CN116380257A - 一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，涉及红外焦平面探测器性能测试技术领域，首先设置面源黑体的温度，测得红外焦平面探测器在所述温度下的输出电压；连续采集红外焦平面探测器的F帧响应数据；筛选并剔除焦平面中的盲元；在焦平面剩余像元中，标记像元噪声大于规定阈值σ₁的像元为时间噪声闪元，标记像元波动性参数大于规定阈值σ₂的像元为波动性闪元，并记录位置；对时间噪声闪元和波动性闪元取并集，即为焦平面闪元。本发明同时关注焦平面中像元的时间噪声和像元时域响应的整体波动性，避免了对不同特征闪元的错检和漏检，实现了对影响红外焦平面探测器工作精度和稳定性的闪元的有效检测。

Description

一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测器性能测试技术领域，更具体的说是涉及一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法。

背景技术

红外探测在军事、民用领域具有广泛的应用需求，例如红外夜视、对地观测、工程检测、气象监测等，这使得对红外焦平面探测器探测质量与精度的要求越来越高。受到材料、工艺、工作环境的影响或限制，部分像元在成像时响应过高或过低，称之为盲元，在焦平面的实际应用中需要对盲元的响应进行补偿。随着红外焦平面探测器技术的发展，探测器盲元性能的相关检测手段、评价指标及校正补偿已日趋完善，其原理主要基于国标GB/T17444-2013《红外焦平面阵列参数测试方法》中的定义。

闪元被定义为在探测器工作周期内，少于100％频率表现为盲元的像元。作为红外探测器固有特性，闪元对其目标检测及成像性能有显著影响，在一定的时间范围内，闪元输出电平波动较大，有时又趋于正常，由于其时域上的波动特性，闪元在探测器性能的分析中是较难检测和表征的一项因素。不同于盲元，闪元的响应信息仍具有一定价值，且由于波动的不规则性，闪元的响应均值可能与正常像元相近，如果将其作为盲元处理将可能导致目标错检或漏检，因此需要设计新的测试方法提取闪元信息。

闪元出现的频率不及盲元，并且从定义层面不易定量评估，因此对闪元的测试工作较难展开，针对闪元的研究不是很普遍，目前只有少量学者对此做了研究。现有闪元检测方法通常是直接将像元输出信号值与单帧输出信号平均值的绝对值和规定阀值比较，而忽略了闪元的时域波动，因此容易导致闪元检测结果准确率不高。基于此，如何提供一种考虑时间噪声和像元时域响应波动性的红外焦平面探测器闪元测试方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，同时关注焦平面中像元的时间噪声和像元时域响应的整体波动性，通过该方法，可有效检测闪元的位置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，包括以下步骤：

步骤1、根据红外焦平面探测器的响应波长，设置面源黑体的温度T₀，并测得红外焦平面探测器在温度T₀下的输出电压；

步骤2、连续采集红外焦平面探测器的F帧响应数据；

步骤3、筛选并剔除焦平面中的盲元；

步骤4、在焦平面剩余像元中，标记像元噪声V_N大于规定阈值σ₁的像元为时间噪声闪元，并记录位置；

步骤5、在焦平面剩余像元中，标记像元波动性参数V_F大于规定阈值σ₂的像元为波动性闪元，并记录位置；

步骤6、对所有的时间噪声闪元和波动性闪元取并集，即为焦平面闪元。

可选的，所述步骤3中，筛选并剔除焦平面中的盲元的方法为：

对红外焦平面探测器进行输出信号电压、响应率、噪声计算，按预设的盲元判据筛选盲元，统计死像元数d、过热像元数h，剔除焦平面中的盲元。

可选的，所述步骤4中，像元噪声V_N计算公式为：

其中，F为采集的响应数据帧数，V_S[(i,j),T₀,f]为像元(i,j)在T₀温度下第f帧的响应数据，

为像元(i,j)在T₀温度下全部F帧响应数据的均值。

可选的，响应数据帧数F≥10000。

可选的，所述步骤4中，规定阈值σ₁的计算方法为：

其中，A为常数；

为焦平面平均噪声电压，计算公式为：

其中，M为像元的总列数，N为像元总行数，d为焦平面的死像元数，h为焦平面的过热像元数。

可选的，所述步骤5中，像元波动性参数V_F的计算方法为：

步骤5.1、将连续的F帧响应数据分为n段，每段含m帧数据；

步骤5.2、对每个像元(i,j)，分别求出n段数据的响应均值

对相邻的均值差分，/>

得到新的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}；

步骤5.3、对得到的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}求标准差得到像元波动性参数V_F(i,j)。

