一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法與流程
2023-12-01 03:56:51 2
本發明屬於紅外成像技術領域，具體涉及一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法。
背景技術：
隨著多光譜成像技術在遙感領域的發展，紅外長線列TDI探測器逐步成為重要的遙感載荷，通過掛載在飛機上進行擺掃，TDI探測器可實現大幅寬、高解析度的對地觀測。傳統掃描機構多採用單向掃描技術，回掃期或消隱期並不成像。為了提高探測效率，近年來，擺掃型成像載荷向雙向掃描成像方向發展，在垂直於載體運動方向的平面內實現雙向掃描，掃描正程與逆程均成像，為此探測器生產廠家也隨之為TDI探測器集成了雙向延遲積分特性，用戶可通過配置接口實時調整TDI積分方向，使其與掃描方向匹配，從而完成雙向掃描成像。
定標(非均勻校正)一直都是改善紅外探測器非均勻性的主要手段，理想的TDI探測器對於同一景物正掃與反掃的結果應該相同，工作過程中採用一組定標係數即可，但由於製造材料與工藝水平的限制，TDI像元在改變掃描方向後，積分方向與信號讀出路徑均成為影響像元非均勻性的因素，實踐證明，採用一組係數無法達到理想的校正效果，為改善TDI探測器雙向成像效果，必須每個掃描方向對應一組校正係數。同時，由於國產紅外TDI探測器非均勻性更明顯，像元穩定性欠佳，實驗室定標係數在重開機後校正效果顯著退化使得實時定標成為解決國產紅外TDI探測器理想手段之一。
因此，目前針對國產紅外TDI探測器，迫切需要提出一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，實踐證明該思路可顯著降低探測器非均勻性。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是：如何克服現有技術的不足，如何提出一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法。
(二)技術方案
為解決上述技術問題，本發明提供一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，其利用實時定標裝置與圖像預處理裝置相互配合獲取雙向非均勻校正係數；
其中，所述實時定標裝置用於完成定標黑體參考源溫度的控制與黑體參考源切入切出成像光路的控制；所述圖像預處理裝置用於完成探測器的控制、圖像的採集、定標流程控制與實時校正係數計算；
所述實時定標裝置包括：通訊模塊、黑體參考源產生模塊、定標機構、定標機構驅動模塊、定標同步信號發送模塊；其中，所述通訊模塊用於接收上位機發送的實時定標命令；所述黑體參考源產生模塊用於產生恆定溫度的定標參考源，在參考源溫度穩定後發送參考源就緒信號；所述定標機構是用於將參考源送入或撤出光路的機械結構；所述定標機構驅動模塊用於在接收到黑體參考源產生模塊產生的參考源就緒信號後驅動定標機構將參考源切入光路，達到設定時間後，再驅動定標機構撤出光路，在定標機構切入光路後由定標同步信號發送模塊向圖像預處理裝置發送定標同步信號；
所述圖像預處理裝置包括：圖像採集模塊、探測器控制模塊、定標流程控制模塊、定標數據採集模塊、校正係數計算存儲模塊、校正係數調用模塊；其中，所述圖像採集模塊用於探測器成像數據的採集；所述探測器控制模塊用於調整探測器工作模式；所述定標流程控制模塊用於接收實時定標裝置發送的定標同步信號，並通過定標同步信號的特徵判斷此次切入光路的參考源類型，即高溫參考源或低溫參考源，產生正向與反向定標使能信號；所述定標數據採集模塊用於接收定標流程控制模塊發來的定標使能信號，開始採集定標原始數據實時求取像元平均值，採集結束後發送採集結束信號；所述校正係數計算存儲模塊用於接收到定標數據採集模塊發送的採集結束信號後開始計算校正係數並將計算結果存儲於本地RAM中；所述校正係數調用模塊用於通過接收上位機的定標使能命令調用計算得到的係數；
具體而言，所述一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，其包括如下步驟：
步驟S1：紅外TDI掃描成像系統啟動，採集紅外圖像，由上位機發送實時定標命令；
步驟S2：所述實時定標裝置的通訊模塊接收到實時定標命令，黑體參考源產生模塊控制參考源達到低溫參考溫度，溫度穩定後，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，等待成像進入消隱期後驅動定標機構切入成像光路，定標同步信號發送模塊發送低溫定標同步信號；
