星载红外线列扫描成像系统暗背景的抑制方法及其装置

摘要

一种星载红外线列扫描成像系统暗背景的抑制方法及其装置，其方法步骤：S1、相机先扫描地球外冷空间，采集低温背景并将其和系统固有背景信号一起存入存储器，S2、关闭背景采集将存储的暗背景信号恢复成模拟信号送后级减法器；S3、相机扫描地球，将探测器对景物的响应经前放后送后级减法器与暗景模拟信号作逐行逐像元相减，消除系统固有暗背景。其装置中前置放大器经通路开关选择性地开关连接暗背景采集存储单元和暗背景恢复单元形成暗背景采集与恢复通路；线列探测器对景物的响应经前置放大器后藉通路开关闭合直接送后级减法器，与暗背景作逐行逐像元相减，消除系统的固有背景信号。本发明抑制了系统的固有暗背景，提高了动态范围和图像温度分辨率。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种星载红外线列成像系统暗背景的抑制方法及装置，具体地说，是一种在红外长线列探测器成像系统扫描成像过程中，红外仪器的暗背景信号过大，限制前端模拟信号输入的动态范围而导致红外图像温度分辨率下降的解决方法及装置。

背景技术

现代红外成像系统的核心器件是焦平面阵列(focal plane array FPA)，包括探测器和信号读出电路。由于红外探测器材料、制造工艺、探测器内部读出电路等的影响，例如，以中国科学院上海技术物理研究所研制的MCT2048×1长线列中波探测器为核心的星载红外成像仪器就存在一个影响动态范围的固有的暗背景信号，需要在信号前端对前端信号进行预处理。通常，红外成像系统的暗背景信号过大，足以淹没图像信号，在无光照的条件下，形成固定图形噪声，使微弱的图像信号淹没在不均匀性的强暗背景下。此外，暗信号过大缩小了系统的动态范围，限制了后端放大电路对信号的放大倍数。这里，所说的固有暗背景信号包括探测器暗电流和系统腔体热辐射所产生的暗背景信号。

由于固有暗背景信号的存在，使得部分像元输入到A/D的信号不能充满AD的满量程，而另外一部分像元信号却已经饱和，这样反映在图像上就变成大面积的白块，丢失了图像的细节；放大倍数过小，则图像偏暗，灰度范围很窄，而且主要集中在低灰度级上，这样，使得获取的图像信号模糊不清、畸变，降低空间分辨率和温度分辨率。

发明内容：

如上所述，如何消除红外仪器中的固有暗背景，提高前端输入信号的动态范围，以提高系统的温度分辨率，乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种暗背景抑制方法及装置，通过外围电路中暗背景抑制装置对红外探测器输出的模拟前端信号进行预处理，使输入信号的动态范围能进一步拓展，而不使图像信号失真。

本发明的技术方案是：提供一种消除星载红外仪器暗背景的方法，采用模数混合电路实现，以拓展信号动态范围，提高系统温度分辨率。包含下列步骤：

S1、扫描相机先扫描地球外冷空间，采集低温背景并将低温背景信号和该成像系统的固有背景信号一起存入存储器，

S2、之后，扫描相机扫描地球，关闭数据采集输入通道，将存储于存储器的暗背景信号恢复成模拟信号送至后级减法器，以及

S3、扫描相机扫描地球，把线列探测器对景物的响应经前置放大器后直接送后级减法器，与步骤S2中送出的暗景模拟信号进行逐行逐像元相减，完成对系统固有暗背景信号的消除。

根据本发明的一种星载红外线列扫描成像系统暗背景的抑制装置，系以电路连接系统的前置放大器和经后级放大器连接系统的ADC阵列的一数模混合电路，其中：前置放大器藉助通路开关选择性地开关连接暗背景采集/存储单元和暗背景恢复单元而形成暗背景采集与恢复通路，输出暗背景模拟信号至后级减法器；前置放大器由通路开关选择闭合而形成暗背景消除通路，线列探测器对景物响应经过前置放大器后直接送后级减法器，与暗背景模拟信号进行逐行逐像元相减，差分信号经后级放大器放大送系统ADC阵列。

所述暗背景采集与恢复通路包括依次成电路连接的放大器、A/D转换器阵列，并串转换器，FPGA、SRAM、串并转换器、多路D/A转换器阵列和连接后级减法器的模拟输出通道，其中还有对FPGA进行操作控制的外部控制单元。

