RU2065669C1

RU2065669C1 - Photodetector device which compensates variations in characteristics of photo sensitive elements

Info

Publication number: RU2065669C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Савченко
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1996-08-20

Abstract

FIELD: optical electronics. SUBSTANCE: device may be used TV devices, infra-red TV devices, instruments, which have linear and matrix photodetectors. Device has facet photodetector unit 1, adder 2, output controlled amplifier 3, first and second memory units 4 and 5, first and second reverse pulse counters 6 and 7, first and second digital-to-analog converters 8 and 9, reference voltage source 10, first and second comparators 11 and 12, synchronization oscillator 13, address counter 14, zero line 15. When frame is generated, device has three operating modes - mode for generation of compensation code for compensation of signal drift in each element of unit 1, mode for generation of sensitivity correction code for each element of unit 1, and correction mode, which compensates signal drift and variations in sensitivity for each element of unit 1 using value that are calculated in previous modes. EFFECT: increased precision of compensation of variations in sensitivity for photo- sensitive elements, increased efficiency of device operations. 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптической электронике и может использоваться в телевизионных и тепловизионных системах, измерительных системах, содержащих линейные и матричные фотоприемники. The invention relates to optical electronics and can be used in television and thermal imaging systems, measuring systems containing linear and matrix photodetectors.

Известно фотоприемное устройство с компенсацией неоднородностей /1/, содержащее матричный фотоприемник, интегратор, два дифференциальных усилителя, аналоговый делитель, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, синхрогенератор, источник опорного напряжения. В данном устройстве имеется ошибка компенсации за счет нелинейности делителя аналоговых сигналов и неидентичности характеристик аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Known photodetector with compensation of inhomogeneities / 1 /, containing a matrix photodetector, integrator, two differential amplifiers, an analog divider, adder, analog-to-digital converter, a memory unit, digital-to-analog converter, a clock generator, a voltage reference source. This device has a compensation error due to the nonlinearity of the analog signal divider and the non-identical characteristics of the analog-to-digital and digital-to-analog converters.

Известно также фотоприемное устройство с компенсацией различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников [2] содержащее формирователь тактовых импульсов, матрицу фотоприемников, интегратор, суммирующий усилитель, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, компаратор, логический блок и коммутатор. Also known is a photodetector with compensation for differences in the sensitivity of the elements of the photodetector array [2] comprising a clock pulse generator, a photodetector array, an integrator, a summing amplifier, a memory unit, a digital-to-analog converter, a reference voltage source, a comparator, a logic unit, and a switch.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является фотоприемное устройство с компенсацией различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников /3/, содержащее синхрогенератор, матрицу фотоприемников, интегратор (блок предварительной обработки сигнала), суммирующий усилитель, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, в состав которого входит счетчик кадров, триггер, дешифратор, логические элементы НЕ, ИЛИ, И. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a photodetector with compensation for differences in the sensitivity of the elements of the photodetector array / 3 /, containing a clock, an array of photodetectors, an integrator (signal preprocessing unit), a summing amplifier, a memory unit, a digital-to-analog converter, a source reference voltage, a comparator and a logical unit, which includes a frame counter, trigger, decoder, logical elements NOT, OR, I.

Общим недостатком устройство /1.3/ является невысокая точность компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов приемника, вызванная наличием дрейфа сигнала элементов. Каждый фоточувствительный элемент имеет свою величину дрейфа сигнала и свою чувствительность. Недостатком прототипа является также невысокая эффективность функционирования. Это связано с тем, что каждый раз в период формирования и уточнения коэффициентов коррекции, т. е. в течение "n" кадров ("n" разрядность кодов коррекции), устройство не формирует рабочий информационный видеосигнал. Для многих систем потеря информации в течение "n" кадров недопустима (например, системы слежения за объектами). A common disadvantage of the /1.3/ device is the low accuracy of the compensation for the dispersion of the parameters of the photosensitive elements of the receiver, caused by the presence of a drift in the signal of the elements. Each photosensitive element has its own signal drift value and its sensitivity. The disadvantage of the prototype is also the low efficiency of functioning. This is due to the fact that every time during the formation and refinement of correction coefficients, that is, during the "n" frames ("n" bits of the correction codes), the device does not generate a working information video signal. For many systems, loss of information during "n" frames is unacceptable (for example, object tracking systems).

