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针对线阵探测器串扰导致的响应异常、暗信号拖尾的现象,进行了串扰的产生机理分析,建立了复原串扰图像信号波形的RC模型,并在此基础上提出了一种串扰图像复原方法。该方法在串扰RC模型的基础上,以恢复信号正常响应和消除暗信号拖尾为目标,建立了优化目标函数,并以不同频率的靶标响应曲线为基础,对模型参数进行了迭代,获得了各个图像频率下复原综合效果最优时的模型参数。得到串扰模型参数后,计算出相应的复原函数,通过频域运算对图像进行复原。对实验室实测的扫描相机线阵探测器红外图像进行了复原,结果显示,所提算法能有效复原不同图像频率下不同靶标图像的正常响应,降低了拖尾暗信号的影响,提升了图像质量。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于
RC
模型的线阵探测器串扰图像复原方法
杨 天 远
,
余 恭 敏
,
杨 小 乐
,
行 麦 玲
,
周 峰
北京空间机电研究所
北京
摘要
针对线阵探测器串扰导致的响应异常
暗信号拖尾的现象
进行了串扰的产 生机 理分析
建立 了复 原串扰 图
像信号波形的
模型
并在此基础上提出了一种串扰图像复原方法
该方法在串扰
模型的 基础 上
以恢 复信
号正常响应和消除暗信号拖尾为目标
建立了优化目标函数
并以不同频率的靶标 响应 曲线为 基础
对模 型参 数进
行了迭代
获得了各个图像频率下复原综合效果最 优时 的模 型 参数
得 到串 扰模 型 参数 后
计 算出 相应 的 复原 函
数
通过频域运算对图像进行复原
对实验室实测的扫描相机线阵探测器红外图 像进 行了复 原
结果 显示
所提 算
法能有效复原不同图像频率下不同靶标图像的正常响应
降低了拖尾暗信号的影响
提升了图像质量
关键词
探测器
线阵探测器
信号串扰
图像复原
频域运算
中图分类号
文献标志码
doi
Method
for
Crosstalk
Ima
g
e
Restoration
of
Linear
Arra
y
Detector
Based
on
RC
model
Bei
j
in
g
Institute
o
f
S
p
ace
Mechanics
&
Electricit
y
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIS
codes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金青年科学基金
E-mail
引
言
信号 串扰广泛存 在于各类成 像系统中
串扰的
产生原因有多种
有光串扰和电子串扰等
在各
类串扰中
探测器电子串扰是典型的一类
在探
测器读出电路以及 相应的视 频 电路中
都有可能 产
生信号串扰
随着集成电路技术的迅猛发展和应用
需求的提高
电子仪器和设备的集成度越来越高
尤
其是天基红外系统探测器
其设计规模不断增大
读
出电路的功能越 来 越复杂
灵敏度越 来 越 高
虽
然在设计时充分考 虑了相应 的 串扰控制 措 施
但是
由于电路规模和复 杂性等原 因
信号串扰 仍 难以完
全消除
对于高灵 敏度探测 系 统
信号串扰 的 影响
更为严重
针对 不同类型的 探测器串扰
可设计对应 的串
扰控制措施
金革等
提出通过加 强电源滤波
不
同通道采用差异化 器件
杂散辐射 屏 蔽等方式 减 少
多通道信号系统的串扰
李大宇等
对由探测元 间
光
学
学
报
的接地电阻引起的多元红外光导探测器的电子学串
音进行了分析
提出需要通过减小接地电阻的阻抗
增大偏置电路的电阻等方式来降低电子学串扰
对
无法抑制的图像串 扰
可采取相 应 的方法进 行 图像
复原
针对中分辨率成像光谱仪
图 像 的
串扰问题
等
提 出 了 基 于 线 性 近 似 和 月 球
观测的串扰订正算 法
改进的非 线 性系数串 扰 订正
算法等
针对某推 扫型高光 谱 相机的串 扰 现象
陶
东兴等
利用白色定标地物对串扰 进行标定
消除
了串 扰 对 光 谱 维 和 空 间 维 数 据 的 影 响
陈 慧 伟
等
利用建立的通道间串扰的相关 性模型
对某多
光谱相机的通道间串扰进行了修正
针对风云三号
卫星
信 号 串 扰
肖 达 等
基 于 月
球点光源成像特性
采用线性 近 似订正算 法 进行了
图像修正
上述方 法从图像 串 扰现象出 发
建立了
相应的假设模型
并依据图 像 统计的方 法 进行了模
型参数修正
但大多 数 方法中的 复 原模型与 串 扰机
理相关性不强
本文分析了 线阵探测器 图像串扰产 生的原因
针对性地提出了基于电阻
电容
系统的串扰 图
像数学模型
进一步建立了图像串扰的修正方法
并
通过实验室测试 图 像进行了 验 证
经验证
所提方
法对寄生电容产生的探测器串扰图像具有较好的复
原效果
线阵探测器串扰模型
21
现象描述
图
扫描线阵相机的杆靶标图像
利用 某扫描型红 外相机对靶 标进行成像
成像
结果如图
所示
其中横轴 方 向对应不 同 的探测器
像元
纵轴方向对应每 个 像元的时 间 序列图像
在
扫描方向上
能量均 匀 分布的杆 靶 标区域经 成 像系
统后能量分布变得不均匀
同时
杆靶标出现了暗信
号拖尾现象
由于 图像经过 减 底处理
拖尾区域 的
数字量化值
为负值
图
中
号探测器像 元对杆靶标 的成像结果
如图
所示
可以 看出
杆靶标的 响 应和杆靶 标 后
端的本底响应均变 得不正常
正常的图 像 响应信号
受到了串扰
图
探测器像元对杆靶标的响应
探测 器串扰对图 像质量的影 响主要有两 点
一
方面
串扰会对靶标自身的响应产生影响
使其无法
正常对应物方
另外一方面
在响应较高区域的后面
有暗影
这会影响暗影 处 的物方响 应
这些现象 严
重影响了相机的辐 射和几何 标 定
严重时会 造 成图
像信息的缺失
2.2RC
系统的串扰模型
经分 析
上述信号串 扰是由探测 器电路的寄 生
电容引起的
所研 究 相机具有 线 阵探测器 规 模大
读出电路功能复杂
电路元件 布 局紧凑和 响 应灵敏
度高等特点
虽然在 设 计时充分 考 虑了电路 板 的布
局
但寄生电容产生的 影 响仍难以 完 全消除
针对
寄生 电 容 对 探 测 器 输 出 电 平 的 影 响
可 以 采 用
模型进行描述
如图
所示
其中
R
C
分别为电 阻
和电容值
Q
为零时刻的电容器的电荷
e
t
为输
入电压
e
t
为输出电压
i
t
为电流
t
为时刻
图
模型
此时输入电压及输出电压分别为
e
t
=
C
t
i
t
t
+
Q
C
+
i
t
R
e
t
=
i
t
R
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