可选的，所述步骤5.3中，像元波动性参数V_F(i,j)为：

其中，ΔV_l(i,j)为第(l+1)段与第l段数据的差分结果，

为ΔV_l(i,j)差分序列均值。

经由上述的技术方案可知，本发明提供了一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明与传统测试方法相比，同时考虑了像元的时间噪声和像元时域响应的整体波动性两个维度上的闪元特征，避免了对不同特征闪元的错检和漏检，实现了对影响红外焦平面探测器工作精度和稳定性的闪元的有效检测。经过验证，本发明可在多种红外焦平面探测器中得到应用，闪元检测结果可靠、有效，为红外焦平面探测器的时间稳定性研究提供了测试手段，将对降低红外焦平面器件的闪元数目提供有益借鉴，可广泛应用于红外探测器的性能测试中。

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使用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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试系统结构示意图；

图2为本发明的基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法流程图；

图3为具体实施例中闪元测试系统得到的原始测试结果灰度图；

图4(a)为具体实施例中正常元50000帧输出信号电压示意图；

图4(b)为具体实施例中第一闪元的50000帧输出信号电压示意图；

图4(c)为具体实施例中第二闪元的50000帧输出信号电压示意图；

图4(d)为具体实施例中第三闪元的50000帧输出信号电压示意图；

图5为具体实施例中实测的闪元分布图；

其中，1为面源黑体，2为红外焦平面探测器，3为探测器驱动板卡，4为电源偏压电路，5为时钟驱动电路，6为模拟数据采集卡，7为计算机服务器。

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。

本发明实施例公开了一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，参见图2，包括以下步骤：

步骤1、根据红外焦平面探测器2的响应波长，设置面源黑体1的温度T₀，并测得红外焦平面探测器2在温度T₀下的输出电压；

步骤2、连续采集红外焦平面探测器2的F帧响应数据；

步骤3、对红外焦平面探测器2进行输出信号电压、响应率、噪声计算，按预设的盲元判据筛选盲元，统计死像元数d、过热像元数h，剔除焦平面中的盲元；

步骤4、在焦平面剩余像元中，标记像元噪声V_N大于规定阈值σ₁的像元为时间噪声闪元，并记录位置。

其中，像元噪声V_N计算公式为：

式中，F为采集的响应数据帧数，F≥10000，V_S[(i，,j),T₀,f]为像元(i,j)在T₀温度下第f帧的响应数据，

为像元(i,j)在T₀温度下全部F帧响应数据的均值。

规定阈值σ₁的计算方法为：

其中，A为常数，取值3、5、6、8或10；/>

为焦平面平均噪声电压，表示剔除盲元后其余所有像元噪声V_N的平均值，计算公式为：

式中，M为像元的总列数，N为像元总行数，d为焦平面的死像元数，h为焦平面的过热像元数。

步骤5、在焦平面剩余像元中，标记像元波动性参数V_F大于规定阈值σ₂的像元为波动性闪元，并记录位置。

其中，像元波动性参数V_F的计算方法为：

步骤5.1、将连续的F帧响应数据分为n段，每段含m帧数据；m、n的取值可根据实际需要设定，m表征闪元时间波动性分析的频率分辨率，m越小关注的波动频率越高，n为相应的数据段数；

步骤5.2、对每个像元(i,j)，分别求出n段数据的响应均值

对相邻的均值差分，/>

得到新的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}；

步骤5.3、对得到的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}求标准差得到像元波动性参数V_F(i,j)：

