面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法与流程

1.本发明涉及指标测试技术领域，尤其涉及一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法。


背景技术：

2.光学探测相机指标测试与计算方法多借鉴光学成像系统，通过对星上黑体成像并利用黑体等效计算目标辐射强度和相机噪声强度的方法，得出光学探测相机信噪比与动态范围等指标。此类方法主要反映了相机对目标能量变化的响应敏感度，受黑体放置光路的约束(如前光路或后光路定标)，不能准确反映全光路光学系统内部噪声和基底响应对信噪比与动态范围指标的影响，具有一定的局限性。


技术实现要素：

3.为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法，围绕光学探测相机目标探测需求，采用概率分布函数统计方法对光学探测相机基底响应进行统计分析，确保光学探测相机信噪比、动态范围等指标测试结果能够更准确反映目标检测处理需求，支撑光学目标探测系统设计。
4.为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
5.本发明提供一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法，包括：
6.设置光学探测相机的探测参数；
7.控制所述光学探测相机指向深空背景或冷屏进行探测成像，输出当前探测参数条件下的探测序列图像；
8.根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数；
9.基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值；
10.利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值；
11.计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标；
12.调整探测参数，重复以上步骤对所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标进行测试计算，得到不同探测参数组合下光学探测相机的性能指标。
13.根据本发明的一个方面，所述探测参数包括积分时间td和增益gd。
14.根据本发明的一个方面，所述探测序列图像为imgn(,i)j，其中，n＝1,2,3,表示探测序列图像的序号，(i,j)表示探测序列图像中每个像素的行列号，1≤i≤m，1≤j≤n，m
×
n表示探测序列图像或相机探测器的大小。
15.根据本发明的一个方面，所述根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数，包括：
16.根据光学图像数据处理需求，按照mb×
nb分块大小对所述探测序列图像imgn(i,j)进行滑窗处理，得到滑窗图像块bimg(k,l)，其中，(k,l)表示滑窗图像块各像素点在全图中的最小行列坐标，1≤k≤(n-nb)，1≤l≤(m-mb)，nb＜＜n，mb＜＜m；
17.以所述滑窗图像块bimg(k,l)为最小单元，根据以下公式分别计算每个滑窗图像灰度的均值e
(k,l)
和标准差σ
(k,l)
，
[0018][0019][0020]
设定所有滑窗图像灰度均值和标准差统计分析的门限值te和t
σ
，根据以下公式分别计算所有滑窗图像灰度均值的概率分布函数pe(e≤te)和所有滑窗图像灰度标准差的概率分布函数p
σ
(σ≤t
σ
)，
[0021][0022][0023]
其中，counttif(
·
)为条件计数函数，给出满足输入条件的数据个数。
[0024]
根据本发明的一个方面，所述基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值，包括：基于所述概率分布函数计算pe(e≤te)＝0.98和p
σ
(σ≤t
σ
)＝0.98时的图像灰度均值门限值te和图像灰度标准差门限值t
σ
。
[0025]
根据本发明的一个方面，所述利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值，包括：
[0026]
利用所述光学探测相机辐射两点法定标后输出的定标系数k和b，根据下式将所述图像灰度均值门限值te和图像灰度标准差门限值t
σ
转换为辐射强度均值门限值te″
和辐射强度标准差门限值t
σ
″
，
[0027][0028]
根据本发明的一个方面，所述计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标，包括：
[0029]
计算当前相机积分时间td和增益gd的条件下，根据下式计算所述光学探测相机的信噪比snr和动态范围指标dr，
[0030]
[0031][0032]
其中，i表示光学探测系统设计的典型目标强度；dn为常数，表示探测图像饱和灰度值。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034]
根据本发明实施例的方案，围绕光学探测相机目标探测需求，建立了光学探测相机信噪比与动态范围指标测试流程及计算方法，基于深空冷背景或冷屏探测计算得到的相机噪声，充分反映了探测相机全光路噪声大小，使指标计算结果更符合使用预期，动态范围计算结果更能反映探测相机实际可探测目标的大小范围，便于日常操作使用。采用概率分布函数统计方法对光学探测相机基底响应进行统计分析，计算其均值与噪声(标准差)，确保光学探测相机信噪比、动态范围等指标测试计算结果能够更准确地反映目标检测处理需求，从而支撑光学目标探测系统设计，且更符合数据处理算法需求，有利于针对性开展数据处理算法的优化设计。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1示意性表示本发明实施例公开的一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法的流程图；
