CN102466521B - Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，在面阵型红外焦平面阵列前安装一光机扫描结构，由光机扫描来控制图像的移动。将红外焦平面阵列得到的平移后的图像输入到数据累加处理电路，进行图像移位累加处理，得到所需图像。数据累加处理电路主要由采样电路和数字处理电路两部分组成，通过FPGA控制AD器件进行采样来完成模数转换。在完成模数转换后，将数字图像信号输入数字处理电路，由数字处理电路进行图像的移位累加，最后输出所需的图像。本发明消除了在搜索系统中使用面阵探测器时由于探测器转动带来的拖尾现象，提高了图像的信噪比，利于在目标搜索跟踪系统中及时地发现弱小目标。

Description

Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法

技术领域

本发明属于红外搜索系统中的图像增强技术，特别是一种Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法。

背景技术

红外搜索跟踪(IRST)系统依靠接收目标的红外辐射自动搜索、探测、捕获和跟踪潜在目标。第一代IRST系统主要采用带有前置放大电路的多元探测器，通过光机扫描完成搜索，由于缺乏稳定性导致难以承受的虚警率、有限的探测距离。第二代IRST系统普遍采用焦平面探测器，能够在一定虚警率下从杂波中识别目标，探测距离也有很大提高。

目前红外搜索跟踪(IRST)系统普遍采用红外焦平面传感器，线阵FPA使系统达到了更高的灵敏度和分辨率，然而由于线阵FPA扫描系统的固有限制，IRST系统不能实现任意方位的潜在目标跟踪，而采用面阵FPA的IRST系统可以较好的解决这些问题，但帧积分时间内探测器的扫描运动会使图像存在严重的拖尾，导致点目标在扫描方向上模糊成线目标给目标探测带来了影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法及其装置，用于基于面阵FPA的红外搜索跟踪系统的时间延时积分扫描的成像，最大限度的利用图像扫描的延时积分(TDI)，提高图像的信噪比和细节分辨率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，步骤如下：

(1)红外焦平面阵列的TDI扫描成像方式的设计，Snapshot型面阵红外探测器工作时，在一个积分周期T_INT的时间内，焦平面完成整幅图像的能量积分，并将得到的信号按照逐行的顺序排列后输出，并由光机扫描结构进行扫描，使得场景中的目标在焦平面上所成的像以速度v匀速向右运动，该运动使目标在一个积分周期T_INT内向右运动一列像元；

(2)扫描成像旋转角速度的选取，对于焦平面在积分时，由扫描带来的场景目标的移动应满足以下条件：

v＝d/T_INT

$\mathrm{\ω}=\frac{v}{2R}=\frac{d}{{2T}_{\mathrm{INT}}R}$

其中v为焦平面扫描的线速度，d为像元间距，R为光机扫描结构中的扫描摆镜到探测器焦平面的距离，ω为光机扫描结构扫描时的角速度，T_INT为积分时间；

(3)图像在FPGA中的行列转换，图像在FPGA内完成行列转换，采用第一片异步SRAM作为数据缓存的存储器，通过FPGA内部的FIFO作为缓存组成乒乓结构，交替读写，实现数据格式的转换；

(4)对经过行列转换后的图像在FPGA中进行移位和累加，移位和累加操作在第二片SRAM中实现，在新图像输入时，采用列指针的循环移动代替图像数据的移动来实现。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)提高了图像的信噪比，利于在目标搜索跟踪系统中及时地发现弱小目标。凝视型红外焦平面阵列在工作时，假设单个像元每次对目标积分时产生的噪声电压为E₁、E₂、E₃......E_M，由于每次测量的噪声电压满足独立同分布，因此有

E_Noise ²＝E₁ ²+E₂ ²+E₃ ²+...+E_M ²＝M×E²

$E_{\mathrm{Noise}}=\sqrt{M}\×E$

目标信号的强度为V，经过M次累加之后的信号强度为MV

因此

${\mathrm{SNR}}_1=\frac{V}{E}$

${\mathrm{SNR}}_2=\frac{\mathrm{MV}}{E_{\mathrm{Noise}}}=\frac{\mathrm{MV}}{\sqrt{M}E}=\sqrt{M}\frac{V}{E}=\sqrt{M}{\mathrm{SNR}}_1$