式中，ΔV_l(i,j)为第(l+1)段与第l段数据的差分结果，

为ΔV_l(i,j)差分序列均值。

用于判断的规定阈值σ₂的选取与实际测试数据相关，一般认为像元波动性参数V_F(i,j)的分布近似满足正态分布N(μ,σ²)，其中μ为分布的数学期望、σ²为方差，因此结合实际响应数据V_S[(i,j),T₀,f]来设计阈值σ₂，参考σ₂＝kσ，实现以V_F为基准不同精度的闪元测试。

步骤6、最终的闪元检测结果通过双重阈值综合得到，对所有的时间噪声闪元和波动性闪元取并集，即为焦平面闪元。

下面以320×256中波红外焦平面探测器的闪元测试为例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

一、搭建基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试系统

搭建一种用于320×256中波红外焦平面探测器闪元测试的系统，如图1所示，主要包括面源黑体1、待测的红外焦平面探测器2、探测器驱动板卡3、电源偏压电路4、时钟驱动电路5、模拟数据采集卡6、计算机服务器7以及图1中未示出的光学测试平台、电源等。

将待测的红外焦平面探测器2封装在液氮杜瓦内，固定在光学测试平台上。探测器驱动板卡3固定在平台上，通过测试接口与红外焦平面探测器2杜瓦连接。

测试开始时，电源偏压电路4、时钟驱动电路5在计算机服务器7的控制下，将偏压和时钟信号送入驱动板卡，再由测试接口给红外焦平面探测器2提供正常的工作环境。打开探测器驱动板卡开关后，对数据进行采集，采集得到的数据经采样保持后，通过数据线传回模拟数据采集卡6，在后续电路中实现A/D转换，并将得到的数字信号传输至计算机服务器7，通过系统控制及数据处理软件将信号数据转为响应结果，并实时反馈为灰度图并保存。

二、进行红外焦平面探测器闪元测试过程

配置好闪元测试系统后，按照下述步骤进行闪元测试：

步骤(1)、由于待测红外焦平面探测器2响应波长为中波红外，因此设置合适的黑体温度T₀＝20℃，由测试系统即可得到各像元所述温度下红外焦平面探测器2的输出电压，图3示出了测试得到的响应灰度图；

步骤(2)、连续采集F＝50000帧数据，将第f帧数据中像元(i,j)在温度T₀下的响应电压记为V_S[(i,j),T₀,f]；

步骤(3)、根据GB/T-17444-2013测试方法，对红外焦平面探测器2进行输出信号电压、响应率、噪声计算，按规定的盲元判据筛选盲元，统计死像元数d、过热像元数h；

步骤(4)、选择温度T₀下的响应电压为准进行闪元测试，在剔除焦平面中的盲元之后，计算每个焦平面剩余像元在黑体温度T₀下的噪声V_N、焦平面平均噪声电压

分别按式(1)和式(2)计算：

式中

为像元(i,j)在T₀＝293K温度下50000帧响应的平均值，M＝320为像元的总列数，N＝256为像元总行数，d、h为筛选出的红外焦平面探测器死像元数、过热像元数。

步骤(5)、由于闪元的响应具有随时间的波动特性，因此对其检测需要基于长周期的测试结果，根据闪元的相关定义，其时间噪声相较于正常像元会有明显增加，同时闪元的时域相应也会呈现出波动特征。基于此，闪元的检测通过双重阈值来实现，两种阈值分别关注像元的时间噪声和像元时域响应的整体波动性。具体的，通过阈值σ₁测试时间噪声闪元，阈值σ₁按式(3)计算：

式中A为可根据实际需要测试的闪元不稳定程度设定的自定义常数，由于待测焦平面及测试系统整体上的时间稳定性较好，取A＝3，对于每一个像元(i,j)，如果

就将像元(i,j)标记为时间噪声闪元，通过这样的方式筛选出时间噪声闪元25个。

步骤(6)、通过阈值σ₂测试波动性闪元，具体的测试步骤如下：将焦平面连续F帧的数据的响应分为n段，每段含m帧数据，本实施例中取m＝8，对应的n＝6250，在保证局部波动特征的同时，尽可能提高测试速度。对每个像元(i,j)，分别求出其6250段数据的响应均值