Целью изобретения является повышение точности компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов и повышение эффективности функционирования устройства. The aim of the invention is to increase the accuracy of compensation for the variation in the parameters of photosensitive elements and to increase the efficiency of the device.

Технический результат достигается тем, что в фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов, содержащее последовательно соединенные блок многоэлементного фотоприемника, синхровход которого соединен с синхрогенератором, сумматор, другой вход которого подключен к выходу первого цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), выходной усилитель и первый компаратор, к другому входу которого подключен источник опорного напряжения, счетчик адреса, вход которого подключен к выходу синхрогенератора, первый блок оперативной памяти, введены второй блок оперативной памяти, между выходом сумматора и входами первого ЦАП включены последовательно соединенные второй компаратор, к другому входу которого подключена нулевая шина, и первый счетчик импульсов, входы и выходы которого подключены к входам-выходам первого блока оперативной памяти, между выходом первого компаратора и входом управления выходного усилителя включены последовательно соединенные второй счетчик импульсов и второй ЦАП, входы-выходы второго блока оперативной памяти подключены ко входам и выходам второго счетчика импульсов, при этом адресные входы первого и второго блоков оперативной памяти подключены к выходам счетчика адреса. The technical result is achieved in that in a photodetector with compensation for the dispersion of parameters of photosensitive elements, containing a series-connected unit of a multi-element photodetector, the sync input of which is connected to a sync generator, an adder, the other input of which is connected to the output of the first digital-to-analog converter (DAC), the output amplifier and the first a comparator, to the other input of which a reference voltage source is connected, an address counter, the input of which is connected to the output of the clock generator, first the second RAM block, a second RAM block is introduced, between the output of the adder and the inputs of the first DAC, a second comparator is connected in series, the zero bus is connected to the other input of it, and the first pulse counter, the inputs and outputs of which are connected to the inputs and outputs of the first RAM block , between the output of the first comparator and the control input of the output amplifier, a second pulse counter and a second DAC are connected in series, the inputs and outputs of the second RAM block are connected us to the inputs and outputs of the second pulse counter, the address inputs of the first and second blocks of RAM are connected to the outputs of the address counter.

Достоинством предлагаемого устройства является то, что кроме повышения точности компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов за счет осуществления компенсации дрейфа сигнала каждого элемента, повышается также эффективность функционирования устройства, заключающаяся в возможности формирования рабочего информационного сигнала и одновременного уточнения корректирующих кодов (уточняются младшие разряды кодов) в каждом кадре в установившемся режиме. The advantage of the proposed device is that in addition to increasing the accuracy of compensation for the dispersion of the parameters of photosensitive elements by compensating for the drift of the signal of each element, the efficiency of the device also increases, consisting in the possibility of generating a working information signal and at the same time updating the correcting codes (the least significant bits of the codes are specified) in each frame in steady state.

На чертеже представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства. The drawing shows a structural electrical diagram of the proposed device.

Фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов содержит блок 1 многоэлементного фотоприемника, сумматор 2, выходной (регулируемый) усилитель 3 (регулируется коэффициент передачи), первый 4 и второй 5 блоки оперативной памяти, первый 6 и второй 7 счетчики импульсов (реверсивные), имеющие по выходу третье высокоимпедансное состояние, первый 8 и второй 9 цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), источник 10 опорного напряжения, первый 11 и второй 12 компараторы, синхрогенератор 13, счетчик 14 адреса, нулевая шина 15. A photodetector device with compensation for the dispersion of the parameters of the photosensitive elements contains a block 1 of a multi-element photodetector, an adder 2, an output (adjustable) amplifier 3 (adjustable transmission coefficient), the first 4 and second 5 blocks of RAM, the first 6 and second 7 pulse counters (reversible), having the output is the third high-impedance state, the first 8 and second 9 digital-to-analog converters (DACs), a voltage reference source 10, the first 11 and second 12 comparators, a clock 13, an address counter 14, a zero bus 15.