其中SNR1位单次积分后的信噪比，SNR2为M次累加之后的目标信噪比，可以看出经过移位累加之后目标信噪比提高了

倍(M＝320)。(2)消除了在搜索系统中使用面阵探测器时由于探测器转动带来的拖尾现象。对于焦平面在积分时，由扫描带来的场景目标的移动应满足以下条件：

v＝d/T_INT

$\mathrm{\ω}=\frac{v}{2R}=\frac{d}{{2T}_{\mathrm{INT}}R}$

其中v为焦平面扫描的线速度；d为像元间距；R为光机扫描结构中的扫描摆镜到探测器焦平面的距离；TINT为积分时间。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是探测器焦平面示意图。

图2是扫描工作过程示意图。

图3是TDI时间延时积分工作示意图。

图4是本发明装置的结构组成框图。

图5是延时积分电路的结构框图。

图6是使用FPGA完成图像行列转换的方法示意图。

图7是使用FPGA完成移位累加的方法示意图。

具体实施方式

本发明Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，在面阵型红外焦平面阵列前安装一光机扫描结构，由光机扫描来控制图像的移动。将红外焦平面阵列得到的平移后的图像输入到数据累加处理电路，进行图像移位累加处理，得到所需图像。数据累加处理电路主要由采样电路和数字处理电路两部分组成，通过FPGA控制AD器件进行采样来完成模数转换。在完成模数转换后，将数字图像信号输入数字处理电路，由数字处理电路进行图像的移位累加，最后输出所需的图像。

结合图2，本发明Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，步骤如下：

(1)红外焦平面阵列的TDI扫描成像方式的设计，Snapshot型面阵红外探测器工作时，在一个积分周期T_INT的时间内，焦平面完成整幅图像的能量积分，并将得到的信号按照逐行的顺序排列后输出，并由光机扫描结构进行扫描，使得场景中的目标在焦平面上所成的像以速度v匀速向右运动，该运动使目标在一个积分周期T_INT内向右运动一列像元；在光机扫描过程中，假设目标宽度在焦平面上成像宽度正好为一列像元宽度，那么目标进入焦平面时经过一次积分，目标在图像第一列中目标强度为E；下一次积分时，目标出现在图像第二列中，且目标强度仍是E，将第一帧的输入图像向后移一列，与当前第二帧的图像相加，得到新的图像，此时第二列图像强度为第一帧和第二帧中目标强度之和；当进行第三次积分时，目标出现在图像中的第三列，目标强度还是E，这样将第二帧产生的新图像和第三帧的图像相加就得到了新的第三帧图像，其中第三列图像强度为3E；这样当焦平面不断向右移动时，目标强度得到不断的累加，直到目标进入焦平面的最后一列，也就是第n列时，经过累加的目标强度达到了nE；在下一次积分时将第n列图像移出，此时就增强了n倍的目标图像，此后焦平面每积分一次输出一列图像，这样就能得到经过TDI后增强了n倍的完整图像，n是焦平面的列数。

(2)扫描成像旋转角速度的选取，对于焦平面在积分时，由扫描带来的场景目标的移动应满足以下条件：

v＝d /T_INT

$\mathrm{\ω}=\frac{v}{2R}=\frac{d}{{2T}_{\mathrm{INT}}R}$

其中v为焦平面扫描的线速度，d为像元间距，R为光机扫描结构中的扫描摆镜到探测器焦平面的距离，ω为光机扫描结构扫描时的角速度，T_INT为积分时间。

(3)图像在FPGA中的行列转换，图像在FPGA内完成行列转换，采用第一片异步SRAM作为数据缓存的存储器，通过FPGA内部的FIFO作为缓存组成乒乓结构，交替读写，实现数据格式的转换；SRAM分为A、B两个区域，使用FPGA内部的两个FIFO作为数据缓存，FIFO的大小能够存储一行图像数据，并以A、B区分，当采样后的图像数据到来时，先存入A FIFO中，当A FIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的A区域；等待SRAM的写入操作完成后，将SRAM中B区域的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入BFIFO内；最后，使用和采样时钟相同的速率将B FIFO中的数据输出；

