CN112284539A - 一种用于在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法。该方法主要特征如下：光谱仪在入轨时采集冷空间背景的原始图像下传地面进行初始标定，形成盲元位置的初始信息，并保存光谱仪中，入轨后光谱仪在轨采集目标光谱图像并实时对盲元进行补偿，同时周期性的采集冷空间背景，重新检测计算盲元并以此更新在轨的盲元位置信息。该方法充分考虑了数据的完备性和仪器在轨运行时的盲元变化的可能性，特别适用于在轨短波红外成像光谱仪器的在轨使用，是一种可持续且有效的方法。
Description
技术领域：
本发明涉及一种在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法，特指深空探测技术领域，所述的短波红外成像光谱仪采用色散型分光方式设计，在轨进行推扫工作。同时具备单独存储盲元信息的专用存储空间，并且可通过地面上传的方式修改在轨盲元位置信息。本方法可在轨实时进行盲元的补偿处理，同时可周期性地对盲元位置信息进行重新检测，并以此更新盲元数量和所在位置，是一种长期可持续且十分有效的方法。
背景技术：
红外成像领域中，红外焦平面阵列(IRFPA)探测器的使用越来越普遍。随着成本的降低，应用领域从军用配套逐渐拓展到民用市场，在探测制导、识别跟踪、监控预警、夜视导航等领域有着重要意义。红外焦平面探测器属于半导体器件，由对红外辐射敏感的半导体材料制成。由于制造工艺、材料特性等原因，红外探测器容易出现掺杂不均、掩膜误差等问题，导致探测像元的光电特性曲线不一致。因此，探测器存在非均匀性校正、盲元等问题。盲元是指探测器阵列感光像元的响应率表现异常的像元，主要分为死像元和过热像元。盲元的存在，在图像上表现为不同程度的亮点和暗点，严重影响红外成像效果。
红外成像系统的发展水平是取决于红外探测器的发展水平的。然而目前的制造水平和技术现状决定了红外焦平面阵列探测器在成像过程中依然会出现严重的盲元现象。虽然因为器件制造工艺的提高使得红外焦平面阵列探测器的盲元问题得到了很大的改进，然而并没有完全避免这个问题，所以这还是现在红外焦平面阵列成像系统以及后续图像处理中需要注意的问题。因此很多学者都在这一领域做了很多的研究。
深空探测领域中，由于受数传带宽的限制，大多数情况下无法将红外焦平面探测器的完整的成像区域的光谱图像进行下传，只能对图像进行合并，挑选某些重点谱段的数据进行下传。这就要求成像光谱仪在轨能够在轨采集红外图像后，根据盲元位置信息，将盲元进行补偿后，再进行像元合并及谱段的挑选。而实际在使用中随着环境的改变、系统的噪声等会出现一定数量的新的盲元。这部分盲元如果没有被识别，将影响光谱曲线的特征，从而影响探测的结果。
为解决上述问题，本发明涉及一种在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法，在光谱仪入轨时，根据星下冷空间为均匀空间目标的特点，通过采集星下冷空间数据，对焦平面探测器进行初次标定，并将检测的盲元信息结果保存在光谱仪的内部存储中。此后光谱仪在轨工作时，根据标记的盲元信息，实时对目标图像进行盲元校正，将每隔一段时间(一个月或者以上)短波光谱仪重复对星下冷空间进行数据采集，对光谱仪内部的盲元信息进行修正。这种做法的优点是降低了系统设计的复杂性、减小了运行成本，并且可持续进行。
发明内容：
本发明涉及一种在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法，其步骤过程如下：
(1)短波红外成像光谱仪，形成盲元位置的初始信息，保存至光谱仪内部。由于红外成像系统在均匀辐射背景的条件下拍摄生成的红外图像的像元灰度值近似于N(μ，σ2)的标准正态分布。利用这一统计特性和盲元在图像中的表现，采用基于3σ原则进行盲元判断，把响应值在平均响应灰度+3σ之外的像元标记为盲元。
(2)光谱仪在轨采集光谱图像，并根据保存在设备内部的盲元位置信息，自主对盲元信息进行补偿，补偿时采取3x3窗口进行处理，即默认采用盲元点周围8个像元的信息进行补偿。同时根据盲元点在焦平面中的不同位置，分别采用对应的方法进行补偿。
(3)光谱仪在轨工作时，周期性地采集冷空间背景图像，该图像不经过盲元处理，直接下传地面。
(4)地面接收到冷空间背景图像，重新计算盲元的信息，如果盲元信息发生变化，则将变化的信息上传给光谱仪进行更新。
本发明的优点在于：通过本方法实现了短波红外成像光谱仪的在轨实时盲元处理。使得因深空探测领域数据带宽受限而无法传输完整图像的情况下，保证下传的光谱曲线特征符合预期，同时周期性地采集冷空间图像对盲元进行检测，更新盲元位置信息(既可以增加新的盲元，也可以将已经恢复正常的点去除盲元标记)，从而保证光谱曲线不被新产生的盲元干扰，本方法操作简单，且有较好的持续性。
附图说明
附图1是盲元初始位置信息产生流程图。
附图2是盲元所处的位置示意图。
附图3是盲元更新流程图。
