一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法与流程

本发明属于红外成像技术领域，具体涉及一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法。

背景技术：

随着多光谱成像技术在遥感领域的发展，红外长线列TDI探测器逐步成为重要的遥感载荷，通过挂载在飞机上进行摆扫，TDI探测器可实现大幅宽、高分辨率的对地观测。传统扫描机构多采用单向扫描技术，回扫期或消隐期并不成像。为了提高探测效率，近年来，摆扫型成像载荷向双向扫描成像方向发展，在垂直于载体运动方向的平面内实现双向扫描，扫描正程与逆程均成像，为此探测器生产厂家也随之为TDI探测器集成了双向延迟积分特性，用户可通过配置接口实时调整TDI积分方向，使其与扫描方向匹配，从而完成双向扫描成像。

定标(非均匀校正)一直都是改善红外探测器非均匀性的主要手段，理想的TDI探测器对于同一景物正扫与反扫的结果应该相同，工作过程中采用一组定标系数即可，但由于制造材料与工艺水平的限制，TDI像元在改变扫描方向后，积分方向与信号读出路径均成为影响像元非均匀性的因素，实践证明，采用一组系数无法达到理想的校正效果，为改善TDI探测器双向成像效果，必须每个扫描方向对应一组校正系数。同时，由于国产红外TDI探测器非均匀性更明显，像元稳定性欠佳，实验室定标系数在重开机后校正效果显著退化使得实时定标成为解决国产红外TDI探测器理想手段之一。

因此，目前针对国产红外TDI探测器，迫切需要提出一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，实践证明该思路可显著降低探测器非均匀性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服现有技术的不足，如何提出一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，其利用实时定标装置与图像预处理装置相互配合获取双向非均匀校正系数；

其中，所述实时定标装置用于完成定标黑体参考源温度的控制与黑体参考源切入切出成像光路的控制；所述图像预处理装置用于完成探测器的控制、图像的采集、定标流程控制与实时校正系数计算；

所述实时定标装置包括：通讯模块、黑体参考源产生模块、定标机构、定标机构驱动模块、定标同步信号发送模块；其中，所述通讯模块用于接收上位机发送的实时定标命令；所述黑体参考源产生模块用于产生恒定温度的定标参考源，在参考源温度稳定后发送参考源就绪信号；所述定标机构是用于将参考源送入或撤出光路的机械结构；所述定标机构驱动模块用于在接收到黑体参考源产生模块产生的参考源就绪信号后驱动定标机构将参考源切入光路，达到设定时间后，再驱动定标机构撤出光路，在定标机构切入光路后由定标同步信号发送模块向图像预处理装置发送定标同步信号；

所述图像预处理装置包括：图像采集模块、探测器控制模块、定标流程控制模块、定标数据采集模块、校正系数计算存储模块、校正系数调用模块；其中，所述图像采集模块用于探测器成像数据的采集；所述探测器控制模块用于调整探测器工作模式；所述定标流程控制模块用于接收实时定标装置发送的定标同步信号，并通过定标同步信号的特征判断此次切入光路的参考源类型，即高温参考源或低温参考源，产生正向与反向定标使能信号；所述定标数据采集模块用于接收定标流程控制模块发来的定标使能信号，开始采集定标原始数据实时求取像元平均值，采集结束后发送采集结束信号；所述校正系数计算存储模块用于接收到定标数据采集模块发送的采集结束信号后开始计算校正系数并将计算结果存储于本地RAM中；所述校正系数调用模块用于通过接收上位机的定标使能命令调用计算得到的系数；

具体而言，所述一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，其包括如下步骤：

步骤S1：红外TDI扫描成像系统启动，采集红外图像，由上位机发送实时定标命令；

步骤S2：所述实时定标装置的通讯模块接收到实时定标命令，黑体参考源产生模块控制参考源达到低温参考温度，温度稳定后，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，等待成像进入消隐期后驱动定标机构切入成像光路，定标同步信号发送模块发送低温定标同步信号；

步骤S3：所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤S2中产生的低温定标同步信号，产生当前扫描方向即正向的低温定标使能信号，定标数据采集模块接收到低温定标使能开始采集正向低温参考源数据并实时计算像元平均值，将计算结果存储于本地正向低温定标数据RAM中，采集完成后，定标流程控制模块产生转向脉冲信号；