步驟S3：所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟S2中產生的低溫定標同步信號，產生當前掃描方向即正向的低溫定標使能信號，定標數據採集模塊接收到低溫定標使能開始採集正向低溫參考源數據並實時計算像元平均值，將計算結果存儲於本地正向低溫定標數據RAM中，採集完成後，定標流程控制模塊產生轉向脈衝信號；
步驟S4：所述轉向脈衝信號改變探測器掃描方向並重新啟動圖像預處理裝置中的圖像採集模塊，重新開始採集圖像，產生反向定標使能信號，採集該方向低溫參考源數據並計算像元平均值，將計算結果存儲於本地反向低溫定標數據RAM中；
步驟S5：所述定標機構達在下次成像有效期到來之前由定標機構驅動模塊驅動撤出成像光路，黑體參考源產生模塊控制參考源達到高溫參考溫度，溫度穩定後，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，等待成像進入消隱期後驅動定標機構切入成像光路，定標同步信號發送模塊發送低溫定標同步信號；
步驟S6：所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟S5中產生的高溫定標同步信號，產生正向高溫定標使能信號，定標數據採集模塊採集高溫參考源數據，實時計算像元平均值並將計算結果存儲於本地正向高溫定標數據RAM中，採集完成後，定標流程控制模塊產生轉向脈衝信號；
步驟S7：所述圖像預處理裝置按照步驟S4的過程採集反向高溫參考源數據，實時計算像元平均值並將計算結果存儲至本地反向高溫定標數據RAM中，定標機構撤出光路；
步驟S8：高溫參考數據採集完畢標誌著一次兩點實時定標數據採集的結束，在高溫定標使能結束後，所述定標數據採集模塊發送採集結束信號，校正係數計算模塊接收到採集結束信號後，開始利用存儲於本地RAM的雙向高低溫參考像元平均值進行兩點非均勻校正係數的計算；
步驟S9：計算完成後將參數存儲於本地校正係數RAM中，用戶通過上位機發送校正使能命令啟動校正係數調用模塊，觀察圖像校正效果。
(三)有益效果
與現有技術相比較，本發明具備如下有益效果：
(1)實時性高，用戶在觀察到圖像退化時即可啟動實時校正功能，校正過程無需人為參與，自動實現，實時校正在定標機構兩次切入切出後判斷為一次實時定標結束，用戶此時使能實時校正功能便可觀察校正效果；
(2)雙向校正效果好，流程簡單，結果有效，針對TDI雙向掃描特性，通過消隱期進行採集轉向操作實現一次定標機構切入完成兩個方向定標數據採集的功能，並能夠實現掃描方向與定標參數的嚴格對應，採集的數據為多幀數據的平均值，噪聲低，可直接用於校正係數計算；
(3)定標方式可選，用戶可選擇手動實時定標方式或自動實時定標方式，自動實時定標每隔固定時間進行一次定標，實時補償均勻性退化；
(4)不影響正常成像流程，單程掃描周期由啟動掃描、機構加速、勻速掃描、機構減速、掃描結束組成，勻速掃描區為成像區域，實時定標在成像消隱期(非勻速掃描區)完成，不影響正常成像。
附圖說明
圖1是一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法的系統組成圖。
圖2是實時定標流程圖。
圖3是掃描時序示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
為解決現有技術的問題，本發明提供一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，如圖1-圖3所示，其利用實時定標裝置與圖像預處理裝置相互配合獲取雙向非均勻校正係數；
其中，所述實時定標裝置用於完成定標黑體參考源溫度的控制與黑體參考源切入切出成像光路的控制；所述圖像預處理裝置用於完成探測器的控制、圖像的採集、定標流程控制與實時校正係數計算；
所述實時定標裝置包括：通訊模塊、黑體參考源產生模塊、定標機構、定標機構驅動模塊、定標同步信號發送模塊；其中，所述通訊模塊用於接收上位機發送的實時定標命令；所述黑體參考源產生模塊用於產生恆定溫度的定標參考源，在參考源溫度穩定後發送參考源就緒信號；所述定標機構是用於將參考源送入或撤出光路的機械結構；所述定標機構驅動模塊用於在接收到黑體參考源產生模塊產生的參考源就緒信號後驅動定標機構將參考源切入光路，達到設定時間後，再驅動定標機構撤出光路，在定標機構切入光路後由定標同步信號發送模塊向圖像預處理裝置發送定標同步信號；
