CO2探測(cè)儀近紅外焦平面無效像元檢測(cè)方法

李誠(chéng)良，藺超，鄭玉權(quán)

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100080）

CO2探測(cè)儀近紅外焦平面無效像元檢測(cè)方法

李誠(chéng)良1，2，藺超1，鄭玉權(quán)1

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100080）

針對(duì)HgGdTe探測(cè)器均勻性差、無效像元多，過多無效像元會(huì)降低碳衛(wèi)星CO2探測(cè)儀紅外焦平面探測(cè)器探測(cè)精度，提出了一種基于探測(cè)器性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無效像元篩選的方法。首先利用CO2探測(cè)儀冷光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備采集暗背景數(shù)據(jù)與響應(yīng)度數(shù)據(jù)，然后計(jì)算暗背景數(shù)據(jù)的DN值均值與標(biāo)準(zhǔn)差、各個(gè)像元的響應(yīng)度曲線，利用直方圖閾值篩選出暗像元、亮像元、不穩(wěn)定像元、平均擬合偏差較大等無效像元，最終利用各種無效像元集合交并集確定最終無效像元。結(jié)果表明：基于各種無效像元集合交并集確定最終無效像元的無效像元篩選方法準(zhǔn)確度更高。通過遍歷篩選出無效像元的響應(yīng)值，從而確認(rèn)了無效像元篩選的合理性。

無效像元；近紅外焦平面；成像光譜儀；響應(yīng)度

隨著溫室效應(yīng)的加劇，越來越多的國(guó)家開始研制能夠探測(cè)溫室氣體的紅外高光譜探測(cè)器［1］。典型的紅外高光譜探測(cè)器有SCIAMACHY、IASI、OCO2、TANSO-FTS等，結(jié)構(gòu)上分為多通道光柵光譜儀與傅里葉變換分光光譜儀，與傅里葉變換分光光譜儀相比，光柵光譜儀具有信噪比高、空間分辨率高、振動(dòng)不敏感、定標(biāo)容易等優(yōu)點(diǎn)，因而高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀采用了大面積光柵光譜儀的設(shè)計(jì)方案［2-4］。高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀共有三個(gè)通道，其中1610nm波段與2060nm波段探測(cè)器均采用近紅外HgCdTe面陣探測(cè)器。由于HgCdTe面陣探測(cè)器的制作工藝限制，不可避免的會(huì)出現(xiàn)無效像元，而且隨著探測(cè)器的使用，也會(huì)逐漸出現(xiàn)正常像元退化為無效像元的現(xiàn)象［5］。無效像元的存在會(huì)使光譜數(shù)據(jù)失真，造成溫室氣體濃度反演精度受到影響。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)紅外探測(cè)器無效像元的篩選提出了很多的方法［6-10］。由于紅外探測(cè)器的應(yīng)用場(chǎng)景不一樣而導(dǎo)致篩選無效的方法而不同。李瑩瑩［6］等為靜態(tài)干涉成像光譜儀焦平面提出一種利用原始幀數(shù)據(jù)差分域檢測(cè)無效像元的方法，提高無效像元檢測(cè)效率。趙春暉［10］等基于無效像元灰度值的突變性采用線性外推理論檢測(cè)無效像元。高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀采用的是短波紅外焦平面，輻射定標(biāo)采用的主要設(shè)備是積分球。在之前學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)成像光譜儀，提出了基于暗場(chǎng)數(shù)據(jù)與輻射響應(yīng)度數(shù)據(jù)判斷無效像元的方法。同時(shí)采用暗場(chǎng)數(shù)據(jù)與輻射響應(yīng)度數(shù)據(jù)判斷無效像元能夠提高無效像元的準(zhǔn)確率，減少無效像元的誤判率。數(shù)據(jù)最后采用合并模式，不穩(wěn)定像元可以直接設(shè)置為零，從而減少不穩(wěn)定像元對(duì)譜線精度造成影響。

1 無效像元篩選

1.1 無效像元測(cè)試設(shè)備

在CO2探測(cè)儀響應(yīng)度測(cè)試中使用到了CO2探測(cè)儀輻射性能測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)主要包含有定標(biāo)積分球，ASD監(jiān)視輻射計(jì)，真空罐，地檢等設(shè)備，這些設(shè)備可以測(cè)試在不同輸入亮度下探測(cè)儀的響應(yīng)值，測(cè)試設(shè)備如圖1所示。在低溫真空環(huán)境下采集CO2探測(cè)儀暗背景數(shù)據(jù)與響應(yīng)度數(shù)據(jù)，其中響應(yīng)度數(shù)據(jù)是通過改變積分球輸出亮度數(shù)據(jù)測(cè)得。