步骤S4：所述转向脉冲信号改变探测器扫描方向并重新启动图像预处理装置中的图像采集模块，重新开始采集图像，产生反向定标使能信号，采集该方向低温参考源数据并计算像元平均值，将计算结果存储于本地反向低温定标数据RAM中；

步骤S5：所述定标机构达在下次成像有效期到来之前由定标机构驱动模块驱动撤出成像光路，黑体参考源产生模块控制参考源达到高温参考温度，温度稳定后，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，等待成像进入消隐期后驱动定标机构切入成像光路，定标同步信号发送模块发送低温定标同步信号；

步骤S6：所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤S5中产生的高温定标同步信号，产生正向高温定标使能信号，定标数据采集模块采集高温参考源数据，实时计算像元平均值并将计算结果存储于本地正向高温定标数据RAM中，采集完成后，定标流程控制模块产生转向脉冲信号；

步骤S7：所述图像预处理装置按照步骤S4的过程采集反向高温参考源数据，实时计算像元平均值并将计算结果存储至本地反向高温定标数据RAM中，定标机构撤出光路；

步骤S8：高温参考数据采集完毕标志着一次两点实时定标数据采集的结束，在高温定标使能结束后，所述定标数据采集模块发送采集结束信号，校正系数计算模块接收到采集结束信号后，开始利用存储于本地RAM的双向高低温参考像元平均值进行两点非均匀校正系数的计算；

步骤S9：计算完成后将参数存储于本地校正系数RAM中，用户通过上位机发送校正使能命令启动校正系数调用模块，观察图像校正效果。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)实时性高，用户在观察到图像退化时即可启动实时校正功能，校正过程无需人为参与，自动实现，实时校正在定标机构两次切入切出后判断为一次实时定标结束，用户此时使能实时校正功能便可观察校正效果；

(2)双向校正效果好，流程简单，结果有效，针对TDI双向扫描特性，通过消隐期进行采集转向操作实现一次定标机构切入完成两个方向定标数据采集的功能，并能够实现扫描方向与定标参数的严格对应，采集的数据为多帧数据的平均值，噪声低，可直接用于校正系数计算；

(3)定标方式可选，用户可选择手动实时定标方式或自动实时定标方式，自动实时定标每隔固定时间进行一次定标，实时补偿均匀性退化；

(4)不影响正常成像流程，单程扫描周期由启动扫描、机构加速、匀速扫描、机构减速、扫描结束组成，匀速扫描区为成像区域，实时定标在成像消隐期(非匀速扫描区)完成，不影响正常成像。

附图说明

图1是一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法的系统组成图。

图2是实时定标流程图。

图3是扫描时序示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，如图1-图3所示，其利用实时定标装置与图像预处理装置相互配合获取双向非均匀校正系数；

其中，所述实时定标装置用于完成定标黑体参考源温度的控制与黑体参考源切入切出成像光路的控制；所述图像预处理装置用于完成探测器的控制、图像的采集、定标流程控制与实时校正系数计算；

所述实时定标装置包括：通讯模块、黑体参考源产生模块、定标机构、定标机构驱动模块、定标同步信号发送模块；其中，所述通讯模块用于接收上位机发送的实时定标命令；所述黑体参考源产生模块用于产生恒定温度的定标参考源，在参考源温度稳定后发送参考源就绪信号；所述定标机构是用于将参考源送入或撤出光路的机械结构；所述定标机构驱动模块用于在接收到黑体参考源产生模块产生的参考源就绪信号后驱动定标机构将参考源切入光路，达到设定时间后，再驱动定标机构撤出光路，在定标机构切入光路后由定标同步信号发送模块向图像预处理装置发送定标同步信号；

所述图像预处理装置包括：图像采集模块、探测器控制模块、定标流程控制模块、定标数据采集模块、校正系数计算存储模块、校正系数调用模块；其中，所述图像采集模块用于探测器成像数据的采集；所述探测器控制模块用于调整探测器工作模式；所述定标流程控制模块用于接收实时定标装置发送的定标同步信号，并通过定标同步信号的特征判断此次切入光路的参考源类型，即高温参考源或低温参考源，产生正向与反向定标使能信号；所述定标数据采集模块用于接收定标流程控制模块发来的定标使能信号，开始采集定标原始数据实时求取像元平均值，采集结束后发送采集结束信号；所述校正系数计算存储模块用于接收到定标数据采集模块发送的采集结束信号后开始计算校正系数并将计算结果存储于本地RAM中；所述校正系数调用模块用于通过接收上位机的定标使能命令调用计算得到的系数；