Блок 1 многоэлементного фотоприемника состоит из самого многоэлементного фотоприемника и устройства предварительной обработки сигнала, которое может выполнять функции усиления, интегрирования, фильтрации, выборки и т.д. сигнала фотоприемника в зависимости от типа последнего и выбранного способа выделения сигнала из шума. Block 1 of a multi-element photodetector consists of the most multi-element photodetector and a signal preprocessing device, which can perform the functions of amplification, integration, filtering, sampling, etc. photodetector signal depending on the type of the last and selected method of extracting the signal from noise.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В течение периода формирования кадра изображения (периода кадров) существуют три режима работы устройства: режим формирования компенсации дрейфа сигнала для каждого элемента блока 1, режим формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента блока 1 и режим коррекции, в течение которого формируется рабочий информационный видеосигнал. В любом режиме работы под воздействием синхроимпульсов синхрогенератора 13 и с помощью счетчика 14 адреса осуществляется последовательная выборка адреса ячеек блоков 4 и 5 оперативной памяти синхронно со считыванием сигнала с элементов блока 1. Для каждого элемента блока 1 имеется одна ячейка памяти в блоке 4 для хранения кода компенсации дрейфа и одна ячейка памяти в блоке 5 для хранения кода коррекции чувствительности. После подачи питания на устройство в ячейках памяти блоков 4 и 5 окажутся случайные значения кодов. Формирование кодов для каждого элемента блока 1 осуществляется методом последовательных приближений. During the period of formation of the image frame (frame period), there are three modes of operation of the device: the mode of generating compensation for signal drift for each element of block 1, the mode of generating the sensitivity correction code for each element of block 1, and the correction mode during which a working information video signal is generated. In any operating mode, under the influence of the clock pulses of the clock generator 13 and using the address counter 14, the address of the cells of blocks 4 and 5 of the random access memory is sequentially sampled simultaneously with the signal from the elements of block 1. For each element of block 1, there is one memory cell in block 4 for storing code drift compensation and one memory cell in block 5 for storing the sensitivity correction code. After power is supplied to the device, random values of codes will appear in the memory cells of blocks 4 and 5. The formation of codes for each element of block 1 is carried out by the method of successive approximations.

Рассмотрим режим формирования кода компенсации дрейфа сигнала для каждого элемента блока 1, при котором фотоприемник блока 1 или затемняется, или на него падает слабый равномерный поток излучения, задающий уровень черного в устройстве. Пусть в этом режиме на первый вход сумматора 2 поступает сигнал с выхода блока 1, соответствующий первому элементу блока 1. Одновременно с первой ячейки блока 4 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания, считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 8 и в параллельном виде в реверсивный счетчик 6, который в это время по выходу находится в третьем высокоимпедансном состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 8 поступает на второй вход сумматора 2, выходной сигнал которого сравнивается на компараторе 12 с нулевым напряжением шины 15. Результат сравнения в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 6, причем, если сигнал с выхода сумматора 2 больше нулевого уровня, содержимое реверсивного счетчика уменьшается, если меньше увеличивается. После этого блок 4 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третье высокоимпедансное состояние по выходу реверсивного счетчика 6 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 6 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое первой ячейки блока 4 оперативной памяти обновляется. При поступлении на вход сумматора 2 сигналов, соответствующих другим элементам блока 1, процесс повторяется по описанному выше алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 4 оперативной памяти. Consider the mode of generating a signal drift compensation code for each element of block 1, in which the photodetector of block 1 either dims or a weak uniform radiation flux falls on it, which sets the black level in the device. Let in this mode, the first input of adder 2 receives a signal from the output of block 1 corresponding to the first element of block 1. At the same time, the parallel code is read from the first cell of the block 4 of the random access memory, which is in read mode, and written to the internal register of the DAC 8 and in parallel form to the reversible counter 6, which at the time of exit is in the third high-impedance state. The analog output signal of the DAC 8 is fed to the second input of the adder 2, the output signal of which is compared on the comparator 12 with a zero bus voltage 15. The result of the comparison in the form of a logical zero or one is fed to the control input of the reversible counter 6, and if the signal from the output of the adder 2 is greater zero level, the contents of the reverse counter decreases if it increases less. After that, the RAM block 4 is transferred to the information recording mode, the third high-impedance state at the output of the reverse counter 6 is removed and its contents are recorded in the first cell. Then the reverse counter 6 is again transferred to the output in the third state. Thus, the contents of the first cell of the block 4 of RAM is updated. Upon receipt of the input of the adder 2 signals corresponding to other elements of block 1, the process is repeated according to the algorithm described above, but the information in other cells of block 4 of the RAM is updated.