1.2 無效像元

HgCdTe面陣探測(cè)器無效像元主要有暗像元、亮像元與不穩(wěn)定像元。在篩選無效像元時(shí)，需要在真空制冷的狀態(tài)下，利用在軌0.3s的積分時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。通過采集暗背景數(shù)據(jù)與響應(yīng)度測(cè)試數(shù)據(jù)篩選無效像元。同時(shí)采用兩種數(shù)據(jù)保證了無效像元篩選的準(zhǔn)確性。

（1）暗背景信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差

探測(cè)器采集的暗背景數(shù)據(jù)可以反映無外界信號(hào)條件下的探測(cè)器噪聲水平。單個(gè)像元的噪聲主要包括霰粒噪聲、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲、輸出放大器噪聲、熱噪聲、1/f噪聲等?？偟脑肼暦植伎梢杂酶咚姑芏群瘮?shù)P來表示［11］，計(jì)算公式如（1）所示：

由于CO2探測(cè)儀是一個(gè)定量探測(cè)儀器，暗背景波動(dòng)太大的像元會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響，因而可以通過判斷暗背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行篩選壞像元。

圖2 暗像元與亮像元DN值變化

圖3 探測(cè)器不穩(wěn)定像元

在暗背景的狀態(tài)下對(duì)暗像元與亮像元，不穩(wěn)定像元進(jìn)行篩選。無效像元中的暗像元的DN值明顯低于正常像元，如圖2（a）所示。亮像元DN值明顯高于正常像元，達(dá)到或者接近于飽和狀態(tài)，如圖2（b）所示。不穩(wěn)定像元的波動(dòng)明顯大于正常像元，如圖3（b）所示。吸收譜數(shù)據(jù)如圖3（a）所示，由于探測(cè)器在軌運(yùn)行期間處于單幀采集模式，單個(gè)像元暗背景的大范圍波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致所測(cè)光信號(hào)的不準(zhǔn)確，不穩(wěn)定像元會(huì)對(duì)反演結(jié)果帶來較大誤差。

（2）響應(yīng)度測(cè)試

為了提高無效像元篩選的準(zhǔn)確度，同時(shí)采集了響應(yīng)度數(shù)據(jù)，單個(gè)像元的響應(yīng)度曲線如圖4所示。像元的響應(yīng)度采用基于相對(duì)偏差的平方和最小為基準(zhǔn)的最小二乘擬合也就是式（2）取得最小值。與基于高斯算法的最小二乘算法相比，這種擬合算法克服了高斯最小二乘法在數(shù)據(jù)均衡性差時(shí)候擬合結(jié)果與實(shí)際符合性差的缺點(diǎn)［12］。

其中，xi、yi（i=1,2,…,N）分別對(duì)應(yīng)亮度與DN值；aj（j=0,1,…,m）為響應(yīng)度曲線擬合多項(xiàng)式的系數(shù)，當(dāng)j=1時(shí)候?yàn)榫€性擬合。

圖4 響應(yīng)度曲線

1.3 無效像元的篩選過程

（1）暗像元、亮像元、不穩(wěn)定像元篩選

1610nm波段在真空罐低溫條件下暗背景在0.3s積分時(shí)間時(shí)DN值分布圖如圖5所示。

暗背景DN值的均值是2837.41。12位采樣的飽和值為4096。在真空罐中采集了2074幀，將這些像元分成三組（700、700、674），分別計(jì)算這三組的亮像元與暗像元，過穩(wěn)定像元與不穩(wěn)定像元，然后用這三組數(shù)據(jù)分別求交集確定。1610nm波段暗場(chǎng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差分布圖如圖6所示。亮像元與暗像元采用5σ原則，過穩(wěn)定像元與不穩(wěn)定像元采用3σ原則（計(jì)算σ值時(shí)候排除STD明顯偏離的值）。采用5σ原則，計(jì)算的DN值合理區(qū)間為2153到3522。小于這一區(qū)間的為暗像元，大于這一區(qū)間的為亮像元。采用采用3σ原則計(jì)算出的合格噪聲區(qū)間為4.1到5.6。

