微测辐射热计自适应动态范围设计方法

摘要

本发明公开了一种微测辐射热计自适应动态范围设计方法，偏置电压产生模块为探测器提供正常工作所需的模拟信号，数字信号通过接口传输到探测器上，模数转换芯片接收来自探测器的模拟视频信号并进行增益放大及带宽限制，并将处理过的信号进行模数转换，使其变为数字信号送至图像处理板上，图像处理板上的中央处理单元接收来自前端驱动电路的数字视频信号，并对所有的图像进行统计均值计算、阈值判断，从而实现对探测器动态范围进行调整，并最终通过标准视频芯片转换成PAL制的视频信号输出。本发明不仅能节省下大量的中央处理单元的资源，并且调整方法简单易行，原理清晰。

说明书

技术领域

本发明属于非制冷微测辐射热计自适应动态范围调整技术，特别是一种微测辐射热计自适应动态范围设计方法。

背景技术

对于一台红外热像仪整机系统而言，视频输出的制式和数模转换精度在设计初期就已经决定了，假设一台红外热像仪的视频输出使用的是10-bit的视频DA芯片，那么它最大可以处理的数字信号值为4096个LSB，超过该容限的值都会因为溢出而只能达到4096个LSB的大小，这种系统级的缺陷也在一定程度上限制了红外探测器焦平面的接收能力，当外界辐射的照度过大时，系统已经无法再进行分辨了，这样就给使用者的观测带来了很大的不便，同时，由于一般探测器的输出需要经过两点定标，一旦外界照度超过了该定标范围，以现有的系统就无法正常成像，目前也有很多实时校正算法通过不停的修改定标值来调整成像区间，但是这样做的结果一是因为大量的计算使得系统很难满足实时性的要求，二是因为占用了大量的系统资源而导致整机系统功耗过大，不适合长时间野外环境工作，因此，需要在深入了解微测辐射热计光电转换及读出过程的基础上需求更好的解决办法。

微测辐射热计是一种非制方式的探测器，开启之后不通过外接的制冷装置对焦平面进行降温及控温处理，而是通过热电稳定器对探测器的工作温度进行实时的控制。微测辐射热计的工作原理与大多数的红外探测器一致，在焦平面象元接收到来自外界的红外辐射后，由焦平面的光电转换效应将光流信号转变为电流信号，继而由连接焦平面(FPA)及输出管脚之间的读出电路(ROIC)将电流信号转化为电压信号并完成输出过程。该过程可以由下式1，2表示：

i＝i_photon+i_background+i_SH(1)

其中，i_photon为外接辐射的光电子引起的光电流大小，i_background为暗电流大小，i_SH为表面漏电流形成的等效分压电阻上的电流大小，该电流i经过ROIC的读出增益G的累积和积分电容的转换作用称为输出电压，如：

$V_{\mathrm{out}}=G\frac{\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{int}}}{\int }}\mathrm{idt}}{C_{\mathrm{int}}}---\left(2\right)$

其中，t_int为有效积分时间，C_int为积分电容容值。上式中得到的输出即为最终探测器输出的模拟信号值。

通过上面两个公式可以发现，在积分时间一定的条件下，探测器的输出除了与读出增益值有关外，还与外界辐射的光电子数有关，而与外界辐射的光子数有关，也就是外界的辐射照度值。如果环境照度十分大或者局部十分大时，在图像及视频上反应出来的情况就是整个图像大量饱和或者图像的一部分大量饱和，这就会给使用者带来目视上的问题，无法分辨清楚环境的真实情况，而这种饱和的来源就是信号的幅值超过了系统DA的分辨能力，对于这种情况，很多科研机构使用大量的算法来进行图像灰度的动态拉伸，以期待能够将图像灰度进一步区分，如各种直方图均衡算法等，而大量的算法会占用更多的中央处理单元的芯片资源，不仅加重了数据流的处理速度，也消耗了更多的功率，给系统造成了更大的压力。虽然由于探测器焦平面的制作工艺的缺陷导致焦平面的光电转换过程并不是一个完全线性的过程，但是也是一个单调递增的过程，即i_photon的值会随着辐射照度的增大而增大。外界辐射的值对于设计者来说是无法控制的，因此只有通过实时的调整读出电路增益的大小和调整输出信号的动态范围，使其工作在额定的工作范围及DA芯片的动态范围之内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微测辐射热计自适应动态范围设计方法，能够针对被探测的环境中场景及目标辐射照度的大小变化而实时调整探测器输出信号动态范围。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微测辐射热计自适应动态范围设计方法，微测辐射热计包括图像处理板、前端驱动电路和探测器，前端驱动电路由偏置电压产生模块、模数转换芯片、与探测器和图像处理板分别连接的接口组成，偏置电压产生模块为探测器提供正常工作所需的模拟信号，数字信号通过接口传输到探测器上，模数转换芯片接收来自探测器的模拟视频信号并进行增益放大及带宽限制，并将处理过的信号进行模数转换，使其变为数字信号送至图像处理板上，图像处理板上的中央处理单元接收来自前端驱动电路的数字视频信号，并对所有的图像进行统计均值计算、阈值判断，从而实现对探测器动态范围进行调整，并最终通过标准视频芯片转换成PAL制的视频信号输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)只利用在中央处理单元中一些很简单的判断条件为基础，通过硬件修改的方式对探测器的动态范围进行修改，配合公式2中的计算来修正探测器输出信号的直流电平和动态范围，这样不仅能节省下大量的中央处理单元的资源，并且调整方法简单易行，原理清晰。