对相邻的均值差分，得到新的差分序列

再对得到的差分结果序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV₆₂₄₉(i,j)}求标准差得到像元波动性参数V_F(i,j)，按式(4)计算：

选取合适的阈值σ₂，对于像元(i,j)，当像元波动性参数V_F(i,j)大于σ₂时，将像元判定波动性闪元。

阈值σ₂的选取与实际测试数据相关，由于闪元波动的随机性，一般认为像元波动性参数V_F(i,j)的分布近似满足正态分布N(μ,σ²)，其中μ为分布的数学期望、σ²为方差，因此结合实际响应数据V_S[(i,j),T₀,f]来设计阈值σ₂，选取任一常像元(i₀,j₀)，对其进行高斯拟合，提取正态分布的σ(i₀,j₀)信息，为了保证检测标准的一致性，σ₂取3σ(i₀,j₀)附近一固定值作为所有像元进行波动性闪元检测的标准，本实施例中的筛选标准为σ₂＝0.5mV，检测到波动性闪元19个。

最终的闪元检测结果通过双重阈值综合得到，对时间噪声闪元与波动性闪元取并集，即得到焦平面闪元测试结果，共计29个闪元，图4(a)-图4(d)给出了正常元与一些闪元50000帧输出信号电压的时域对比图。图5为测试得到的29个闪元的分布图，图5中黑点对应闪元位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据红外焦平面探测器的响应波长，设置面源黑体的温度T₀，并测得红外焦平面探测器在温度T₀下的输出电压；

步骤2、连续采集红外焦平面探测器的F帧响应数据；

步骤3、筛选并剔除焦平面中的盲元；

步骤4、在焦平面剩余像元中，标记像元噪声V_N大于规定阈值σ₁的像元为时间噪声闪元，并记录位置；

步骤5、在焦平面剩余像元中，标记像元波动性参数V_F大于规定阈值σ₂的像元为波动性闪元，并记录位置；

步骤6、对所有的时间噪声闪元和波动性闪元取并集，即为焦平面闪元。

2.根据权利要求1所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，所述步骤3中，筛选并剔除焦平面中的盲元的方法为：

对红外焦平面探测器进行输出信号电压、响应率、噪声计算，按预设的盲元判据筛选盲元，统计死像元数d、过热像元数h，剔除焦平面中的盲元。

3.根据权利要求1所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，所述步骤4中，像元噪声V_N计算公式为：

其中，F为采集的响应数据帧数，V_S[(i,j),T₀,f]为像元(i,j)在T₀温度下第f帧的响应数据，

为像元(i,j)在T₀温度下全部F帧响应数据的均值。

4.根据权利要求3所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，响应数据帧数F≥10000。

5.根据权利要求3所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，所述步骤4中，规定阈值σ₁的计算方法为：

其中，A为常数；

为焦平面平均噪声电压，计算公式为：

其中，M为像元的总列数，N为像元总行数，d为焦平面的死像元数，h为焦平面的过热像元数。

6.根据权利要求1所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，所述步骤5中，像元波动性参数V_F的计算方法为：

步骤5.1、将连续的F帧响应数据分为n段，每段含m帧数据；

步骤5.2、对每个像元(i,j)，分别求出n段数据的响应均值

对相邻的均值差分，/>

得到新的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}；

步骤5.3、对得到的差分序列{ΔV₁(i,j),ΔV₂(i,j),...,ΔV_n-1(i,j)}求标准差得到像元波动性参数V_F(i,j)。

7.根据权利要求6所述的一种基于双重阈值的红外焦平面探测器闪元测试方法，其特征在于，所述步骤5.3中，像元波动性参数V_F(i,j)为：

其中，ΔV_l(i,j)为第(l+1)段与第l段数据的差分结果，

为ΔV_l(i,j)差分序列均值。

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