具体而言，所述一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，其包括如下步骤：

步骤S1：红外TDI扫描成像系统启动，采集红外图像，由上位机发送实时定标命令；

步骤S2：所述实时定标装置的通讯模块接收到实时定标命令，黑体参考源产生模块控制参考源达到低温参考温度，温度稳定后，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，等待成像进入消隐期后驱动定标机构切入成像光路，定标同步信号发送模块发送低温定标同步信号；

步骤S3：所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤S2中产生的低温定标同步信号，产生当前扫描方向即正向的低温定标使能信号，定标数据采集模块接收到低温定标使能开始采集正向低温参考源数据并实时计算像元平均值，将计算结果存储于本地正向低温定标数据RAM中，采集完成后，定标流程控制模块产生转向脉冲信号；

步骤S4：所述转向脉冲信号改变探测器扫描方向并重新启动图像预处理装置中的图像采集模块，重新开始采集图像，产生反向定标使能信号，采集该方向低温参考源数据并计算像元平均值，将计算结果存储于本地反向低温定标数据RAM中；

步骤S5：所述定标机构达在下次成像有效期到来之前由定标机构驱动模块驱动撤出成像光路，黑体参考源产生模块控制参考源达到高温参考温度，温度稳定后，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，等待成像进入消隐期后驱动定标机构切入成像光路，定标同步信号发送模块发送低温定标同步信号；

步骤S6：所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤S5中产生的高温定标同步信号，产生正向高温定标使能信号，定标数据采集模块采集高温参考源数据，实时计算像元平均值并将计算结果存储于本地正向高温定标数据RAM中，采集完成后，定标流程控制模块产生转向脉冲信号；

步骤S7：所述图像预处理装置按照步骤S4的过程采集反向高温参考源数据，实时计算像元平均值并将计算结果存储至本地反向高温定标数据RAM中，定标机构撤出光路；

步骤S8：高温参考数据采集完毕标志着一次两点实时定标数据采集的结束，在高温定标使能结束后，所述定标数据采集模块发送采集结束信号，校正系数计算模块接收到采集结束信号后，开始利用存储于本地RAM的双向高低温参考像元平均值进行两点非均匀校正系数的计算；

步骤S9：计算完成后将参数存储于本地校正系数RAM中，用户通过上位机发送校正使能命令启动校正系数调用模块，观察图像校正效果。

实施例

如图1所示，一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标系统，包括红外TDI探测器、光学系统、实时定标装置、图像预处理装置、上位机。

所述的红外TDI探测器与光学系统通过摆扫方式将反映景物信息的光信号转换为电信号，是遥感领域的有效载荷；

所述的实时定标装置包括通讯模块、黑体参考源产生模块、定标机构、定标机构驱动模块、定标同步信号发送模块，由单片机实现模块控制，通讯模块用于接收上位机发送的定标命令，黑体参考源产生模块用于产生恒定温度的定标参考源，在参考源温度稳定后发送参考源就绪信号，定标机构是用于将参考源送入或撤出光路的机械结构，定标机构驱动模块接收到黑体参考源产生模块产生的参考源就绪信号后驱动定标机构将参考源切入光路，达到设定时间后，再驱动定标机构撤出光路，在定标机构切入光路后由定标同步信号发送模块向图像预处理装置发送定标同步信号。

所述的图像预处理装置包括图像采集模块、探测器控制模块、定标流程控制模块、定标数据采集模块、校正系数计算存储模块、校正系数调用模块，图像采集模块用于探测器成像数据的采集，探测器控制模块用于调整探测器工作参数，定标流程控制模块用于接收实时定标装置发送的定标同步信号，并通过同步信号的特征判断此次切入光路的参考源类型(高温或低温)，产生正向与反向定标使能信号，定标数据采集模块接收定标流程控制模块发来的定标使能信号开始采集定标原始数据实时求取像元平均值，采集结束后发送采集结束信号，校正系数计算存储模块接收到定标数据采集模块发送的采集结束信号后开始计算校正系数并将计算结果存储于本地RAM中，校正系数调用模块通过接收上位机的定标使能命令调用计算得到的系数。图像预处理装置以FPGA作为主控芯片，负责完成探测器控制信号产生，模数转换芯片配置及图像数据采集，定标同步信号的接收及双向定标流程控制，定标数据采集及校正系数的调用，FPGA为并行数据处理结构，使用FPGA进行双向定标时序控制时序关系明确、实时性高，利用其流水线的工作特点进行数据采集，采集数据的同时即可进行数据的累加与平均，采集完成后即得到像元平均值，无需开辟大块RAM进行数据缓存，数据处理流程简单有效。同时，利用FPGA支持的嵌入式软核单片机实现校正系数计算与存储，可大大简化数据交互接口。

