CN102393250A

CN102393250A - 一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法和装置

Info

Publication number: CN102393250A
Application number: CN2011102106740A
Authority: CN
Inventors: 刘子骥; 蒋亚东; 王然; 辛勇明; 郑兴
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102393250B

Abstract

本发明公开了一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法和装置，包括：初始化模块，用于使用前的初始参数设定；反馈显示模块，用于显示单片机反馈给串口的数据；电压发送模块，用于发送预先想要设置的电压，在“电压设置”编辑框中输入预先想要设置的电压数值，点击“发送”后便成功设置红外焦平面的偏置驱动电压；直方图显示模块，用于显示在某个特定偏压驱动下从红外焦平面读取到的图像的灰度图分布；自动设置偏压模块，用于完成非制冷红外焦平面偏置驱动电压的自动选取设置，整个操作仅需点击“偏压自动设置”按钮。本发明使用软件算法寻找最佳偏置电压，它比用手动输入偏置电压方便得多。

Description

一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法和装置

技术领域

本发明涉及非制冷红外探测技术领域，尤其涉及一种通过软件设计获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法和装置。

背景技术

红外焦平面阵列（IRFPA）属于第二代红外成像器件，是现代红外成像系统的核心，相对于上代红外成像系统，它具有结构简单、工作稳定、噪声等效温差小、灵敏度高等优点。

红外焦平面阵列受到红外辐射时，将热敏电阻的阻值变化转换成相应的电流或电压变化，这就需要非制冷焦平面阵列工作时，有一定的偏置电压或偏置电流。所以就需要外围驱动电路提供相应的偏置电压或偏置电流，它们的精度、噪声将直接影响到输出图像信号的质量。

而近年来随着非制冷红外探测技术的不断发展，非制冷红外探测器的性能不断提升，高精确度、大动态范围及稳定的直流偏置电压对非制冷红外焦平面阵列（UFPA）起着至关重要的作用。动态范围的增加必然导致调节精度的降低，这就要求电压控制系统在提高偏压动态范围时尽可能保持较高的调节精度，同时又能够降低噪声。一般情况下采用单片机控制数模转换芯片的系统由于功率太低无法驱动红外焦平面，即便增加功率放大器，较高的噪声输出也使得该设计无法成为非制冷焦平面阵列（UFPA）理想的驱动源。

现有技术中，产生偏置电压的原理为：单片机控制数字电位器ADN2850经运放AD8606产生3个偏置电压V_sk、 V_det、 V_ref；所述AD8606同向放大器运放的等效原理如附图1所示，其中：

（1.1）

其反函数为：

（1.2）

附图1中V_O代表产生的输出电压，

代表ADN2850的输出端W 、B对应的输入电阻，当知道目标电压后分别把Vsk、 V_det、 V_ref代入1.2式计算其对应的接入反馈电阻值。计算可得V_sk、 V_det、 V_ref对应的

值。

附图2为现有红外焦平面读出电路的系统框图，所述读出电路由两个MOS管和测辐射热计R_b和R_S以及运放积分器构成，由图可知，给出三个偏置电压V_sk、 V_det、 V_ref后，就可以得到输出电压V_O的值，通过调节不同的偏压得到合适的输出，这样红外图像的成像质量才会更好。

根据公式：

(1)

有以下电流电压关系：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

把(6)式代入（7）式，得到积分器的输出为：

(8)

其中R_S为敏感像元，R_b为盲像元，T_int为积分时间，C_int为积分复用电容，由(7)式可知，工作时若I₃下降，则V₀增大，I₃增大，使得积分器的V₀减小，由(6)式可知，I₃是由三个偏置电压V_sk、 V_det、 V_ref决定的，合适的偏置电压会产生合适的电流，当外部sensor发生改变时，相当于接入电阻R_s发生变化，支路电流I₂感受变化，I₁不发生改变，I₃发生变化，从而输出的积分电压产生变化。最终通过测量V₀的变化量来换算得到sensor实际变化曲线，再与理论变化曲线对比，从而分析sensor的性能。