Очевидно, что с увеличением числа опросов каждого элемента блока 1, сигнал на выходе сумматора 2 будет приближаться к напряжению шины 15 и сравняется с ним в последующих кадрах изображения. Привязка сигнала к нулевому уровню напряжения является устранением дрейфа сигнала элементов блока 1. Для обеспечения возможности работы ЦАП 8 в биполярном режиме учитывается инверсное значение старшего разряда реверсивного счетчика 6, выполняющего роль знакового разряда. Obviously, with an increase in the number of polls for each element of block 1, the signal at the output of the adder 2 will approach the voltage of the bus 15 and will be equal to it in subsequent frames of the image. The binding of the signal to the zero voltage level is the elimination of the signal drift of the elements of unit 1. To ensure the possibility of the DAC 8 in bipolar mode, the inverse value of the high order of the reverse counter 6, which acts as a sign discharge, is taken into account.

Сформированный код компенсации дрейфа сигнала для каждого элемента блока 1 хранится в ячейках блока 4 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра с изменением не более чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента блока 1. The generated signal drift compensation code for each element of block 1 is stored in the cells of block 4 of random access memory and is refined in each new period of frame formation with a change of no more than one low order unit during a single interrogation of an element of block 1.

В режиме формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента блока 1 на фотоприемник этого блока подается равномерный поток излучения, причем его величина приходится примерно на середину динамического диапазона по облученности фотоприемника. In the mode of generating the sensitivity correction code for each element of block 1, a uniform radiation flux is supplied to the photodetector of this block, and its value falls on about the middle of the dynamic range of the irradiation of the photodetector.

В этом режиме реверсивный счетчик 6 по выходу находится в третьем высокоимпедансном состоянии, а блок 4 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода компенсации дрейфа сигнала для каждого элемента блока 1. Считываемый код записывается в ЦАП 8 синхронно со считыванием сигнала с элементов блока 1. Пусть в этом режиме на вход регулируемого усилителя 3 поступает сигнал с выхода сумматора 2, соответствующий первому элементу блока 1. Одновременно с первой ячейки блока 5 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания, считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 9 и в параллельном виде в реверсивный счетчик 7, который в это время по выходу находится в третьем состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 9 поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 3, который изменяет свой коэффициент передачи. Выходной сигнал регулируемого усилителя 3 сравнивается на компараторе 11 с опорным напряжением источника 10. Результат сравнения в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 7. Пусть коэффициент передачи регулируемого усилителя 3 увеличивается с увеличением управляющего напряжения, тогда, если сигнал с выхода регулируемого усилителя 3 больше опорного напряжения, содержимое реверсивного счетчика 7 уменьшается, если меньше - увеличивается. После этого блок 5 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третьей состояние по выходу реверсивного счетчика 7 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 7 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое первой ячейки блока 5 оперативной памяти обновляется. При поступлении на вход регулируемого усилителя 3 сигналов, соответствующих другим элементам блока 1, процесс повторяется по описанному выше алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 5 оперативной памяти. In this mode, the reverse counter 6 is in the third high-impedance state at the output, and the RAM block 4 operates only in the readout mode of the signal drift compensation code for each element of block 1. The read code is written to the DAC 8 synchronously with the signal from the elements of block 1. Let in this mode, the signal from the output of the adder 2 corresponding to the first element of block 1 is received at the input of the adjustable amplifier 3 , Parallel code is read and written into the internal register of the DAC 9 and in a parallel form in the up-down counter 7, which at this time is output in the third state. The output analog signal of the DAC 9 is fed to the control input of an adjustable amplifier 3, which changes its transmission coefficient. The output signal of the adjustable amplifier 3 is compared on a comparator 11 with the reference voltage of the source 10. The result of the comparison in the form of a logical zero or unity is supplied to the control input of the reversible counter 7. Let the transfer coefficient of the adjustable amplifier 3 increase with increasing control voltage, then if the signal from the output of the adjustable amplifier 3 more than the reference voltage, the contents of the reverse counter 7 decreases, if less, increases. After that, the RAM block 5 is transferred to the information recording mode, the third state at the output of the reverse counter 7 is removed and its contents are recorded in the first cell. Then the reverse counter 7 is again transferred to the output in the third state. Thus, the contents of the first cell of the block 5 of the RAM is updated. Upon receipt of the input of the adjustable amplifier 3 signals corresponding to other elements of unit 1, the process is repeated according to the algorithm described above, but the information in other cells of the RAM unit 5 is updated.