当下一帧采样后的图像数据到来时，先存入B FIFO中，当B FIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的B区域；等待SRAM的写入操作完成后，将SRAM中A区域中的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入A FIFO内；最后，使用和采样时钟相同的速率将B FIFO中的数据输出。

(4)对经过行列转换后的图像在FPGA中进行移位和累加，移位和累加操作在第二片SRAM中实现，在新图像输入时，采用列指针的循环移动代替图像数据的移动来实现，即首先将图像列的起始指针Phead指向存储器空间中的第一列，当第一帧图像数据到来后，将从Phead开始的图像读出，并且和输入图像相加后存入从Phead开始的存储器序列中，将Phead指向的那列数据输出，然后将Phead向前移一个单位，这时Phead指向最后一列；当第二帧图像数据到来后，此时的Phead指向最后一列，将以最后一列为起始列的图像读出后与进来的图像相加后将所得的图像存入该位置，并且将Phead指向的那一列输出，并将Phead向前移动一个单位；这样不断进行下去，除了最开始的输出的n列没有得到足够的累加，之后的每一列图像都进行了n次的累加，这样图像得到了增强。

实施例

本发明Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法由光机扫描结构、面阵型红外焦平面阵列、驱动电路、延时积分电路和电源管理电路实现，最后输出所需的视频图像。光机扫描结构、驱动电路、延时积分电路和电源管理电路为已有技术。延时积分电路由采样电路和数字处理电路组成。图4为本发明的结构组成框图。采样电路由TI公司的模数转换器件AD9240和外围电路组成，由FPGA控制其完成采样。数字处理电路主要由型号为EP2S60F1020I4的FPGA和两片型号为IS61WV102416BLL的静态存储器以及外围电路组成。图5为延时积分电路的结构框图。

本发明Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法的工作方式为：选用Sofradir公司的型号为MARS MW RM2的320×256中波红外凝视型焦平面阵列作为本发明中使用的探测器，该探测器的焦平面的面阵大小为320×256，波长范围为3～5μm，像素间距为30μm，如图1。在工作时在一个积分周期TINT的时间内，焦平面完成整幅图像的能量积分，并将得到的信号按照一定的顺序排列后输出。工作时，由光机扫描结构进行扫描，使得场景中的目标在焦平面上所成的像以速度v匀速向右运动。为了不使图像因为扫描而带来拖尾现象，需要焦平面在一个积分周期TINT内向右运动一列像元，即30μm，工作过程如图2。假设目标宽度在焦平面上成像宽度正好为一列像元宽度，那么目标进入焦平面时经过一次积分，目标在图像第一列中目标强度为E；下一次积分时，目标出现在图像第二列中，且目标强度仍是V，将第一帧的输入图像向后移一列，与当前第二帧的图像相加，得到新的图像，此时第二列图像强度为第一帧和第二帧中目标强度之和；当进行第三次积分时，目标出现在图像中的第三列，目标强度还是V，这样将第二帧产生的新图像和第三帧的图像相加就得到了新的第三帧图像，其中第三列图像强度为3E；这样当焦平面不断向右移动时，目标强度得到不断的累加，直到目标进入焦平面的最后一列，也就是第320列时，经过累加的目标强度达到了320E。在下一次积分时将第320列图像移出，此时就增强了320倍的目标图像，此后焦平面每积分一次输出一列图像，这样就能得到经过TDI后增强了320倍的完整图像，如图3。