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，以下给出具体实施例，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。
如图所示，一种在轨短波红外成像光谱仪的盲元检测及补偿方法，包括以下步骤：
标定初始盲元信息：
1、短波红外成像光谱仪入轨后第一次采集冷空间背景图像进行标定，标定时冷空间背景正对光谱仪，使其充满视场，光谱仪采集固定帧数(>10 帧)的背景图像，并下传地面。
2、由于红外成像系统在均匀辐射背景的条件下拍摄生成的红外图像的像元灰度值近似于N(μ，σ2)的标准正态分布。利用这一统计特性和盲元在图像中的表现，采用基于3σ原则进行盲元判断。过程如下：1) 求出每个像素点多帧图像的平均值
从而减弱因为系统或者环境微小改变引起的噪声对成像的影响。2)计算整个探测器成像范围内所有像素点的均值μ和方差σ，从坐标(0,0)的像元开始一直到图像中最后一个像元。3)基于3σ判断准则，如果坐标为(i,j)的像素点的值
满足
那么像元点F(i,j)可以认定为非盲元，如果若
则该像元点可以被判断为盲元。
3、根据上述方法依次检测所有像素点，并将标记的识别的盲元位置信息，保存至光谱仪的内部E2PROM存储器中，该存储器具备掉电不丢失的特点。同时为了节省存储空间，每个像元盲元信息标识只占用1bit,即1 个字节即可表示8个像元的为位置信息。同时采用1表示该位置为盲元信息点，0为正常盲元信息。
在轨盲元补偿：
1、短波红外成像光谱仪在轨进行目标探测时，先形成目标的原始数据，缓存至光谱仪内部图像缓存区
2、根据光谱仪内部存储的盲元信息进行盲元补偿，本实施方法中对焦平面采取按行的方式进行盲元补偿，首先对第一行的所有像元进行盲元补偿，这样第一行经过补偿后的像元，对第二行而言即成为有效像元。依次类推完成所有行的盲元处理。
3、补偿时采取3x3窗口进行处理，即默认采用盲元点周围8个像元的信息进行补偿。此时根据待补偿盲元点在焦平面中的位置，可能会出现如下3种(见附图2)情况：1)待补偿盲元处于焦平面中间，此时称为普通盲元，普通盲元采用相邻8元(3×3)的中值代替该像元。如果相邻像元中也包含盲元点，则跳过该点使用剩余有效邻近像元进行处理。如果出现临近8元均为盲元的极端情况，在扩大到5×5窗口处理，使用外围的16元进行处理；2)待补偿盲元点位于焦平面探测器的上下左右4个角之一，此时称为角盲元，角盲元采用周围的3元中值代替(极端5元)处理，3)待补偿盲元点位于焦平面探测器最外围的4条边上(除去角盲元的位置)，此时称为边盲元，边盲元原采用周围的5元中值代替(极端9元)处理；
4、完成焦平面所有盲元点的补偿处理后的图像，可根据指令选择全幅下传，或者选择特定区域或谱段下传。
盲元修正：
1、短波红外成像光谱仪在轨周期性地采集冷空间背景图像，此时通过指令设置采集后不进行盲元处理，直接将原始图像进行下传。
2、地面接收原始图像数据后，采用和初始盲元标定相同的方法重新进行盲元的检测
3、如果发现盲元信息有所变化，则地面通过指令将新更新后的盲元位置信息上注至光谱仪，光谱仪在轨接收到指令后，更新内部盲元存储器中的内容，下一次探测时生效。
Claims (2)
1.一种用于在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)短波红外成像光谱仪入轨后先进行第一次冷空间背景采集，该图像不经过盲元处理，直接下传地面，地面接收图像后进行检测计算，形成盲元位置的初始信息，上传保存至光谱仪内部；
(2)光谱仪在轨工作采集目标光谱图像，并根据保存在设备内部的盲元位置信息，；
(3)光谱仪在轨工作时，仍会周期性进行步骤(1)重新计算盲元的信息位置，如果盲元位置信息发生变化，则进行将变化的信息通过指令上注更新给光谱仪，修改在轨光谱仪的盲元位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于在轨短波红外成像光谱仪的盲元补偿方法，其特征在于，步骤(2)中所述的自主对盲元信息进行补偿的方法为：首先对第一行的所有像元进行盲元补偿，这样第一行经过补偿后的像元，对第二行而言即成为有效像元，依次类推完成所有行的盲元处理；具体补偿方法如下：
1)盲元处于焦平面中间，此时称为普通盲元，普通盲元采用相邻8元，即3×3的中值代替该像元；如果相邻像元中也包含盲元点，则跳过该点使用剩余有效邻近像元进行处理，如果出现临近8元均为盲元的极端情况，在扩大到5×5窗口处理，使用外围的16元进行补偿处理；
2)盲元点位于焦平面探测器的上下左右4个角之一，此时称为角盲元，角盲元采用周围的3或5元的中值代替该像元；
3)盲元点位于焦平面探测器最外围的4条边上，除去角盲元的位置，此时称为边盲元，边盲元原采用周围的5或9元的中值代替该像元。
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