所述圖像預處理裝置包括：圖像採集模塊、探測器控制模塊、定標流程控制模塊、定標數據採集模塊、校正係數計算存儲模塊、校正係數調用模塊；其中，所述圖像採集模塊用於探測器成像數據的採集；所述探測器控制模塊用於調整探測器工作模式；所述定標流程控制模塊用於接收實時定標裝置發送的定標同步信號，並通過定標同步信號的特徵判斷此次切入光路的參考源類型，即高溫參考源或低溫參考源，產生正向與反向定標使能信號；所述定標數據採集模塊用於接收定標流程控制模塊發來的定標使能信號，開始採集定標原始數據實時求取像元平均值，採集結束後發送採集結束信號；所述校正係數計算存儲模塊用於接收到定標數據採集模塊發送的採集結束信號後開始計算校正係數並將計算結果存儲於本地RAM中；所述校正係數調用模塊用於通過接收上位機的定標使能命令調用計算得到的係數；
具體而言，所述一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，其包括如下步驟：
步驟S1：紅外TDI掃描成像系統啟動，採集紅外圖像，由上位機發送實時定標命令；
步驟S2：所述實時定標裝置的通訊模塊接收到實時定標命令，黑體參考源產生模塊控制參考源達到低溫參考溫度，溫度穩定後，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，等待成像進入消隱期後驅動定標機構切入成像光路，定標同步信號發送模塊發送低溫定標同步信號；
步驟S3：所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟S2中產生的低溫定標同步信號，產生當前掃描方向即正向的低溫定標使能信號，定標數據採集模塊接收到低溫定標使能開始採集正向低溫參考源數據並實時計算像元平均值，將計算結果存儲於本地正向低溫定標數據RAM中，採集完成後，定標流程控制模塊產生轉向脈衝信號；
步驟S4：所述轉向脈衝信號改變探測器掃描方向並重新啟動圖像預處理裝置中的圖像採集模塊，重新開始採集圖像，產生反向定標使能信號，採集該方向低溫參考源數據並計算像元平均值，將計算結果存儲於本地反向低溫定標數據RAM中；
步驟S5：所述定標機構達在下次成像有效期到來之前由定標機構驅動模塊驅動撤出成像光路，黑體參考源產生模塊控制參考源達到高溫參考溫度，溫度穩定後，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，等待成像進入消隱期後驅動定標機構切入成像光路，定標同步信號發送模塊發送低溫定標同步信號；
步驟S6：所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟S5中產生的高溫定標同步信號，產生正向高溫定標使能信號，定標數據採集模塊採集高溫參考源數據，實時計算像元平均值並將計算結果存儲於本地正向高溫定標數據RAM中，採集完成後，定標流程控制模塊產生轉向脈衝信號；
步驟S7：所述圖像預處理裝置按照步驟S4的過程採集反向高溫參考源數據，實時計算像元平均值並將計算結果存儲至本地反向高溫定標數據RAM中，定標機構撤出光路；
步驟S8：高溫參考數據採集完畢標誌著一次兩點實時定標數據採集的結束，在高溫定標使能結束後，所述定標數據採集模塊發送採集結束信號，校正係數計算模塊接收到採集結束信號後，開始利用存儲於本地RAM的雙向高低溫參考像元平均值進行兩點非均勻校正係數的計算；
步驟S9：計算完成後將參數存儲於本地校正係數RAM中，用戶通過上位機發送校正使能命令啟動校正係數調用模塊，觀察圖像校正效果。
實施例
如圖1所示，一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標系統，包括紅外TDI探測器、光學系統、實時定標裝置、圖像預處理裝置、上位機。
所述的紅外TDI探測器與光學系統通過擺掃方式將反映景物信息的光信號轉換為電信號，是遙感領域的有效載荷；
所述的實時定標裝置包括通訊模塊、黑體參考源產生模塊、定標機構、定標機構驅動模塊、定標同步信號發送模塊，由單片機實現模塊控制，通訊模塊用於接收上位機發送的定標命令，黑體參考源產生模塊用於產生恆定溫度的定標參考源，在參考源溫度穩定後發送參考源就緒信號，定標機構是用於將參考源送入或撤出光路的機械結構，定標機構驅動模塊接收到黑體參考源產生模塊產生的參考源就緒信號後驅動定標機構將參考源切入光路，達到設定時間後，再驅動定標機構撤出光路，在定標機構切入光路後由定標同步信號發送模塊向圖像預處理裝置發送定標同步信號。