С увеличением числа опросов каждого элемента блока 1 сигнал на выходе регулируемого усилителя 3 будет приближаться к опорному напряжению источника 10 и сравняется с ним в последующих кадрах изображения. Таким образом, для каждого элемента блока 1 методом последовательных приближений будет сформирован свой код коррекции чувствительности, который хранится в соответствующей ячейке блока 5 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра с изменением не более чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента блока 1. В режиме формирования кода компенсации дрейфа сигнала для каждого элемента блока 1 реверсивный счетчик 7 по выходу находится в третьем состоянии, а блок 5 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода коррекции чувствительности. With an increase in the number of polls of each element of block 1, the signal at the output of the adjustable amplifier 3 will approach the reference voltage of the source 10 and will become equal in subsequent frames of the image. Thus, for each element of block 1, a method of successive approximations will generate its own sensitivity correction code, which is stored in the corresponding cell of RAM block 5 and refined in each new period of the frame formation with a change of no more than one minor digit upon a single interrogation of the block 1 element . In the mode of generating the signal drift compensation code for each element of block 1, the reverse counter 7 is in the third state by the output, and the block 5 of the random access memory works only a reading mode and the sensitivity correction code.

В режиме коррекции, в течение которого формируется рабочий информационный видеосигнал, реверсивный счетчики 6 и 7 находятся по выходу в третьем состоянии, а с ячеек блоков 4 и 5 оперативной памяти считываются коды и осуществляется их запись во внутренние регистры ЦАП 8 и 9 синхронно со считыванием сигнала с элементов блока 1. Таким образом, для каждого элемента блока 1 будет выставлен свой код компенсации дрейфа сигнала и свой код коррекции чувствительности, что в итоге приводит к компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов фотоприемного устройства. Как видно из описания, разброс параметров элементов, вызванный изменением внешних условий эксплуатации, также компенсируется. Необходимый уровень выходного сигнала фотоприемного устройства может быть установлен путем изменения опорного напряжения источника 10. Очередность режимов работы в течение периода формирования кадра не имеет существенного значения и зависит от построения системы, в которую входит фотоприемное устройство. In the correction mode, during which a working informational video signal is generated, the reverse counters 6 and 7 are in the third state at the output, and codes are read from the cells of blocks 4 and 5 of the random access memory and they are written to the internal registers of the DAC 8 and 9 synchronously with the reading of the signal from elements of block 1. Thus, for each element of block 1, its own signal drift compensation code and its sensitivity correction code will be set, which ultimately leads to compensation for the spread of photosensitive elements photodetector device. As can be seen from the description, the dispersion of the parameters of the elements caused by the change in the external operating conditions is also compensated. The necessary level of the output signal of the photodetector can be set by changing the reference voltage of the source 10. The sequence of operating modes during the period of formation of the frame is not significant and depends on the construction of the system, which includes the photodetector.

Источники информации:
1. Патент США N 3800079, Н 04n5/30, 1974г.Information sources:
1. US patent N 3800079, N 04n5 / 30, 1974.

2. Авт.свид.СССР N 907868, Н 04N5/30, 1982г. БИ N 7. 2. Autosvid.SSSR N 907868, N 04N5 / 30, 1982. BI N 7.

3. Авт.свид.СССР N 1571793, Н 04N5/30, 1990г. БИ N 22-прототип. 3. Autosvid.SSSR N 1571793, N 04N5 / 30, 1990. BI N 22 prototype.

Claims

A photodetector device with compensation for the dispersion of photosensitive elements, containing a series-connected block of a multi-element photodetector, the sync input of which is connected to a clock generator, an adder, the other input of which is connected to the output of the first digital-to-analog converter (DAC), an output amplifier and a first comparator, to the other input of which a reference source is connected voltage counter address, the input of which is connected to the output of the clock, the first block of RAM, characterized in that a second RAM block is inserted in it, between the output of the adder and the inputs of the first DAC, a second comparator is connected in series, the zero bus is connected to the other input, and the first pulse counter, the inputs and outputs of which are connected to the inputs and outputs of the first RAM block, between the output of the first comparator and the control input of the output amplifier includes a second pulse counter and a second DAC connected in series, the inputs and outputs of the second RAM block are connected to the inputs and outputs I give a second pulse counter, the address inputs of the first and second blocks of RAM are connected to the outputs of the address counter.