CO2探測儀近紅外焦平面無效像元檢測方法

李誠良，藺超，鄭玉權

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100080）

CO2探測儀近紅外焦平面無效像元檢測方法

李誠良1，2，藺超1，鄭玉權1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100080）

針對HgGdTe探測器均勻性差、無效像元多，過多無效像元會降低碳衛星CO2探測儀紅外焦平面探測器探測精度，提出了一種基于探測器性能測試數據進行無效像元篩選的方法。首先利用CO2探測儀冷光學實驗設備采集暗背景數據與響應度數據，然后計算暗背景數據的DN值均值與標準差、各個像元的響應度曲線，利用直方圖閾值篩選出暗像元、亮像元、不穩定像元、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確度更高。通過遍歷篩選出無效像元的響應值，從而確認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；響應度

隨著溫室效應的加劇，越來越多的國家開始研制能夠探測溫室氣體的紅外高光譜探測器［1］。典型的紅外高光譜探測器有SCIAMACHY、IASI、OCO2、TANSO-FTS等，結構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、振動不敏感、定標容易等優點，因而高光譜與高空間分辨率CO2探測儀采用了大面積光柵光譜儀的設計方案［2-4］。高光譜與高空間分辨率CO2探測儀共有三個通道，其中1610nm波段與2060nm波段探測器均采用近紅外HgCdTe面陣探測器。由于HgCdTe面陣探測器的制作工藝限制，不可避免的會出現無效像元，而且隨著探測器的使用，也會逐漸出現正常像元退化為無效像元的現象［5］。無效像元的存在會使光譜數據失真，造成溫室氣體濃度反演精度受到影響。

國內外的學者對紅外探測器無效像元的篩選提出了很多的方法［6-10］。由于紅外探測器的應用場景不一樣而導致篩選無效的方法而不同。李瑩瑩［6］等為靜態干涉成像光譜儀焦平面提出一種利用原始幀數據差分域檢測無效像元的方法，提高無效像元檢測效率。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無效像元。高光譜與高空間分辨率CO2探測儀采用的是短波紅外焦平面，輻射定標采用的主要設備是積分球。在之前學者研究的基礎上，針對成像光譜儀，提出了基于暗場數據與輻射響應度數據判斷無效像元的方法。同時采用暗場數據與輻射響應度數據判斷無效像元能夠提高無效像元的準確率，減少無效像元的誤判率。數據最后采用合并模式，不穩定像元可以直接設置為零，從而減少不穩定像元對譜線精度造成影響。

1 無效像元篩選

1.1 無效像元測試設備

在CO2探測儀響應度測試中使用到了CO2探測儀輻射性能測試系統。測試系統主要包含有定標積分球，ASD監視輻射計，真空罐，地檢等設備，這些設備可以測試在不同輸入亮度下探測儀的響應值，測試設備如圖1所示。在低溫真空環境下采集CO2探測儀暗背景數據與響應度數據，其中響應度數據是通過改變積分球輸出亮度數據測得。

1.2 無效像元

HgCdTe面陣探測器無效像元主要有暗像元、亮像元與不穩定像元。在篩選無效像元時，需要在真空制冷的狀態下，利用在軌0.3s的積分時間進行測試。通過采集暗背景數據與響應度測試數據篩選無效像元。同時采用兩種數據保證了無效像元篩選的準確性。

（1）暗背景信號標準差

探測器采集的暗背景數據可以反映無外界信號條件下的探測器噪聲水平。單個像元的噪聲主要包括霰粒噪聲、暗電流噪聲、復位噪聲、輸出放大器噪聲、熱噪聲、1/f噪聲等。總的噪聲分布可以用高斯密度函數P來表示［11］，計算公式如（1）所示：

由于CO2探測儀是一個定量探測儀器，暗背景波動太大的像元會對測量精度造成影響，因而可以通過判斷暗背景信號的標準差進行篩選壞像元。

圖2 暗像元與亮像元DN值變化

圖3 探測器不穩定像元

在暗背景的狀態下對暗像元與亮像元，不穩定像元進行篩選。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，達到或者接近于飽和狀態，如圖2（b）所示。不穩定像元的波動明顯大于正常像元，如圖3（b）所示。吸收譜數據如圖3（a）所示，由于探測器在軌運行期間處于單幀采集模式，單個像元暗背景的大范圍波動會導致所測光信號的不準確，不穩定像元會對反演結果帶來較大誤差。

（2）響應度測試

為了提高無效像元篩選的準確度，同時采集了響應度數據，單個像元的響應度曲線如圖4所示。像元的響應度采用基于相對偏差的平方和最小為基準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據均衡性差時候擬合結果與實際符合性差的缺點［12］。

其中，xi、yi（i=1,2,…,N）分別對應亮度與DN值；aj（j=0,1,…,m）為響應度曲線擬合多項式的系數，當j=1時候為線性擬合。

圖4 響應度曲線

1.3 無效像元的篩選過程

（1）暗像元、亮像元、不穩定像元篩選

1610nm波段在真空罐低溫條件下暗背景在0.3s積分時間時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），分別計算這三組的亮像元與暗像元，過穩定像元與不穩定像元，然后用這三組數據分別求交集確定。1610nm波段暗場噪聲標準差分布圖如圖6所示。亮像元與暗像元采用5σ原則，過穩定像元與不穩定像元采用3σ原則（計算σ值時候排除STD明顯偏離的值）。采用5σ原則，計算的DN值合理區間為2153到3522。小于這一區間的為暗像元，大于這一區間的為亮像元。采用采用3σ原則計算出的合格噪聲區間為4.1到5.6。

圖5 1610nm波段各個像元DN值分布圖

圖6 1610nm波段各個像元噪聲標準差分布圖

（2）響應度測試

1610波段像元響應度（R）分布圖如圖7所示。

圖7 1610nm波段各個像元響應度分布圖

按照定義，響應度低于平均響應度1/10的為壞像元。響應度均值的1/10為3136，將這個值作為閾值。低于這個閾值的像元總數為179。線性擬合時可以同時計算各個像元平均相對誤差與最大相對誤差兩個參數。平均相對誤差大于2%的像元個數為239；最大相對誤差大于2%的個數為846。

（3）篩選策略

可以確認為無效像元的情況有以下幾種：

暗像元與低響應度像元交集；

過穩定像元與低響應度像元交集；

亮像元與低響應度像元交集；

不穩定像元與線性擬合最大相對誤差大于2%像元的交集；

響應度擬合平均相對誤差大于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）篩選結果

然后將這五個集合求并集，從而確定無效像元數量。1610nm波段篩選出的無效像元數目是2223個，占像元總數的1.7%。通過遍歷篩選出的無效像元暗背景數據與響應度數據，確認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，圖中白色亮點部分是無效像元位置。

圖8 1610nm波段無效像元分布圖

2 結論

為了提高碳衛星高光譜成像光譜儀的觀測精度，對紅外焦平面中的無效像元進行檢測。利用積分球、真空罐、地物光譜儀、地檢等設備在真空環境下對紅外焦平面性能進行了測試，通過計算紅外焦平面的暗背景DN值分布、暗背景噪聲分布、響應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值，從而確認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，Fine 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

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2010AA1221091001）；國家自然科學基金（61527802）

李誠良（1989-），男，博士，實習研究員，E-mail：budhit@qq.com