(2)能够针对被探测的环境中场景及目标辐射照度的大小变化而实时调整探测器输出信号动态范围，不仅能够实时追踪入射辐射的照度大小，而且通过照度的改变调整探测器输出信号的读出增益和输出信号的动态范围，使得探测器的输出始终保持在有效的动态范围内。

(3)能够大大减少整机中控内核中算法的处理压力，减少算法对内核芯片的资源占有率，从而大大减少整机功耗。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是系统结构功能模块图。

图2是读出电路结构原理图。

图3是未调整探测器输出信号的红外图像。

图4是调整了探测器输出信号的红外图像。

具体实施方式

本发明微测辐射热计自适应动态范围设计方法，需要整台系统的配合操作来实现对探测器输出的动态范围的修改，其系统框图如图1所示，整套系统包含三个主要部分：探测器，前端驱动电路和图像处理电路。其中，探测器包含焦平面和读电路，其中，焦平面接收来自外界的红外辐射，并通过光电转换效应将光信号转换成电信号，读出电路接收焦平面转换而来的电信号，并通过外加的VFID和VEB偏置电压与内部的列放大器共同作用，将电信号进行积分放大，以模拟视频信号的形式输出。前端驱动电路由偏置电压产生模块、与探测器接口及与图像处理板的接口组成，主要作用是为探测器提供正常工作所需的数字及模拟信号，接收来自探测器的模拟视频信号并进行增益放大及带宽限制，并将处理过的信号进行模数转换，使其变为数字信号送至图像处理板上。图像处理板由中央处理单元FPGA+DSP、存储器、标准视频芯片和与前端驱动电路的接口组成，其主要的作用是接收来自前端驱动电路的数字视频信号，并进行所有的图像统计均值计算、阈值判断，从而实现对探测器动态范围进行调整，并最终通过标准视频芯片转换成PAL制的视频信号输出。前端驱动电路和图像处理板的接口主要包括送给探测器的数字信号，经过模数转换后的数字视频信号，以及对于探测器动态范围调整所需要的控制的VFID和VEB电压的数字信号。

从图1中可以看出，对于探测器的读出电路的调整是通过DSP+FPGA的中央处理单元来实现的，中央处理单元通过前端近贴驱动电路实现对探测器的控制，改变探测器读出电路的动态范围的大小及输出可以通过修改探测器的FID及EB两个管脚的电压来实现，这两个管脚连接在探测器内部的读出电路上，分别控制积分电流的大小和探测器积分电路的基准电平，图2为探测器读出电路结构简图：该读出电路的工作方式为CTIA(电容跨导放大)方式，即在TIA的放大器上跨接一个积分电容，当电容上方的开关闭合时，积分电路不工作，此时探测器输出无效，当开关打开时开始对外积分输出，依据探测器资料的说明，VPOL为0V，因此在一列象元的工作过程中，由FID电压来控制电流的大小，该电流经过积分变为电压后就表现为动态范围，因此FID电压的大小用以控制探测器输出的动态范围值，EB电压控制探测器输出的直流电平的大小，从图中可以看出，减小FID的值会增大探测器的动态范围，减小EB的值会减小探测器输出的直流电平，因此，通过修改这两个电压值可以实现对探测器输出信号的全面调整，从而选择最适合的探测器工作状态。