[0037]
图2示意性表示本发明实施例公开的光学探测相机深空探测图像；
[0038]
图3示意性表示本发明实施例公开的得到的图像灰度均值和标准差的概率分布函数。
具体实施方式
[0039]
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
[0040]
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
[0041]
针对现有技术受黑体放置光路的约束和限制(如前光路或后光路定标)，不能准确反映全光路光学系统内部噪声和基底响应对信噪比与动态范围指标的影响的问题，围绕光学探测相机目标探测需求，本发明实施例公开一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法，采用概率分布函数统计方法对光学探测相机基底响应进行统计分析，确保光学探测相机信噪比、动态范围等指标测试结果能够更准确反映目标检测处理需求，
支撑光学目标探测系统设计。
[0042]
如图1所示，本发明以光学探测相机地面测试或在轨测试为例，对上述方法进行介绍。面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法包括的具体步骤如下：
[0043]
s110、设置光学探测相机的探测参数；
[0044]
s120、控制所述光学探测相机指向深空背景或冷屏进行探测成像，输出当前探测参数条件下的探测序列图像；
[0045]
s130、根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数；
[0046]
s140、基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值；
[0047]
s150、利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值；
[0048]
s160、计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标；
[0049]
s170、调整探测参数，重复步骤s120～s160对所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标进行测试计算，得到不同探测参数组合下光学探测相机的性能指标。
[0050]
本实施例中，步骤s110中的所述探测参数包括积分时间td和增益gd等。
[0051]
步骤s120中光学探测相机对深空背景探测成像，进行在轨测试，相机对冷屏探测成像，进行地面测试，输出当前积分时间td和增益gd条件下的所述探测序列图像为imgn(i,j)，其中，n＝1,2,3,
…
表示探测序列图像的序号，(i,j)表示探测序列图像中每个像素的行列号，1≤i≤m，1≤j≤n，m
×
n表示探测序列图像或相机探测器的大小。
[0052]
步骤s130中根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数的具体过程，包括以下步骤：
[0053]
根据光学图像数据处理需求，按照mb×
nb分块大小对所述探测序列图像imgn(i,j)进行滑窗处理，得到滑窗图像块bimg(k,l)，其中，(k,l)表示滑窗图像块各像素点在全图中的最小行列坐标，1≤k≤(n-nb)，1≤l≤(m-mb)，nb＜＜n，mb＜＜m；
[0054]
以所述滑窗图像块bimg(k,l)为最小单元，根据以下公式分别计算每个滑窗图像灰度的均值e
(k,l)
和标准差σ
(k,l)
，
[0055][0056][0057]
设定所有滑窗图像灰度均值和标准差统计分析的门限值te和t
σ
，根据以下公式分别计算所有滑窗图像灰度均值的概率分布函数pe(e≤te)和所有滑窗图像灰度标准差的概率分布函数p
σ
(σ≤t
σ
)，
[0058]
[0059][0060]
其中，counttif(
·
)为条件计数函数，给出满足输入条件的数据个数。
[0061]
步骤s140中基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值的具体过程，包括：示例性的，例如特定概率条件为98％，基于所述概率分布函数计算pe(e≤te)＝0.98和p
σ
(σ≤t
σ
)＝0.98时的图像灰度均值门限值te和图像灰度标准差门限值t
σ
。
[0062]
步骤s150中利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值的具体过程，包括如下步骤：
[0063]
利用所述光学探测相机辐射两点法定标后输出的定标系数k和b，根据下式将所述图像灰度均值门限值te和图像灰度标准差门限值t
σ
转换为辐射强度均值门限值t
′e′
和辐射强度标准差门限值t
′
σ
′
，
[0064][0065]
步骤s160中所述计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标的具体过程，包括如下步骤：
[0066]
计算当前相机积分时间td和增益gd的条件下，根据下式计算所述光学探测相机的信噪比snr和动态范围指标dr，
[0067][0068][0069]
其中，i表示光学探测系统设计的典型目标强度；dn为常数，表示探测图像饱和灰度值。
[0070]
下面以图2所示的红外光学探测相机对深空背景探测得到的探测图像为例对本实施例的面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法进行进一步说明。该探测图像大小为320
×
256，采用11
×
11滑窗，统计计算得到所有滑窗图像灰度均值的概率分布函数和所有滑窗图像灰度标准差的概率分布函数如图3所示，具体分别如图3的(a)和(b)所示。进一步可得到0.98概率条件下，图像灰度均值门限值te＝1375，图像灰度标准差门限值t
σ
＝252.5。利用相机定标系数计算得到辐射强度均值t
′e′
＝4.125w/sr，辐射强度标准差t