所述上位机用于图像的采集显示以及控制命令的发送。

如图2所示，一种基于红外TDI探测器双向扫描特性的实时定标方法，具体实现步骤如下：

(1)红外TDI扫描成像系统启动，采集红外图像，由上位机发送实时定标命令；

(2)所述实时定标装置的通讯模块接收到实时定标命令，黑体参考源产生模块按照用户设定值控制参考源达到低温参考温度，单片机通过统计算法判断温度稳定在一定阈值范围内，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，在扫描机构进入成像消隐期(非匀速扫描区)驱动定标机构切入成像光路，待切入稳定后定标同步信号发送模块发送低温定标同步脉冲，脉冲宽度为A；

(3)所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤(2)中产生的低温定标同步信号A，通过脉冲宽度判断此次切入参考源的类型，脉宽为A，则此时切入参考源为低温参考源，产生当前扫描方向(正向)的低温定标使能信号，定标数据采集模块接收到低温定标使能开始采集正向低温参考源数据并实时计算像元平均值，将计算结果存储于本地正向低温定标数据RAM中，采集完成后，定标流程控制模块产生转向脉冲信号；

(4)转向脉冲信号改变探测器扫描方向并重新启动图像预处理装置中的图像采集模块，重新开始采集图像，产生反向定标使能信号，采集该方向低温参考源数据并计算像元平均值，将计算结果存储于本地反向低温定标数据RAM中，该方式重启图像采集流程，相比直接改变探测器扫描方向进行采集的方式，避免了因突变扫描方向可能出现的成像不稳定状态；

(5)定标机构达到设定时间，在下次成像有效期到来之前，由定标机构驱动模块驱动撤出成像光路，一次切入完成了两个方向低温定标数据的采集，黑体参考源产生模块开始控制参考源达到高温参考温度，采用步骤(2)中方法判断温度稳定后，发送参考源就绪信号，定标机构驱动模块接收参考源就绪信号，等待成像进入消隐期后驱动定标机构切入成像光路，定标同步信号发送模块发送高温定标同步信号B；

(6)所述图像预处理装置中的定标流程控制模块接收到步骤(5)中产生的高温定标同步信号B，判断此时切入参考源为高温参考源，利用与步骤(3)-步骤(4)相同的过程采集双向高温参考源数据并存储至本地正、反向高温定标数据RAM中，定标机构达到设定时间，在下次成像有效期到来之前，由定标机构驱动模块驱动撤出成像光路；

(7)高温参考数据采集完毕标志着一次两点实时定标数据采集的结束，在高温定标使能结束后，定标数据采集模块发送采集结束信号，校正系数计算模块接收到采集结束信号后，开始利用存储于本地RAM的双向高低温参考像元平均值进行两点非均匀系数的计算；

(8)计算完成后将参数存储于本地校正系数RAM中，用户通过上位机发送校正使能命令启动校正系数调用模块，观察图像校正效果。

如图3所示，扫描机构扫描过程由正扫与反扫两部分构成，单程扫描周期由启动扫描、机构加速、匀速扫描、机构减速、扫描结束组成，其中仅匀速扫描过程为有效扫描成像时段，所述图像预处理装置为探测器设定的数据输出时间覆盖匀速扫描区与部分非匀速扫描区，实时定标数据采集发生在非匀速扫描区，如在该数据输出区域接收到定标同步信号便可进行参考源数据的采集。实时定标过程发生在非匀速成像区，所以此时实时定标不影响有效成像。

所述实时定标装置的定标机构，其切入光路总是发生在扫描机构扫描的同一位置处，其切入时间点与TDI扫描方向有着确定的对应关系，这也为所述预处理装置确定参考源数据的方向提供了判断依据。

根据系统工作需要，还可以设置自动实时定标模式，上位机发送自动实时定标命令后，所述实时定标装置与所述图像预处理装置会按照每固定间隔时间为周期进行自动实时定标数据采集与图像校正，以补偿双向扫描TDI探测器均匀性的退化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。