一种红外探测器响应特性漂移成像仿真方法和系统

技术领域

本发明涉及红外成像仿真技术领域，特别涉及一种红外探测器响应特性漂移成像仿真方法和系统。

背景技术

红外探测器具有全天候探测能力，广泛应用于军事和民用领域。红外探测器在工作过程中受复杂工作环境影响响应特性发生漂移，导致成像质量下降，严重影响红外成像系统性能，是红外探测器广泛应用中需要解决的关键问题；建立红外探测器响应特性漂移模型，实现响应特性漂移成像仿真，有助于研究抑制红外探测器响应特性漂移的方法，提高红外成像系统性能。

目前，相关研究工作仅从某一方面揭示了红外探测器响应特性漂移的因素。如红外探测器的响应特性漂移主要由非聚焦背景能量引起，环境温度对探测器响应特性漂移存在一定的影响；制冷型红外探测器中响应特性漂移与杜瓦内部水分子在探测器制冷过程中生成的冷凝水膜相关；响应特性漂移源于红外探测器材料光电特性的亚稳态性等。这些研究工作仅从某一方面进行，没有建立统一的红外探测器响应特性漂移模型，无法有效地用于成像仿真。

实际应用中，红外探测器响应特性漂移是成像过程中多种因素共同作用的结果，涉及红外辐射、辐射传输、光电转换、读出电路等多个方面；然而，目前相关研究工作主要从红外探测器响应非均匀性角度进行，如光学系统杂光导致的非均匀性、内部组件辐射导致的非均匀性、读出电路的非均匀性等，缺少针对响应特性漂移的研究；如何建立综合多种因素的红外探测器响应特性漂移模型，应用于红外探测器响应特性漂移的成像仿真中，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种红外探测器响应特性漂移成像仿真方法和系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种红外探测器响应特性漂移成像仿真方法，具体步骤为：

S1：构建红外探测响应特性漂移模型，包括红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型和读出电路漂移模型；

S2：设计响应特性漂移成像仿真模型，包括温度变化仿真模型、冷凝水膜透过率变化仿真模型和响应非均匀性仿真模型；

S3：利用红外探测器响应特性漂移模型和响应特性漂移成像仿真模型实现红外探测器响应特性漂移的成像仿真，具体步骤为：

S31：选择探测器类型，设置探测器系统相关参数，包括光学系统、探测器、读出电路和探测目标的各参数；

S32：设置高斯模型参数，利用高斯随机模型计算和/或设置每个探测单元的组分x和p区厚度d、读出电路放大系数k

S33：设置环境因素大气温度T

S34：选择一个或多个环境因素，设置对应的温度变化仿真模型和冷凝水膜透过率变化仿真模型参数；

S35：设置最大仿真次数t

S36：根据温度变化仿真模型和冷凝水膜透过率变化仿真模型计算所选环境因素的变化值；

S37：计算探测器每个探测单元的响应输出I(i,j,t,t

S38：对探测器的响应输出图像进行显示变换后输出显示；

S39：仿真次数t加1，仿真次数t小于最大仿真次数t

具体的，所述S1的红外辐射干扰模型中，到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量

式中

其中/>

所述S1的辐射传输漂移模型中，光学系统特性存在漂移，光学系统透过率τ

式中n为光学系统在温度T

所述S1的辐射传输漂移模型中，制冷型红外探测器工作过程中杜瓦内部空间中的水分子在制冷过程中凝结在滤波片上形成冷凝水膜，冷凝水膜透过率τ

同时考虑光学系统特性漂移和辐射传输干扰，到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量

式中

所述S1的光电转换漂移模型中，光电转换的量子效率与探测单元的组分x、材料结构d、工作温度T

到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量经过光电转换的响应输出为：

式中

所述S1的读出电路漂移模型中，读出电路的放大系数k和偏置b与其工作温度T

k(T

b(T

k

红外探测单元(i,j)的光电转换输出的响应经过读出电路后的输出为：

式中I

更具体的，所述的红外探测响应特性漂移模型中，综合红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型和读出电路漂移模型，仅考虑光电转换和读出电路都工作在线性范围内，设开机时刻为t

式中

C

具体的，所述的S2中温度变化仿真模型如下：

T(t)＝T

其中T

具体的，所述的S2中所述冷凝水膜透过率变化仿真模型如下：

式中v为变化系数，v>0；t为开机时间，杜瓦内部湿度p

具体的，所述的S2中响应非均匀性仿真模型为高斯随机模型，计算公式如下：

X＝μ+Zσ

式中X为仿真数据，μ为仿真数据均值，σ为仿真数据方差，

响应非均匀性仿真模型用于仿真探测单元组分、探测单元p区厚度、读出电路放大系数、以及读出电路偏置的非均匀性。

一种红外探测器响应特性漂移成像仿真系统，包括：红外探测器响应特性漂移模型构建模块、响应特性漂移成像仿真模型设计模块和红外探测器响应特性漂移成像仿真模块；

所述红外探测器响应特性漂移模型构建模块，用于构建红外探测响应特性漂移模型，该模型综合了红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型、以及读出电路漂移模型；

所述响应特性漂移成像仿真模型设计模块，用于设计响应特性漂移成像仿真模型，包括温度变化仿真模型、冷凝水膜透过率变化仿真模型和响应非均匀性仿真模型；

所述红外探测器响应特性漂移成像仿真模块，用于按照红外探测探测器响应特性漂移成像仿真步骤，利用红外探测器响应特性漂移模型和响应特性漂移成像仿真模型实现红外探测器响应特性漂移的成像仿真。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明综合红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型、读出电路漂移模型，构建了综合多种因素的红外探测器响应特性漂移模型；通过设计温度变化仿真模型、冷凝水膜透过率变化仿真模型和响应非均匀性模型，设计了响应特性漂移成像仿真模型；利用红外探测器响应特性漂移模型和响应特性漂移成像仿真模型实现红外探测器响应特性漂移的成像仿真。