圖5 1610nm波段各個(gè)像元DN值分布圖

圖6 1610nm波段各個(gè)像元噪聲標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

（2）響應(yīng)度測(cè)試

1610波段像元響應(yīng)度（R）分布圖如圖7所示。

圖7 1610nm波段各個(gè)像元響應(yīng)度分布圖

按照定義，響應(yīng)度低于平均響應(yīng)度1/10的為壞像元。響應(yīng)度均值的1/10為3136，將這個(gè)值作為閾值。低于這個(gè)閾值的像元總數(shù)為179。線性擬合時(shí)可以同時(shí)計(jì)算各個(gè)像元平均相對(duì)誤差與最大相對(duì)誤差兩個(gè)參數(shù)。平均相對(duì)誤差大于2%的像元個(gè)數(shù)為239；最大相對(duì)誤差大于2%的個(gè)數(shù)為846。

（3）篩選策略

可以確認(rèn)為無效像元的情況有以下幾種：

暗像元與低響應(yīng)度像元交集；

過穩(wěn)定像元與低響應(yīng)度像元交集；

亮像元與低響應(yīng)度像元交集；

不穩(wěn)定像元與線性擬合最大相對(duì)誤差大于2%像元的交集；

響應(yīng)度擬合平均相對(duì)誤差大于2%的集合；

暗背景DN值大于3800的集合；

暗背景DN值小于300的集合；

暗背景噪聲大于8σ的集合。

最終篩選出來的無效像元是以上無效像元的并集。

（4）篩選結(jié)果

然后將這五個(gè)集合求并集，從而確定無效像元數(shù)量。1610nm波段篩選出的無效像元數(shù)目是2223個(gè)，占像元總數(shù)的1.7%。通過遍歷篩選出的無效像元暗背景數(shù)據(jù)與響應(yīng)度數(shù)據(jù)，確認(rèn)了篩選無效像元的有效性。取256×500的矩陣，將無效像元置為1，正常像元置為0，畫出如圖8所示的圖像來表示無效像元位置，圖中白色亮點(diǎn)部分是無效像元位置。

圖8 1610nm波段無效像元分布圖

2 結(jié)論

為了提高碳衛(wèi)星高光譜成像光譜儀的觀測(cè)精度，對(duì)紅外焦平面中的無效像元進(jìn)行檢測(cè)。利用積分球、真空罐、地物光譜儀、地檢等設(shè)備在真空環(huán)境下對(duì)紅外焦平面性能進(jìn)行了測(cè)試，通過計(jì)算紅外焦平面的暗背景DN值分布、暗背景噪聲分布、響應(yīng)度曲線等篩選出亮像元、暗像元、過熱像元等無效像元。利用直方圖閾值篩選出各種無效像元后，利用集合的交集與并集，確定所有的無效像元。通過遍歷篩選出無效像元的響應(yīng)值，從而確認(rèn)了無效像元篩選的合理性。

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Detective Method of Invalid Pixels of Near-infrared Focal Plane Arrays of CO2Detector

LI Chengliang1，2，LIN Chao1，ZHENG Yuquan1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039）

As HgGdTe detector with poor uniformity has more invalid pixels，which can reduce the accuracy of near-infrared focal plane arrays of CO2 detector.One method based on the use of the performance test data of the detector is promoted.Firstly，dark background data and responsiveness data are collected using the thermal-vacuum testing equipment of CO2 detector.Then the mean value and standard deviation of dark background data and the response cure of each pixel are calculated.Dark pixels，bright pixels，unstable pixel，the pixels whose average fitting deviation are very big are selected using the histogram threshold.Finally，using the intersection and union of different invalid pixel set determine the final invalid pixel set.The invalid pixel selection method based on the intersection and union of different invalid pixel sets is more accurate.The validity of this method is proved by scanning the performance of all the bad pixels detected above.

invalid pixel；near-infrared focal plane arrays；imaging spectrometer；responsiveness

TP79

A

1672-9870（2016）06-0001-04

2016-05-21

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2010AA1221091001）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61527802）

李誠(chéng)良（1989-），男，博士，實(shí)習(xí)研究員，E-mail：budhit@qq.com