所述的圖像預處理裝置包括圖像採集模塊、探測器控制模塊、定標流程控制模塊、定標數據採集模塊、校正係數計算存儲模塊、校正係數調用模塊，圖像採集模塊用於探測器成像數據的採集，探測器控制模塊用於調整探測器工作參數，定標流程控制模塊用於接收實時定標裝置發送的定標同步信號，並通過同步信號的特徵判斷此次切入光路的參考源類型(高溫或低溫)，產生正向與反向定標使能信號，定標數據採集模塊接收定標流程控制模塊發來的定標使能信號開始採集定標原始數據實時求取像元平均值，採集結束後發送採集結束信號，校正係數計算存儲模塊接收到定標數據採集模塊發送的採集結束信號後開始計算校正係數並將計算結果存儲於本地RAM中，校正係數調用模塊通過接收上位機的定標使能命令調用計算得到的係數。圖像預處理裝置以FPGA作為主控晶片，負責完成探測器控制信號產生，模數轉換晶片配置及圖像數據採集，定標同步信號的接收及雙向定標流程控制，定標數據採集及校正係數的調用，FPGA為並行數據處理結構，使用FPGA進行雙向定標時序控制時序關係明確、實時性高，利用其流水線的工作特點進行數據採集，採集數據的同時即可進行數據的累加與平均，採集完成後即得到像元平均值，無需開闢大塊RAM進行數據緩存，數據處理流程簡單有效。同時，利用FPGA支持的嵌入式軟核單片機實現校正係數計算與存儲，可大大簡化數據交互接口。
所述上位機用於圖像的採集顯示以及控制命令的發送。
如圖2所示，一種基於紅外TDI探測器雙向掃描特性的實時定標方法，具體實現步驟如下：
(1)紅外TDI掃描成像系統啟動，採集紅外圖像，由上位機發送實時定標命令；
(2)所述實時定標裝置的通訊模塊接收到實時定標命令，黑體參考源產生模塊按照用戶設定值控制參考源達到低溫參考溫度，單片機通過統計算法判斷溫度穩定在一定閾值範圍內，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，在掃描機構進入成像消隱期(非勻速掃描區)驅動定標機構切入成像光路，待切入穩定後定標同步信號發送模塊發送低溫定標同步脈衝，脈衝寬度為A；
(3)所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟(2)中產生的低溫定標同步信號A，通過脈衝寬度判斷此次切入參考源的類型，脈寬為A，則此時切入參考源為低溫參考源，產生當前掃描方向(正向)的低溫定標使能信號，定標數據採集模塊接收到低溫定標使能開始採集正向低溫參考源數據並實時計算像元平均值，將計算結果存儲於本地正向低溫定標數據RAM中，採集完成後，定標流程控制模塊產生轉向脈衝信號；
(4)轉向脈衝信號改變探測器掃描方向並重新啟動圖像預處理裝置中的圖像採集模塊，重新開始採集圖像，產生反向定標使能信號，採集該方向低溫參考源數據並計算像元平均值，將計算結果存儲於本地反向低溫定標數據RAM中，該方式重啟圖像採集流程，相比直接改變探測器掃描方向進行採集的方式，避免了因突變掃描方向可能出現的成像不穩定狀態；
(5)定標機構達到設定時間，在下次成像有效期到來之前，由定標機構驅動模塊驅動撤出成像光路，一次切入完成了兩個方向低溫定標數據的採集，黑體參考源產生模塊開始控制參考源達到高溫參考溫度，採用步驟(2)中方法判斷溫度穩定後，發送參考源就緒信號，定標機構驅動模塊接收參考源就緒信號，等待成像進入消隱期後驅動定標機構切入成像光路，定標同步信號發送模塊發送高溫定標同步信號B；
(6)所述圖像預處理裝置中的定標流程控制模塊接收到步驟(5)中產生的高溫定標同步信號B，判斷此時切入參考源為高溫參考源，利用與步驟(3)-步驟(4)相同的過程採集雙向高溫參考源數據並存儲至本地正、反向高溫定標數據RAM中，定標機構達到設定時間，在下次成像有效期到來之前，由定標機構驅動模塊驅動撤出成像光路；
(7)高溫參考數據採集完畢標誌著一次兩點實時定標數據採集的結束，在高溫定標使能結束後，定標數據採集模塊發送採集結束信號，校正係數計算模塊接收到採集結束信號後，開始利用存儲於本地RAM的雙向高低溫參考像元平均值進行兩點非均勻係數的計算；
(8)計算完成後將參數存儲於本地校正係數RAM中，用戶通過上位機發送校正使能命令啟動校正係數調用模塊，觀察圖像校正效果。
如圖3所示，掃描機構掃描過程由正掃與反掃兩部分構成，單程掃描周期由啟動掃描、機構加速、勻速掃描、機構減速、掃描結束組成，其中僅勻速掃描過程為有效掃描成像時段，所述圖像預處理裝置為探測器設定的數據輸出時間覆蓋勻速掃描區與部分非勻速掃描區，實時定標數據採集發生在非勻速掃描區，如在該數據輸出區域接收到定標同步信號便可進行參考源數據的採集。實時定標過程發生在非勻速成像區，所以此時實時定標不影響有效成像。
所述實時定標裝置的定標機構，其切入光路總是發生在掃描機構掃描的同一位置處，其切入時間點與TDI掃描方向有著確定的對應關係，這也為所述預處理裝置確定參考源數據的方向提供了判斷依據。
根據系統工作需要，還可以設置自動實時定標模式，上位機發送自動實時定標命令後，所述實時定標裝置與所述圖像預處理裝置會按照每固定間隔時間為周期進行自動實時定標數據採集與圖像校正，以補償雙向掃描TDI探測器均勻性的退化。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。