′
σ
′
＝0.7575w/sr。以光学探测相机设计典型目标强度i＝10w/sr、相机饱和灰度值dn＝16384为输入，计算得到该型光学探测相机的信噪比snr＝13.2，动态范围dr＝59.44。
[0071]
根据本发明实施例公开的上述方案，围绕光学探测相机目标探测需求，建立了光学探测相机信噪比与动态范围指标测试流程及计算方法，基于深空冷背景或冷屏探测计算得到的相机噪声，充分反映了探测相机全光路噪声大小，使指标计算结果更符合使用预期，动态范围计算结果更能反映探测相机实际可探测目标的大小范围，便于日常操作使用。采用概率分布函数统计方法对光学探测相机基底响应进行统计分析，计算其均值与噪声(标
准差)，确保光学探测相机信噪比、动态范围等指标测试计算结果能够更准确地反映目标检测处理需求，从而支撑光学目标探测系统设计，且更符合数据处理算法需求，有利于针对性开展数据处理算法的优化设计。
[0072]
对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。
[0073]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法，包括：设置光学探测相机的探测参数；控制所述光学探测相机指向深空背景或冷屏进行探测成像，输出当前探测参数条件下的探测序列图像；根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数；基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值；利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值；计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标；调整探测参数，重复以上步骤对所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标进行测试计算，得到不同探测参数组合下光学探测相机的性能指标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测参数包括积分时间t
d
和增益g
d
。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述探测序列图像为img
n
(i,j)，其中，n＝1,2,3,
…
表示探测序列图像的序号，(i,j)表示探测序列图像中每个像素的行列号，1≤i≤m，1≤j≤n，m
×
n表示探测序列图像或相机探测器的大小。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据光学图像数据处理需求，计算所述探测序列图像的统计特性的概率分布函数，包括：根据光学图像数据处理需求，按照m
b
×
n
b
分块大小对所述探测序列图像img
n
(i,j)进行滑窗处理，得到滑窗图像块bimg(k,l)，其中，(k,l)表示滑窗图像块各像素点在全图中的最小行列坐标，1≤k≤(n-n
b
)，1≤l≤(m-m
b
)，n
b
＜＜n，m
b
＜＜m；以所述滑窗图像块bimg(k,l)为最小单元，根据以下公式分别计算每个滑窗图像灰度的均值e
(k,l)
和标准差σ
(k,l)
，，设定所有滑窗图像灰度均值和标准差统计分析的门限值t
e
和t
σ
，根据以下公式分别计算所有滑窗图像灰度均值的概率分布函数p
e
(e≤t
e
)和所有滑窗图像灰度标准差的概率分布函数p
σ
(σ≤t
σ
)，)，其中，counttif(
·
)为条件计数函数，给出满足输入条件的数据个数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值，包括：基于所述概率分布函数计算p
e
(e≤t
e
)＝0.98和p
σ
(σ≤t
σ
)＝0.98时的图像灰度均值门限值t
e
和图像灰度标准差门限值t
σ
。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用所述光学探测相机辐射两点法将所述图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值，包括：利用所述光学探测相机辐射两点法定标后输出的定标系数k和b，根据下式将所述图像灰度均值门限值t
e
和图像灰度标准差门限值t
σ
转换为辐射强度均值门限值t
′
e
′
和辐射强度标准差门限值t
′
σ
′
，7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算当前探测参数条件下所述光学探测相机的信噪比和动态范围指标，包括：计算当前相机积分时间t
d
和增益g
d
的条件下，根据下式计算所述光学探测相机的信噪比snr和动态范围指标dr，比snr和动态范围指标dr，其中，i表示光学探测系统设计的典型目标强度；dn为常数，表示探测图像饱和灰度值。

技术总结
本发明涉及一种面向数据处理的光学探测相机信噪比与动态范围测试方法，包括：设置光学探测相机的探测参数；控制光学探测相机指向深空背景或冷屏进行探测成像，输出当前探测参数条件下的探测序列图像；根据光学图像数据处理需求，计算探测序列图像的统计特性的概率分布函数；基于概率分布函数计算特定概率条件下图像灰度统计特性的门限值；利用光学探测相机辐射两点法将图像灰度统计特性的门限值转换为辐射强度门限值；计算当前探测参数条件下光学探测相机的信噪比和动态范围指标；调整探测参数，重复以上步骤对光学探测相机的信噪比和动态范围指标进行测试计算，得到不同探测参数组合下光学探测相机的性能指标。组合下光学探测相机的性能指标。组合下光学探测相机的性能指标。


技术研发人员：薛永宏 赵震 李泽亚 张磊 晋利兵 饶鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军63921部队
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/16