaozheng_ave-kjiaozheng_i×(bi_normal+bnormal_average))
式中,bjiaozheng_ave为平均的偏置校正系数,bi_normal为在预期行周期、预期单级积分时间、预期积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的各像素偏置校正系数。
本实施方式中,所述成像控制器采用virtex 6器件及其内部资源;TDI CMOS探测器采用长光辰芯公司的定制产品,积分球采用口径大于探测器尺寸的普通积分球,图像数据采集及处理器使用带Camera Link采集卡的PC机,进行图像的采集和处理;温度控制器使用高低温箱。
Claims (2)
1.一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,包括对暗场下的成像参数测试和亮场下的成像参数测试,获得最终的校正系数;具体由以下步骤实现:
步骤一、进行暗场下的成像参数测试过程,具体为:
步骤一一、不开积分球,将TDICMOS探测器置于温度控制器内,调节温度控制器,将温度控制在预期的温度,将所述TDICMOS探测器的积分级数分别设置为最大积分级数kTDImax和最小积分级数kTDImin,TDICMOS探测器的单级积分时间按照预期行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益kpixel_normal和预期PGA增益kamp_norma保持不变,测量对应各像素的最大灰度值DNdarkimax和最小灰度值DNdarkimin;
步骤一二、计算在所述预期温度和预期行周期tint_normal下第i个像素的暗电流为:
式中,DNdarkimax_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;DNdarkimin_norma为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
进一步获得在预期温度和预期行周期下的平均暗电流为:
式中,DNdarkmax_ave_normal为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;DNdarkmin_ave_nor为在预期温度、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
步骤一三、计算第i个像素的温度点tθ在预期行周期下的暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的第i个像素暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的第i个像素暗场DN值;
则温度点tθ在预期行周期下的平均暗电流为:
式中,为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最大积分级数下的平均暗场DN值;为在温度点tθ、预期行周期、预期单级积分时间、预期像素增益和预期PGA增益以及最小积分级数下的平均暗场DN值;
步骤一四、通过下公式获取不同积分级数kTDIi、不同行周期长度tint、不同像素增益kpixelj和PGA增益kampk下的暗场DN值偏差ψi;
ψi=(Idark_ave-Idarki)×kTDI×tint×kpixel×kamp×tθ
式中,Idarki为第i个像素的暗电流,kTDI为探测器的积分级数,kpixel为探测器的像素增益,kamp为探测器的PGA增益;
步骤二、进行所述亮场下的成像参数测试,计算校正系数,具体过程为:
步骤二一、打开积分球,设定积分球输出的光能量Lp,p为光能量点个数;将TDICMOS探测器置于温度控制器内,调节温度控制器,将温度控制在的预期工作温度点tnormal,设定探测器的预期积分级数为kTDI_normal,探测器的单级积分时间按照预期行周期tint_normal设置固定不变,预期像素增益kpixel_normal和预期PGA增益kamp_normal保持不变,测量对应第i个像素的灰度值DNnormal_pi,计算探测器各像素在预期工作温度、单级积分时间以及成像参数下的拟合响应斜率系数knormal_i和平均响应斜率系数knormal_average,获得计算第i个像素的响应校正系数knormal_jiaozheng_i;
第i个像素的灰度值DNnormal_pi为:
DNnormal_pi=knormal_i×Lp+bnormal_i
式中,knormal_i为第i个像素的拟合响应斜率系数,bnormal_i为第i个像素的偏置,
计算所有像素的平均灰度值DNnormal_p_average为:
DNnormal_p_average=knormal_average×Lp+bnormal_average
式中,knormal_average为所有像素的拟合响应斜率系数,bnormal_average为所有像素的偏置平均值;
计算第i个像素的响应校正系数knormal_jiaozheng_i:
步骤二二、改变步骤二一中的TDICMOS探测器的积分级数为kTDI_m,测量积分球输出不同的光能量下除预期积分级数kTDI_normal下的响应校正系数kTDI_jiaozheng_mi,获得m-1个积分级数下的相对响应校正系数:
改变步骤二一中的TDICMOS探测器的像素增益为kpixel_n,测量积分球输出不同的光能量下除预期像素增益kpixel_normal的响应校正系数kpixel_jiaozheng_ni,获得n-1个像素增益下的相对响应校正系数:
改变步骤二一中的TDICMOS探测器的PGA增益为kamp_r,测量积分球输出不同的光能量下除预期PGA增益kamp_normal下的响应校正系数kamp_jiaozheng_ri,获得r-1个PGA增益下的相对响应校正系数:
步骤三、计算最终的校正系数;
步骤三一、根据步骤二在亮场下成像测试,获得第i个像素的最终乘数校正系数kjiaozheng_i,用下式表示为:
kjiaozheng_i=knormal_jiaozheng_i×kTDI_xdjz_mi×kpixel_xdjz_ni×kamp_xdjz_ri
步骤三二、在暗场测试下,计算第i个像素在当前的温度、积分时间、积分级数、像素增益和PGA增益下的暗场DN值DNdarkijk为:
DNdarkijk=(DNimin_normal-kTDImin×tint_normal×kpixel_normal×kamp_normal)+Idarki×kTDI×tint×kpixel×kamp
式中,DNimin_normal为第i个像素在预期行周期、预期单级积分时间、最小积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的暗场DN值;
步骤三三、根据步骤三一获得的最终乘数校正系数和步骤三二获得得暗场DN值DNdarkijk,获得偏置校正系数;
第i个像素的最终偏置校正系数bjiaozheng_i为:
bjiaozheng_i=(bjiaozheng_ave-kjiaozheng_i×(bi_normal+bnormal_average))
式中,bjiaozheng_ave为平均的偏置校正系数,bi_normal为在预期行周期、预期单级积分时间、预期积分级数、预期像素增益和预期PGA增益下的各像素偏置校正系数。
2.根据权利要求1所述的一种TDICMOS探测器的非均匀校正方法,其特征在于:包括TDICMOS数据校正系统,所述校正系统包括TDICMOS探测器、成像控制器、积分球以及图像数据采集及处理器;
所述成像控制器产生TDICMOS探测器工作所需的控制和驱动信号,TDICMOS探测器返回相关的状态信号,TDICMOS探测器输出的串行图像数据经成像控制器调理后,以并行图像数据的方式送入图像数据采集及处理器进行处理,实现成像参数和校正参数的计算,TDICMOS探测器和成像控制器放置在温度控制器内,实现恒定的温度控制。
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