【阅读笔记】红外探测器盲元国标标准及盲元识别

1、盲元定义

盲元的定义：盲元是红外焦平面探测器中响应过高或过低的探测单元，即无法准确成像的像元。盲元主要分为噪声盲元和响应率差异盲元两大类。

线阵红外探测器应用中，经常存在相邻的像元之间响应率有明显差异，其灰度响应输出不均匀，在扫描成像时会呈现明暗条纹的现象。

1.1 死、热像元

死像元相对于其他像元响应明显较低或者无响应，在进行扫描成像时，死像元会表现为黑条纹（白热模式），热像元相对于其他像元响应明显较高或者响应为满阱值，在进行扫描成像时，热像元会表现为白条纹（白热模式）。

1.2 闪元（时域盲元）

噪声像元是指自身的响应在时域空间内波动较大的像元，也叫闪元。时域盲元是指探测器受到恒定背景照射时输出信号电压随时间变化而突变的像元。这种盲元需要采集多帧图像，根据帧间的数据特征识别出来。将每个像元的输出电平与时间作一条曲线。当该曲线上有突变值时，这个像元就是时域盲元或闪元。

以上图为例，横坐标是某个像元的1000帧数据，同个像元1000帧间响应有高有低，当响应超过平均响应的一定范围则为异常像元。

1.3 空域盲元

将线列组件的空间盲元定义为相邻元之间响应差异较大的像元。在根据国标剔除响应率盲元后，还会有一些像元的输出比相邻像元高或者低。此时在电平图上表现为凹凸。它们虽然不是盲元，但成像后的灰度值也会有明显差异

以上图为例，横坐标是探测器的一行1000个像元数据，像元响应有高有低，当响应超过平均响应的一定范围则为异常像元。

2、测试环境

焦平面参数测试系统由双面源黑体、驱动电路和计算机等组成。具体的测试条件如下：

（1）面源黑体的发射率大于0.95；

（2）黑体源的温度稳定性小于±1K，输出不加调制；

（3）黑体辐射面与二代红外焦平面探测器窗口的距离小于2cm，以保证面源均匀辐照并充满探测器视场；

（4）二代红外焦平面探测器的输出信号电压经放大后不得超过A/D采集卡的采集范围；

（5）检测设备需在检定有效期内。

以上是文章的测试环境，目的就是黑体源的输出是均匀的、稳定的。因为要采集多帧数据，探测器靶面接收到的信号必须是均匀稳定的。

3、盲元检测研究

3.1 国标盲元定义

在 GB/T17444-2013中，死像元的判据是其响应率小于平均响应率的1/2，噪声像元的判据是其噪声电压大于平均噪声电压的2倍。

以下公式是作者使用的响应率的计算公式：

$R(i,j)=\frac{V_{s}(i,j)}{P}\\ P=\frac{\sigma(T^{4}-T_{0}^{4})}{4(L/D)^2+n}$

其中， $V_{s}(i,j)$ 是像元输出信号(单位为mV)； $T$ 和 $T_0$ 为黑体温度（单位为Ｋ）；

$P$ 为在黑体温度 $T$ 和 $T_0$ 辐照条件下入射到像元的辐照功率差； $\sigma$ 为斯特藩常数， $\sigma＝5.673*10^{-12}$ W/(cm^2*K4)；

$D$ 为冷屏圆孔径(单位为cm)； $A_D$ 为像元面积（单位为平方厘米）； $L$ 为冷屏面到焦平面之间的垂直距离。当 $L / D$ 大于１时，n为１；当 $L / D$ 小于等于１时，n为0。

3.2 时域噪声盲元计算

计算出每个像元100帧输出信号的平均值，即多帧均值，一般情况大于10帧即可，帧数越多误判越少。

$U(i,j)=\frac{1}{100}\sum_{k=1}^{100}U(i,j,k)$

当探测器是面阵， $i, j$ 表示像元坐标；当探测器是线阵， $i = 1$ ，而 $j$ 表示像元坐标；k表示帧数。

噪声信号求的是每帧信号与对应像元多帧均值的差异，表示如下：

$N(i,j)=\frac{1}{100}\sqrt{\sum_{k=1}^{100}(N(i,j,k)-N(i,j))^2}$

全局噪声均值表示如下：

$N_{mean}=\frac{\sum{N(i,j)}}{num}$

num表示单帧像元总数。

计算出每个像元100帧内的最大值 $U_{max}(i,j)$ 和最小值 $U_{min}(i,j)$

根据以下公式区别正常像元、时域软盲元和时域硬盲元

$正常像元：\frac{U_{max}(i,j)-U_{min}(i,j)}{N_{mean}}<=1.5\\ 时域软盲元：1.5<\frac{U_{max}(i,j)-U_{min}(i,j)}{N_{mean}}<=3\\ 时域硬盲元：\frac{U_{max}(i,j)-U_{min}(i,j)}{N_{mean}}>3\\$

比值小于1.5的为正常像元，大于3的是时域硬盲元（加入盲元表），在1.5与3之间的是时域软盲元（与其他判据共同判定是否为盲元，最好能根据实际探测器判别阈值参数的合理性）。

4、盲元判断

长波红外探测器的加工工艺或者感光原理，导致闪线等不同种类的盲元增多，新方法的盲元判别率明显高于国标检测方法，且与国标检测得到的盲元也有很多差异，说明盲元种类需要不同的判据来识别。

再一个，长波红外器件在时域和空域的稳定性都不如中波器件。针对长波红外探测器需要不同判据相结合来筛选盲元。

5、参考文献

线列红外探测器盲元检测技术研究