本发明的优点是：由于建立了暗背景采集与恢复通路结构，并配合暗背景消除通路结构，有效地抑制了系统的固有暗背景信号，明显提高线列探测器对景物响应的动态范围，充分利用了A/D的量化比特数，提高图像温度的分辨率。

附图说明：

图1是本发明的实施例扫描区域示意图。

图2是本发明的抑制系统固有暗背景信号的装置原理示意图。

图3是本发明的暗背景抑制电路框图。

图4A与图4B是本发明的地面成像实验对比图。

具体实施方式：

下面根据图1～图3给本发明的较好实施例。

由图1，扫描区域为东西3°，南北20°，卫星从南到北每扫描一次就会有两次扫描到地球外空间，此时可以进行低温暗背景信号的采集。每次扫描到地球外的冷空间时可以更新背景数据。

具体实施方式为：

实施例1根据图1～图3星载红外线列扫描成像系统暗背景的抑制步骤如下：

S1、暗背景采集：在扫描相机扫描地球外的冷空间时，线列探测器的响应经过前置放大器41后，送到多路A/D转换器阵列42转换成数字信号，为提高信噪比，采集16行数据，这样信噪比可以提高4倍，经过FPGA44累加平均后，做为暗背景行送SRAM45暂存；

S2、暗背景恢复：当扫描相机扫描地球时，关闭数据采集输入通道，通过FPGA44进行时序控制，将对应模块、对应像元的数据循环读出，送串并转换器51和DAC阵列52转换，转换后的模拟信号经模拟输出通道53输出，直到后级减法器6；

S3、暗背景消除：在扫描相机扫描地球时，线列探测器1对景物的响应经过前置放大器2后直接送后级减法器6，与暗背景行进行逐行相减，完成暗背景消除，之后，经放大、滤波后送系统的A/D转换器阵列，这样可以使信号的动态范围得到拓展，最大限度地利用到A/D的量化bit数，提高温度分辨率。

实施例2

在地面成像演示系统中，具体实施步骤如下：

S1、暗背景采集包括：

S1.1、根据工作方式确定系统扫描周期20秒、像元输出时钟频率1MHZ，在整个扫描成像过程中不变；

S1.2、用低温黑板将相机光学镜头遮起，模拟地球外空间低温背景，作为基底信号；

S1.3、外部控制部件30的信号设置为“采集有效”，打开AD通道，采集此时行信号作为暗背景行信号；

S1.4、采集16行数据后，进行累加平均以提高信噪比、降低随机噪声影响；

S2、暗背景恢复包括：

S2.1、去除低温黑板；

S2.2、外部控制部件30的信号设置为“输出有效”，打开DA通道，将输出的数字信号转换为模拟信号送出；

S3、暗背消除包括步骤：

S3.1、恢复正常扫描工作方式，对景物进行成像，将景物信号与暗背景信号经过减法器6进行相减，消除暗背景的影响；

S3.2、做减法后的信号进一步放大，提高信号动态范围，可以输入后级的AD采集阵列进行图像信号采集。

通过本发明，利用中国科学院上海技术物理所研制的MCT2048×1中波探测器成像系统进行成像实验，实验结果表明(见图4A和图4B)，前端模拟信号的动态范围得到了很大的拓展，提高了图像的温度分辨率，达到了抑制系统固的暗背信号的目的。

实施例3

根据图2和图3给出星载红外线列扫描成像系统暗背景的抑制装置的一个较好实施例，如图2所示，本实施例是一个连接前置放大器和经后级放大器7连接系统ADC阵列的数模混合电路，其中：前置放大器2藉助通路开关3选择性开关连接暗背景采集/存储单元4和暗景恢复单元5形成暗背景采集与恢复通路，而向后级减法器6提供暗背景模拟信号；而另一方面，前置放大器2经由通路开关3切断暗背景采集通路而选择性地闭合形成暗背景消除通路，线列探测器1经由前置放大器2直接将采集景物模拟信号送后级减法器6，与来自暗背景恢复单元5的背景行模拟信号进行逐行逐像元相减，消除了系统的固有暗背景信号。

如图3所示，暗背景采集与恢复通路包括依次成电路连接的放大器41，多路A/D转换器阵列42、并串转换器43、FPGA44、SRAM45，串并转换器51，多路D/A转换器阵列52和连接后级减法器6的模拟输出通道53，其中，还有对FPGA44进行操作控制的控制单元30。背景采集与恢复通路实际上用来实施暗背景采集与恢复，即实现本发明方法中的步骤S₁和步骤S₂。