由(5) (8)式可知当V_sk增加时，I₃增大，V₀减小，当V_det增大时，I₃增大，V₀减小，当V_ref增加时，V₀增大。所以当三个偏置电压都在变化的时候，输出的V₀值也在不停的变化，如果是手动调节的话，会耗费很多时间，而且是不准确的偏置电压，为了达到很快找到最佳偏置电压的目的，本发明通过软件设计自动调节，先要通过固定一个变量，调节另两个偏压。这样才可以很快得到合适的输出。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种使用软件代码设计获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法和装置，其通过软件代码自动扫描和调节偏置电压的大小，最终找到合适的偏置电压，为红外焦平面提供高精度、大动态范围、低噪声的稳定直流偏置电压，使输出图像信号的质量提高。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法，包括由两个MOS管，测辐射热计和运放积分器构成的读出电路，其输出电压V_O的表达式如下：

，其中，V_sk和V_det分别为加载在两个MOS管上的第一偏压和第二偏压，V_ref为加载在运算放大器同相输入端的第三偏压，获得最佳偏置电压的算法包括以下步骤：

首先确定第三偏压V_ref的值，然后设定第一偏压V_sk与第三偏压V_ref之间相差一个差值

（△为希腊字母“德尔塔”，表示电压差值），先固定这个差值

，然后去调节变量第二偏压V_det，根据不同的第二偏压V_det的值，得到不同的输出电压V_O，把每次得到的输出电压V_O的值用直方图表示出来，根据焦平面的均匀性和理想直方图的分布规律在直方图上设定一个区域，把这个区域占有的表示输出电压V_O点的个数与整个输出点的个数的百分比表示出来，当每次改变第二偏压V_det就得出一个百分比，直到得到的百分比大于93%，这时候再增加差值

，让第一偏压V_sk有一个新的值；然后继续变化第二偏压V_det，直到直方图百分比大于93%，继续增加第一偏压V_sk，直到直方图百分比小于93%，保留上一个第一偏压V_sk和第二偏压V_det发送给单片机，最终寻找到最佳偏置电压。

进一步地，所述输出电压V_O增大后，整个直方图分布会向灰度增大方向移动，通过调节三个偏压大小控制输出电压V_O的大小变化，如果我们希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度增大的方向移动，我们只需减小第一偏压

和第二偏压

或者增大第三偏压

，相反，如果希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度减小的方向移动，我们只需增大第一偏压和第二偏压

或者减小第三偏压

。

一种实现上述获取红外焦平面探测器最佳偏置电压方法的装置，包括：

初始化模块，用于使用前的初始参数设定；

反馈显示模块，用于显示单片机反馈给串口的数据；

电压发送模块，用于发送预先想要设置的电压，在“电压设置”编辑框中输入预先想要设置的电压数值，点击“发送”后便成功设置红外焦平面的偏置驱动电压；

直方图显示模块，用于显示在某个特定偏压驱动下从红外焦平面读取到的图像的灰度图分布；

自动设置偏压模块，用于完成非制冷红外焦平面偏置驱动电压的自动选取设置，整个操作仅需点击“偏压自动设置”按钮。

进一步地，上述装置中所述初始参数包括：焦平面的分辨率，串口传输的波特率，以及微调增长步长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、使用软件算法寻找最佳偏置电压，它比用手动输入偏置电压方便得多，可以帮助设计人员节约时间，而且是只需要输入一个固定的偏压，就可以自动调节其它偏压，比只是利用单片机人为手动输入更精确，更方便，易于实现，还有利于图像的自动调节和显著提高焦平面成像的质量。

2、这种寻找最佳偏置电压的算法在电脑上很容易实现，对硬件没有太高的要求，能在一定程度上省去设计者的时间，还可以更加直观的看到实验结果。

附图说明

图1为现有技术的红外焦平面探测器偏压产生原理图；

图2为现有技术的红外焦平面探测器读出电路的系统框图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图3，一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法，其工作流程包括以下步骤：

步骤101，初始化第一偏压V_sk,第二偏压V_det，令FirstTime=true，Vfound=false，根据芯片要求发送一个固定的第三偏压V_ref到单片机。第三偏压V_ref值是根据公式(7)得到的当变化的电流为0时，第三偏压V_ref就等于输出电压V_O,取输出电压V_O动态范围的一半做为第三偏压V_ref的开始值。