本发明的工作过程为：

(1)光机扫描结构以扫描方式工作，由采样电路对输入的模拟视频信号进行采样。

(2)图像在FPGA内完成行列转换，采用一片异步SRAM通过内部FIFO作为缓存组成乒乓结构，交替读写，实现数据格式的转换。

(3)图像在FPGA中进行移位和累加，采用列指针的循环移动代替图像数据的移动来实现，以减少运算量，提高移位累加的实时性。

(4)最后将延时积分后的图像输出。

首先，光机扫描结构以扫描方式工作。工作时，由光机扫描结构进行扫描，使得场景中的目标在焦平面上所成的像以速度v匀速向右运动。为了不使图像因为扫描而带来拖尾现象，需要焦平面在一个积分周期TINT内向右运动一列像元，即30μm。然后，由采样电路对输入的模拟视频信号进行采样。采样电路中的AD9240由型号为EP2S60F1020I4的FPGA控制，当探测器中的场景每移动30μm时开始对320X256个数据进行采样。

其次，由FPGA对数字视频信号进行格式的转换。探测器的数据输出格式为数据从焦平面的左上角开始，从左向右依次输出，完成第一行后接着输出下一行像元值，直到整幅图像所有像元值都完成输出为止。由于这种输出方式是以行为单位输出的，并不是以列为单位输出的，不利于进行列数据的移位操作，因此我们需要将探测器的数据输出格式转换为以列为单位的输出格式。使用的方法是采用一片型号为IS61WV102416BLL的异步SRAM作为数据缓存的存储器，在存储器内部分成A、B两个区域，两个区域以乒乓结构交替工作。其中A区域将输入的图像按像元顺序存入其中，同时B区域将已经存入其中的数据按照列地址的变换顺序读出相应像元的灰度值，在完成这一过程后，A、B两个区域交换个自的工作。

由于IS61WV102416BLL器件只有一组数据和地址总线，难以直接对其同时进行操作。这里我们使用两个FPGA的内部FIFO作为数据缓存，FIFO的大小为640X16bit，并以A、B区分。当采样后的图像数据到来时，先存入AFIFO中，当AFIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的A区域。等待SRAM的写入操作完成后，将B区域中的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入B FIFO内。最后，使用和采样时钟相同的速率将B FIFO中的数据输出，工作过程如图6(a)所示。当下一帧采样后的图像数据到来时，先存入B FIFO中，当BFIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的B区域。等待SRAM的写入操作完成后，将A区域中的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入A FIFO内。最后，使用和采样时钟相同的速率将B FIFO中的数据输出，工作过程如图6(b)所示。

接着，由FPGA对数字视频信号进行移位和累加操作，以完成延时积分功能。移位和累加操作在一片SRAM中实现，在新图像输入时，首先将原先在SRAM中的图像读出，移动后与输入的图像进行累加，将得到的数据输出，同时将累加之后得到的数据再写入SRAM中，以便在下一帧图像输入时使用。

由于移位和累加需要在一片SRAM中实现，因此，移位累加操作的复杂程度就成了图像能否实时处理的关键。从上面的原理分析中可以看到，每当焦平面完成一次积分，整幅图像需要整体移动一列，这个过程需要移动320X256个数据，占用大量时间，使得当下一帧图像来时还没有完成移位，因此影响了图像的实时性。因此我们在这里引入图像列指针，以列指针的移动来代替图像移动，简化运算量。

如图7所示，首先将图像列的起始指针Phead指向存储器空间中的第一列，当第一帧图像数据到来后，将从Phead开始的图像读出，并且和输入图像相加后存入从Phead开始的存储器序列中，接着将Phead指向的那列数据输出，接着将Phead向前移一个单位(起始指针在1到320之间循环)，这时Phead指向第320列；当第二帧图像数据到来后，此时的Phead指向第320列，将以320列为起始列的图像读出后与进来的图像相加后将所得的图像存入该位置，并且将Phead指向的那一列输出，并将Phead向前移动一个单位；这样不断进行先去，除了最开始的输出的320列没有得到足够的累加，之后的每一列图像都进行了320次的累加，这样图像得到了增强。

由于采用

的扫描速率进行扫描，同时对扫描得到的图像进行移位和累加操作，保证了目标图像在各像素上的能量不存在重叠。因此能够克服面阵探测器在扫描时带来的拖尾现象，同时使得目标能量提高了320倍，即信噪比提高了

倍。

Claims (4)

