一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法

1.本发明涉及一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法，该方法主要通过谱段多参数联合寻优实现背景抑制，并通过多次曝光进行动态范围的搭接，实现对高速飞行器的大动态范围探测。


背景技术：

2.大动态范围遥感成像可以获得丰富的目标层次及细节信息，有利于对探测目标信息进行有效地获取及识别，在天基红外遥感探测中，飞机、高速飞行器等空天目标辐射亮度随时间、空间变化范围高于120db，目标的不断变化对天基成像系统动态范围提出了更高的要求。
3.目前常用的大动态范围获取方法主要基于传感器优化和相机工作模式优化两种方法。传感器优化包括对数响应传感器、双重斜率响应传感器、积分时间自适应传感器、阱容调节传感器等方法，工作模式优化包括入射光强控制法、双图像传感器法、空间光调制法、多次曝光融合法等方法。
4.双重斜率响应传感器提高了系统可探测动态范围，但对硬件要求较高，且在重置充放电时会引入较大误差；双图像传感器法成像实时性较高，但分光系统成本昂贵，提升了硬件设计成本，加大了数据处理量，且各传感器之间存在角度差异，后端处理工作量大；空间光调制法通过透过率的不同获取不同曝光量的图像，最终合成一幅大动态范围图像，但感光单元利用率较低，成本较高。
5.发明cn109682816a和cn113194272a对探测器读出电路进行改进实现大动态范围，但这种方法提升了硬件成本，且可实现动态范围提升受限于当前器件工艺水平。


技术实现要素：

6.本发明提出一种基于探测器多次曝光进行动态范围搭接的复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法。如背景技术所述，现有的大动态范围探测方法具有结构复杂操作繁琐、硬件成本较高且数据量较大、处理流程复杂等缺点。本发明物理原理简单，对硬件要求较低且可以实现动态范围的大幅度提升。
7.本发明的技术方案包括以下步骤：
8.(1)建立多参数关联寻优模型，通过谱段、分辨率对特定光谱特征目标进行求解，实现背景抑制；
9.(2)设置两组及以上系统探测参数。其中第一组参数采用长积分时间τ1，高增益的高灵敏度参数获取地球背景信息及小辐射强度目标信息，该参数下地球背景不超过探测器模拟信号动态范围的n％，其中，25≤n≤90；第二组及以上参数采用短积分时间τ2、τ3、τ4……
τi，其中τi表示第i组参数采用的积分时间，i为整数，且i≥2。获取高辐射强度目标信息，且参数内目标不饱和；
10.(3)动态范围融合搭接，对多组参数下的获取点进行融合，实现动态范围的提升。
11.本发明的方法可大幅度提升探测动态范围，增强对复杂地球背景下高速暗弱目标的探测能力。
附图说明
12.图1是本发明的复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法流程图；
13.图2是本发明实施例中背景辐射亮度特性；
14.图3是基于探测器多次曝光动态范围搭接方法示意图；
具体实施方式
15.以地球静止轨道为例，其观测目标辐射强度范围高达120db，对于常见的探测系统而言，单次曝光时探测器动态范围受限。如果积分时间过短，无法实现暗弱目标的探测，而增加积分时间会导致对高温目标过曝光，达到饱和的状态，无法对目标全阶段全天候探测。
16.因此本发明采用多组参数多次曝光并进行动态范围搭接，提出了一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法，该方案主要用于高机动性目标的探测。以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
17.应当理解，此处所描述的具体实施例以及示例数据仅用以解释并方便理解本发明，并不限定于本发明。实施方法分为多参数关联寻优、多次曝光参数设置、动态范围搭接三部分，具体为：
18.1)探测谱段优选
19.在天基探测过程中，地球背景处于不断的变化中；空天高速动目标具有高机动性，其飞行阶段和状态也处于不断的变化中。
20.因此，首先通过对目标、背景的辐射强度进行分析，选择最优探测谱段，优化系统参数，实现背景抑制。
21.本实施例中，考虑海洋、云、雪等典型地球背景，通过仿真选择的最佳探测谱段为δλ。以地球静止轨道红外探测系统为例进行分析，轨道高度为35800km，系统角分辨率15μrad。
22.2)多次曝光参数设置
23.设定第一组积分时间τ1，当背景为亮云时，目标像元内辐射强度约为饱和值的75％。
24.此时，第一组参数可实现探测最大辐射为
25.i
1_max
＝l
back
·
gr2/0.75
26.其中，l
back
表示谱段δλ内的亮云背景辐射亮度，gr为地面分辨率。
27.可实现探测最小辐射强度i
1_min
等于该积分时间τ1内系统噪声等效辐射强度nei1，即
28.i
1_min
＝nei129.设定第二组积分时间τ2，饱和时目标像元内辐射强度i
2_max
约为该谱段下空天目标辐射最大值i
max
。
30.i
2_max
＝i
max
31.可实现探测最小辐射强度i
2_min
等于该积分时间τ2内系统噪声等效辐射强度nei2，
即
32.i
2_min
＝nei233.本例中，两次积分时间设置分别为τ1＝164ms、τ2＝0.143ms，可实现探测范围分别为7.93～6920.8w/sr，2005.5～7930000w/sr。
34.3)动态范围搭接
35.进行动态范围的搭接，最终可实现探测范围为7.93～7930000w/sr，即可实现120db的大动态探测范围。
36.综上，该方案实现了复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测。