步骤102，选取第一偏压V_sk与第三偏压V_ref之间的差值为0.25。根据公式

可以选取基本合适的第一偏压V_sk。

步骤103，发送第二偏压V_det。它的选择可以随便选择一个值，但是要比第三偏压V_ref小。

步骤104，判断FirstTime=true，如果是true，则到105，如果不是则跳到106。

步骤105，先统计在各个灰度区间内的个数，我们分为三个区域，a代表灰度小于3500的值，b代表在3500到7500之间的区域，c代表大于7500的区域。当a+b区域的个数小于c区域的个数时，说明输出比较大，需要减小输出电压V_O，根据公式（8）需要增大V_det，输出才减小。反之则减小第二偏压V_det。令FirstTime= false，到106。

步骤106，统计在b灰度区间内的个数比例。

步骤107，比例大于93%，则跳到108，比例小于93%,则到步骤111。

步骤108，算的这次的比例比上次大，进行步骤109，比例小于上次的，则进行步骤110。

步骤109，保存这时的第一偏压V_sk, 第二偏压V_det，

步骤110，令Vfound= true，就是代表找到了这两个偏压。

步骤111，还是根据灰度区的比例判断，是否要停止对V_det的改变。停止发送第二偏压V_det进行步骤113，不停止进行步骤112。

步骤112,根据步骤105，继续改变第二偏压V_det值，跳到103。

步骤113, 判断Vfound= true，等于true则到114，不等于则到115。

步骤114，当停止改变第二偏压V_det时，需要去验证是不是需要改变

，即改变第一偏压V_sk的值，令FirstTime=true，Vfound=false，进行步骤102。

步骤115，结束。

本发明的直方图绘制是根据焦平面原始图像每个像素点的电压来绘制直方图的，每个像素点的电压值就作为直方图中的灰度值。通过调节焦平面原始图像的灰度直方图分布来找到合适的电压。所统计的焦平面原始图像灰度分布中的灰度值实际上就是焦平面输出电压

的大小，由于输出电压

是经过数模转换得到的14bit数据，所以原始图像的灰度范围是0到16383。由此可知，当焦平面的输出电压

增大后，整个直方图分布会向灰度增大方向移动。而控制输出电压

的大小变化可以通过调节三个偏压

、

、的大小实现，所以如果我们希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度增大的方向移动，我们只需减小第一偏压

和第二偏压

或者增大第三偏压

，相反，如果希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度减小的方向移动，我们只需增大第一偏压

和第二偏压

或者减小第三偏压

。

借助焦平面原始图像灰度直方图来判断偏置电压的好坏，这样可以很直观看到焦平面输出电压的情况。因为焦平面原始图像灰度分布中的灰度值实际上就是经过数模转换后输出电压

的大小，所以焦平面原始图像灰度分布图可以反映出当前三个偏压下焦平面的输出情况，通过观察直方图的分布情况来决定当前的偏置电压是否合适。在不同的偏压下，我们可以得到各种各样的直方图分布，我们希望在整个0至16383的灰度区间内，所有的灰度都集中在3500至7500这个灰度区间内，这样的分布就是理想的直方图分布。这时候的偏置电压也是理想的。这里需要说明的是区间3500至7500是一个经验值，它们的数值是可以改变的。而改变它们的依据就是焦平面的均匀性。对于均匀性非常好的焦平面，这个区间就需要适当减小，而对于均匀性不是很好的焦平面，可以适当加大这个区间。

偏置电压自动选取算法就是根据判断最佳偏置电压的方法来选定焦平面的最佳偏置电压。总体的思路是：基于焦平面的动态范围输出的考虑，首先，我们保持

=2.2V不变，然后通过第一偏压Vsk 与第三偏压V_ref的差值确定直方图分布宽度，计算直方图很重要，首先要焦平面原始图像输出矩阵imageDataTemp[]，矩阵里的每一个矩阵元素对应着每一个像素点输出的电压，该电压是通过AD转换之后的14bit数据，代表了该像素点的灰度数值。针对这个矩阵进行直方图统计进而得到一个直方图分布矩阵m_lCount[]，其中对于一个矩阵元素m_lCount[i]，i代表的是该像素点的灰度值，它的取值范围是0~16383。而矩阵元素m_lCount[i]的数值则代表了灰度值为i的像素点的个数，再使用m_lCount[] 矩阵进行直方图绘制横坐标代表灰度值。公式为x = left+huidu*IntervalPan/16384；纵坐标代表在具体灰度值下的个数，公式为y = bottom + ((m_lCount[huidu] * (top-bottom)*(11.0/12) / MaxHuidu))；将绘制好的灰度直方图分布图显示在软件上。最后在第一偏压V_sk与第三偏压 V_ref 的差值确定后，通过调节第二偏压V_det调整直方图整体分布的位置。