1.一种Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，其特征在于步骤如下：

(1)红外焦平面阵列的TDI扫描成像方式的设计，Snapshot型面阵红外探测器工作时，在一个积分周期T_INT的时间内，焦平面完成整幅图像的能量积分，并将得到的信号按照逐行的顺序排列后输出，并由光机扫描结构进行扫描，使得场景中的目标在焦平面上所成的像以速度v匀速向右运动，该运动使目标在一个积分周期T_INT内向右运动一列像元；

(2)扫描成像旋转角速度的选取，对于焦平面在积分时，由扫描带来的场景目标的移动应满足以下条件：

v＝d/T_INT

$\mathrm{\ω}=\frac{v}{2R}=\frac{d}{2T_{\mathrm{INT}}R}$

其中v为焦平面扫描的线速度，d为像元间距，R为光机扫描结构中的扫描摆镜到探测器焦平面的距离，ω为光机扫描结构扫描时的角速度，T_INT为积分时间；

(3)图像在FPGA中的行列转换，图像在FPGA内完成行列转换，采用第一片异步SRAM作为数据缓存的存储器，通过FPGA内部的FIFO作为缓存组成乒乓结构，交替读写，实现数据格式的转换；

(4)对经过行列转换后的图像在FPGA中进行移位和累加，移位和累加操作在第二片SRAM中实现，在新图像输入时，采用列指针的循环移动代替图像数据的移动来实现。

2.根据权利要求1所述的Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，其特征在于在第(1)步的光机扫描过程中，假设目标宽度在焦平面上成像宽度正好为一列像元宽度，那么目标进入焦平面时经过一次积分，目标在图像第一列中目标强度为E；下一次积分时，目标出现在图像第二列中，且目标强度仍是E，将第一帧的输入图像向后移一列，与当前第二帧的图像相加，得到新的图像，此时第二列图像强度为第一帧和第二帧中目标强度之和；当进行第三次积分时，目标出现在图像中的第三列，目标强度还是E，这样将第二帧产生的新图像和第三帧的图像相加就得到了新的第三帧图像，其中第三列图像强度为3E；这样当焦平面不断向右移动时，目标强度得到不断的累加，直到目标进入焦平面的最后一列，也就是第n列时，经过累加的目标强度达到了nE；在下一次积分时将第n列图像移出，此时就增强了n倍的目标图像，此后焦平面每积分一次输出一列图像，这样就能得到经过TDI后增强了n倍的完整图像，n是焦平面的列数。

3.根据权利要求1所述的Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，其特征在于第(3)中，SRAM分为A、B两个区域，使用FPGA内部的两个FIFO作为数据缓存，FIFO的大小能够存储一行图像数据，并以A、B区分，当采样后的图像数据到来时，先存入A FIFO中，当A FIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的A区域；等待SRAM的写入操作完成后，将SRAM中B区域的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入B FIFO内；最后，使用和采样时钟相同的速率将B FIFO中的数据输出；

当下一帧采样后的图像数据到来时，先存入B FIFO中，当B FIFO满时，使用采样时钟两倍的速率将其内部的数据读出，并写入SRAM中的B区域；等待SRAM的写入操作完成后，将SRAM中A区域中的数据以采样时钟两倍的速率按照列地址的变化顺序读出，并写入A FIFO内；最后，使用和采样时钟相同的速率将A FIFO中的数据输出。

4.根据权利要求1所述的Snapshot型面阵红外探测器TDI扫描成像方法，其特征在于在第(4)步中的采用列指针的循环移动代替图像数据的移动来实现，即首先将图像列的起始指针Phead指向存储器空间中的第一列，当第一帧图像数据到来后，将从Phead开始的图像读出，并且和输入图像相加后存入从Phead开始的存储器序列中，将Phead指向的那列数据输出，然后将Phead向前移一个单位，这时Phead指向最后一列；当第二帧图像数据到来后，此时的Phead指向最后一列，将以最后一列为起始列的图像读出后与进来的图像相加后将所得的图像存入该位置，并且将Phead指向的那一列输出，并将Phead向前移动一个单位；这样不断进行下去，除了最开始的输出的n列没有得到足够的累加，之后的每一列图像都进行了n次的累加，这样图像得到了增强。

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