技术特征：
1.一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立多参数关联寻优模型，通过谱段、分辨率对特定光谱特征目标进行求解，实现背景抑制；(2)设置两组及以上系统探测参数。其中第一组参数采用长积分时间τ1，高增益的高灵敏度参数获取地球背景信息及小辐射强度目标信息，该参数下地球背景不超过探测器模拟信号动态范围的n％，其中，25≤n≤90；第二组及以上参数采用短积分时间τ2、τ3、τ4……
τ
i
，其中τ
i
表示第i组参数采用的积分时间，i为整数，且i≥2。获取高辐射强度目标信息，且参数内目标不饱和；(3)动态范围融合搭接，对多组参数下的获取点进行融合，实现动态范围的提升。2.如权利要求1所述的一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的关联寻优模型建立方法步骤如下：1)建立探测场景物理模型，根据目标与背景特点确定场景辐射特征；2)针对场景辐射特性和成像类型、探测系统光电转化特性、探测平台下噪声及场景光电响应关系建立数学模型，确立目标函数，根据工程可实现性和物理原理限制建立关联约束条件；3)根据目标函数和关联约束条件对最优参数进行求解。3.如权利要求1所述的一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的第一组参数可实现探测辐射强度范围为i
1_min
～i
1_max
，该参数下地球背景不超过探测器模拟信号动态范围的n％(25≤n≤90)；所述的第二组参数可实现探测辐射强度范围为i
2_min
～i
2_max
；第i组参数可实现探测辐射强度范围为i
i_min
～i
i_max
。

技术总结
本发明公开了一种复杂地球背景下高速暗弱目标大动态范围探测方法。本发明使用天基红外探测系统对高速飞行的高机动性目标进行探测。首先，建立多参数关联寻优模型，通过谱段、分辨率对特定光谱特征目标进行求解实现背景抑制。其次，设置两组及以上的系统探测参数，一组通过长积分时间、高增益的高灵敏参数获取地球背景信息及小辐射强度目标信息，且在该参数下地球背景不超过探测器模拟信号动态范围的N％(25≤N≤90)；第二组及以上的参数通过短积分时间获取高辐射强度目标信息，且该参数内目标不饱和。然后，进行动态范围融合搭接，实现对目标探测范围的提升。该方法可大幅度提升探测动态范围，增强对复杂地球背景下高速暗弱目标的探测能力。的探测能力。的探测能力。


技术研发人员：陈凡胜 周晓萱 胡琸悦 倪歆玥
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/5/17