对于探测器的读出电路的调整是通过DSP+FPGA的中央处理单元来实现的，中央处理单元通过前端近贴驱动电路实现对探测器的控制，改变探测器读出电路的动态范围的大小及输出可以通过修改探测器的FID及EB两个管脚的电压来实现，这两个管脚连接在探测器内部的读出电路上，分别控制积分电流的大小和探测器积分电路的基准电平。

整套系统以DSP+FPGA为中央处理单元，进行图像处理及外部控制功能，搭载有一套前端近贴驱动板，近贴板主要功能是提供探测器正常工作的所有偏置电压，包括VFID和VEB这两个电压，同时接收探测器输出的模拟信号，并对其进行放大和AD转换变为数字信号送至中央处理单元，近贴驱动板还接受来自中央处理单元的数字信号以对探测器进行配置，为了要实现对VFID和VEB电压的自适应修改，在近贴驱动板上使用高精度的DA芯片来提供这两种电压，并且将DA芯片的地址线，数据线与中央处理单元相连接，具体的检测方式如下：

1、由中央处理单元接收每一帧的数字信号，并对当前帧的各个像素值进行统计，将每个像素点的响应值取和运算，然后将加和的总值求平均。

2、在中央处理单元中对数模转换芯片的中间值设置成“温度阈值”，例如，使用14位的AD转换芯片，那么其最大分辨能力为16384，令6000-8000的数值段为其阈值段，用以与后面统计平均的到的图像温度值进行比较判断。然后在微测辐射热计正常工作时，对每一帧图像数据都进行统计平均操作，并将平均值与设置好的“温度阈值”进行一次取差比较。

3、将差值进行判断，判断结果分别为“温度过高”，“温度过低”及温度合适，当一次取差结果未超过温度阈值的范围时，则认为当前被观测的场景中的目标温度基本合适，不会引起过量的数据饱和现象，则此时不用对探测器的VFID和VEB电压进行自适应调整，相反，当一次取差结果超过度阈值的上下限20％时开始进行二次比较，确定当前的环境照度是否确实超过度阈值的上下限20％时，如果是，则温度过高或温度过低，需要对探测器动态范围进行调整。

4、二次比较与一次取差比较的不同之处在，一次取差比较以单帧的温度统计值为进行是否进行二次判断的基础，其只要有一帧数据的统计平均值超过了温度阈值就认为当前的被观测场景温度可能过大或过小；二次比较是将连续多帧图像数据全部加和然后进行平均操作，用此时得到的平均值再与温度阈值进行比较，判断当前的连续若干帧的数据都超过阈值上下的20％时，则认为当前的环境照度确实过强或者过弱，需要对探测器的动态范围进行调整，调整方法如下。

(1)中央处理单元针对当前二次比较统计出来的平均值超过温度阈值的多少来决定对VFID和VEB电压需要调整到何种确定值，如下表所示：

  ＜40％  ＜20％  不超过  ＞20％  ＞40％  VFID  1.615V  1.464V  不修改  1.392V  1.092V  VEB  3.093V  2.902V  不修改  2.809V  2.067V

(2)中央处理单元通过图像处理板与前端近贴驱动板上用于调整VFID和VEB电压的专用数字接口向配置该两个电压的DA芯片重新发送相应的地址及数据，DA芯片接收到数据后由内部寄存器重新配置输出的FID及EB电压值。

(3)探测器读出电路接收到新的配置电压值后会自动的增大或减小输出信号的直流电平水平，同时拉伸或压缩输出信号的动态范围。

(4)当探测器重新输出合适的视频信号后，中央处理单元继续对当前图像数据流进行监测，当被观测的目标因为变换场景或者温度升高而重新符合本技术的判断条件后，则重新开始进行阈值判断，电压调整等相应技术过程。

图3、图4分别为未调整探测器输出信号及调整探测器输出信号的红外图像，以局部照度过大为例：

在图3中，由于未对探测器输出信号进行调整，观察烙铁时由于烙铁过热，导致局部照度十分强，烙铁本身出现大量的饱和现象，并且由于烙铁的影响，后面放置的一个水杯几乎无法被观察到，这时，系统的检测机制就对前端电路发出调整指令及调整电压值，图4为重新配置VFID及VEB电压后的探测器输出红外图像，可以看出，烙铁最热的部分虽然仍然饱和，但是图像整体灰度对比更加明显，并且后面的水杯也可以被清除的观察到，从这两幅图的鲜明对比可以看出，该方法对于调整探测器的输出动态范围确实起到了实际的效果。