在开始前，我们先初始化要发送的第一偏压V_sk、第三偏压V_ref的数值，当发送了一个第一偏压V_sk之后，程序会连续发送若干个第二偏压V_det来移动整个直方图，在每移动一次直方图后，我们会去计算统计区间内灰度的个数占所有像素点个数的比例BL，所记录BL的数值可以反映出整个直方图所在的位置，如果所发送的电压正好满足要求，那么BL的数值会很大，相反，如果大部分灰度分布在我们预设的区间外，BL的数值会很小。所以在每移动一次直方图后，我们会去计算统计区间内灰度的个数占所有像素点个数的比例BL，然后判断BL的数值是否大于93%，如果大于，说明此刻大部分灰度值都落在了我们期望的灰度区间内，然后记录下来这个偏压数值。当第二偏压V_det的数值已经将灰度从直方图的一侧移动到了另外一侧时，我们停止发送第二偏压V_det，这时增大第一偏压V_sk，重复上一步的统计直至再发送一个第一偏压V_sk之后循环整个第二偏压V_det也都找不到某个时刻BL的数值大于93%，这时整个程序停止，之前记录的偏压数值就是我们要找的偏压数值。

一种寻找红外焦平面探测器最佳偏置电压的算法，可以应用在由160×120，320×240，384×288等非制冷红外焦平面阵列上，每个非制冷红外焦平面单元尺寸为35um×35um大小，程序直接可以应用，通过MFC界面，直接输入一个偏置电压，就可以通过自动调节，找到最佳偏置电压，还可以和其它软件一起，通过PCIE采集实时的看到正在调试的图像。

由于非制冷红外焦平面单元的结构，各组成部分的材料和尺寸的不同，可以组合出很多种类似的实施方式，在此不再一一详述。

Claims

1.一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的算法，包括由两个MOS管，测辐射热计和运放积分器构成的读出电路，其输出电压（V_O）的表达式如下：，其中，V_sk和V_det分别为加载在两个MOS管上的第一偏压和第二偏压，V_ref为加载在运算放大器同相输入端的第三偏压，其特征在于，获得最佳偏置电压的方法包括以下步骤：

首先确定第三偏压（V_ref）的值，然后设定第一偏压（V_sk）与第三偏压（V_ref）之间相差一个差值

，先固定这个差值，然后去调节变量第二偏压（V_det），根据不同的第二偏压（V_det）的值，得到不同的输出电压（V_O），把每次得到的输出电压（V_O）的值用直方图表示出来，根据焦平面的均匀性和理想直方图的分布规律在直方图上设定一个区域，把这个区域占有的表示输出电压（V_O）点的个数与整个输出点的个数的百分比表示出来，当每次改变第二偏压（V_det）就得出一个百分比，直到得到的百分比大于93%，这时候再增加差值

，让第一偏压（V_sk）有一个新的值；然后继续变化第二偏压（V_det），直到直方图百分比大于93%，继续增加第一偏压（V_sk），直到直方图百分比小于93%，保留上一个第一偏压（V_sk）和第二偏压（V_det）发送给单片机，最终寻找到最佳偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种获取红外焦平面探测器最佳偏置电压的方法，其特征在于：所述输出电压（V_O）增大后，整个直方图分布会向灰度增大方向移动，通过调节三个偏压大小控制输出电压（V_O）的大小变化，如果我们希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度增大的方向移动，我们只需减小第一偏压（

Figure 2011102106740100001DEST_PATH_IMAGE003

）和第二偏压（

）或者增大第三偏压（

），相反，如果希望焦平面原始图像电压输出直方图分布整体向灰度减小的方向移动，我们只需增大第一偏压（

）和第二偏压（）或者减小第三偏压（

）。

3.一种实现权利要求1所述的获取红外焦平面探测器最佳偏置电压方法的装置，其特征在于，包括：

初始化模块，用于使用前的初始参数设定；

反馈显示模块，用于显示单片机反馈给串口的数据；

4.根据权利要求3所述的实现获取红外焦平面探测器最佳偏置电压方法的装置，其特征在于：所述初始参数包括：焦平面的分辨率，串口传输的波特率，以及微调增长步长。