附图说明

图1为本发明实施例提供的成像仿真序列图像第0帧。

图2为本发明实施例提供的成像仿真序列图像第20帧。

图3为本发明实施例提供的成像仿真序列图像第40帧。

图4为本发明实施例提供的成像仿真序列图像第60帧。

图5为本发明实施例提供的红外探测器响应特性漂移成像仿真系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步解释说明，不能以此限定本发明的保护范围，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

结合附图1-5所示的一种红外探测器响应特性漂移成像仿真方法，具体步骤为：

S1：构建红外探测响应特性漂移模型，包括红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型和读出电路漂移模型。

在红外辐射干扰模型中，到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量

式中

其中/>

在辐射传输漂移模型中，光学系统特性存在漂移，光学系统透过率τ

式中n为光学系统在温度T

在辐射传输漂移模型中，制冷型红外探测器工作过程中杜瓦内部空间中的水分子在制冷过程中凝结在滤波片上形成冷凝水膜，冷凝水膜透过率τ

同时考虑光学系统特性漂移和辐射传输干扰，到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量

式中

在光电转换漂移模型中，光电转换的量子效率与探测单元的组分x、材料结构d、工作温度T

到达红外探测单元(i,j)的红外辐射通量经过光电转换的响应输出为：

式中

如N-on-P型HgCdTe探测器的量子效率经验公式为：

η(λ)＝1-e

式中α(λ)是HgCdTe在红外辐射波长λ处的光子吸收系数，d是p区厚度；吸收系数α(λ)的经验公式如下：

式中E为电子电量；E

E

α

σ/kT＝(lnα

E

在读出电路漂移模型中，读出电路的放大系数k和偏置b与其工作温度T

k(T

b(T

k

红外探测单元(i,j)的光电转换输出的响应经过读出电路后的输出为：

式中I

红外探测响应特性漂移模型中，综合以上红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型和读出电路漂移模型，仅考虑光电转换和读出电路都工作在线性范围内，设开机时刻为t

式中

C

S2：设计响应特性漂移成像仿真模型，包括温度变化仿真模型、冷凝水膜透过率变化仿真模型和响应非均匀性仿真模型；

温度变化仿真模型如下：

T(t)＝T

其中T

冷凝水膜透过率变化仿真模型如下：

式中v为变化系数，v>0；t为开机时间，杜瓦内部湿度p

响应非均匀性仿真模型为高斯随机模型，计算公式如下：

X＝μ+Zσ

式中X为仿真数据，μ为仿真数据均值，σ为仿真数据方差，

响应非均匀性仿真模型用于仿真探测单元组分、探测单元p区厚度、读出电路放大系数、以及读出电路偏置的非均匀性。

S3：利用红外探测器响应特性漂移模型和响应特性漂移成像仿真模型实现红外探测器响应特性漂移的成像仿真，具体步骤为：

S31：选择探测器类型，设置探测器系统相关参数，包括光学系统、探测器、读出电路和探测目标的各参数；

选择红外探测器类型为N-on-P型HgCdTe探测器，探测器分辨率设为128×128，探测目标温度T

S32：设置高斯模型参数，利用高斯随机模型计算或直接设置每个探测单元的组分x和p区厚度d、读出电路放大系数k

设置响应非均匀性仿真的参数如下：探测单元组分均值为0.22、标准偏差为0.001；探测单元p区厚度均值为4、标准偏差为0.10；读出电路的放大系数k

S33：设置境因素大气温度T

将大气温度T

S34：选择一个或多个环境因素，设置对应的温度变化仿真模型和冷凝水膜透过率变化仿真模型参数；

设置内部组件、红外焦平面和读出电路温度这三种温度发生变化且温度变化一致，温度变化模型参数：T

S35：设置最大仿真次数t

S36：根据温度变化仿真模型和冷凝水膜透过率变化仿真模型计算所选环境因素的变化值。

S37：计算探测器每个探测单元的响应输出I(i,j,t,t

S38：对探测器的响应输出图像进行显示变换后输出显示。

S39：仿真次数t加1，仿真次数t小于最大仿真次数t

成像仿真数据经过显示变换为8位图像输出，图1为第0帧图像，图2为第20帧图像，图3为第40帧图像，图4为第60帧图像。

如图5所示的一种红外探测器响应特性漂移成像仿真系统600，包括：红外探测器响应特性漂移模型构建模块610、响应特性漂移成像仿真模型设计模块620和红外探测器响应特性漂移成像仿真模块630。

红外探测器响应特性漂移模型构建模块610执行S1，用于构建红外探测响应特性漂移模型，包括红外辐射干扰模型、辐射传输漂移模型、光电转换漂移模型和读出电路漂移模型。

响应特性漂移成像仿真模型设计模块620执行S2，用于设计响应特性漂移成像仿真模型，包括温度变化仿真模型、冷凝水膜透过率变化仿真模型和响应非均匀性仿真模型。

红外探测器响应特性漂移成像仿真模块630执行S3，用于按照红外探测探测器响应特性漂移成像仿真步骤，利用红外探测器响应特性漂移模型和响应特性漂移成像仿真模型实现红外探测器响应特性漂移的成像仿真。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。