CN105318972A - 基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，包括光学镜头、液晶光阀、红外焦平面探测器、驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路、电源电路和压控震荡器。通过液晶光阀实现对红外辐射的关断，红外焦平面探测器对红外辐射产生相应的模拟信号，A/D转换电路将模拟信号转为数字信号，经信号处理电路进行图像处理最终输出显示。信号处理电路计算出每个像素的控制量，控制量送入D/A转换电路后产生电压信号控制压控震荡器的振幅，从而调节液晶光阀的透过率。该非制冷红外热成像仪可以根据入射光强自动调节液晶光阀的透过率，有效地避免了致盲现象的产生。

Description

基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪

技术领域

本发明属于红外热成像领域，具体涉及一种基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪。

背景技术

红外热成像技术是当今世界各国高技术领域发展的热点，不管是在军用还是在民用方面，红外热成像技术都发挥着其至关重要的作用。红外热成像技术的核心技术是探测器技术，按照工作温度可分为制冷型和非制冷型。非制冷红外热成像仪相比制冷型红外热成像仪而言，在研制和生产上具有成本低、体积小、功耗低、可靠性高、操作方便等优点，所以近年来发展很迅速。由于非制冷红外热成像仪的自身优势，使得其极具市场竞争力，特别适合性价比要求高的中低端军事领域和厂矿企业的应用。非制冷红外热成像仪的核心组件是非制冷红外焦平面阵列，是把微弱的红外辐射转化成可识别电信号的热探测器。非制冷红外热成像仪都采用凝视型焦平面阵列，主要分为两种，一种是铁电-热电型探测器，主要材料有锆钛酸铅，另一种是电阻型微测辐射热计，敏感元是热敏电阻，主要材料有氧化钒和非晶硅。后者比前者的灵敏度高很多，并保持上升势头。微测辐射热计的工作原理是温度的变化引起材料电阻的变化，目前使用最广泛的材料是氧化钒(VO_X)。在使用中我们发现VO_X探测器工作时有个很严重的缺陷，当探测器直视强光一段时间后，例如瞄准太阳一段时间后，移动探测器，我们将在显示屏上发现太阳的影像依然存在，继续移动探测器，会产生很明显的拖尾现象，并且这种现象会持续一段时间。我们把这种现象称为致盲现象。强光的直射破坏了焦平面阵列的像元，一段时间后，探测器又恢复正常。因此VO_X探测器应避免强光直射。但是有些情况下我们又无法避免强光直射，比如在太空中探测的非制冷红外热成像仪，随着卫星的运转，探测器总会在某一时刻直射太阳，而造成致盲，影响成像效果，造成数据判断出错。所以我们有必要采取措施来防止致盲现象的产生。

为了防止致盲现象的产生，主要有三类方法：

(1)纯软件的方法，比如编写程序去除致盲产生的影像以及拖尾，相当于一种去噪方法，但是此方法不可以避免致盲现象的产生，而是在后期图像处理上做了些优化，事实上探测器已经被损坏，所以这种方法治标不治本，并不可行。

(2)纯光学的方法，比如采用镀膜技术来滤去光照较强的部分，此方法可以将强光衰减为探测器能够接受的光，但是镀膜一经完成，对红外辐射的衰减程度也随之确定，红外辐射本来就是十分微弱的，这将影响最终的成像质量，并且这种衰减程度是无法自动调整的。

(3)电子学与光学相结合的方法，例如在非制冷红外探测器前加一个独特的装置，该装置能够随外界光强自动调整透射率，当外界光强过大时将透射率降到最低，几乎不透过光线；当外界光强正常时将透射率恢复，正常透射红外辐射。该方法可以有效地防止致盲现象的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，解决移动探测时发生致盲现象的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，包括光学镜头、液晶光阀、红外焦平面探测器、驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路、电源电路和压控震荡器；电源电路分别与驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路和压控震荡器连接，并向上述部件供电；信号处理电路分别与驱动电路、A/D转换电路、图像输出电路和D/A转换电路连接，D/A转换电路与压控震荡器连接，液晶光阀固定在红外焦平面探测器的靶面上，光学镜头设置在液晶光阀前端，驱动电路和A/D转换电路分别与红外焦平面探测器连接，位于光学镜头前方的目标景物发出的红外辐射经大气传输后到达光学镜头，光学镜头把红外辐射会聚到液晶光阀上，液晶光阀判断光照强度实现对红外辐射的关断，红外辐射通过液晶光阀会聚到红外探测器上，红外焦平面探测器对红外辐射产生响应，将其转化成能够被红外电子学组件识别的电信号；驱动电路为红外焦平面探测器提供数字信号和模拟电压的驱动信号；A/D转换电路将模拟视频信号进行数模转换，以送入信号处理电路进行信号处理；信号处理电路对数字图像进行处理并产生各电路所需的控制信号；图像输出电路将处理后的图像信号输出显示；D/A转换电路将数字的控制信号转换成模拟信号控制压控震荡器；压控振荡器，用于产生交变电压控制液晶光阀透光率。

上述液晶光阀的起偏器和检偏器的透光轴方向相同，且到达检偏器的偏振光与检偏器的透光轴成90°夹角；液晶光阀采用扭曲向列型，即TN型，液晶分子的扭曲角为90°，液晶分子为n型液晶分子。

上述信号处理电路包括依次连接的探测器驱动模块、PID控制模块、盲元补偿模块、非均匀性校正模块、图像去噪模块、直方图均衡模块、DDE模块、伪彩色增强模块和显示模块；探测器驱动模块分别与驱动电路和A/D转换电路连接，显示模块与图形输出电路连接，PID控制模块与D/A转换电路连接，其中探测器驱动模块为驱动电路提供驱动时序信号，并将数字图像信号转换为标准格式输出到PID控制模块；PID控制模块根据每个像素的灰度值确定控制量，并将控制量输出给D/A转换电路，并将标准格式图像数据传输到盲元补偿模块；盲元补偿模块检测查找出探测器上响应不正常的像元点，并利用附近的像元点进行替换，将替换后的图像数据输入非均匀性校正模块；非均匀性校正模块采用传统的两点式校正方法，在红外热成像系统的传输线路中插入一温度可控的均匀辐射的黑体，利用各探测单元对两个不同辐照度下均匀黑体辐射的响应计算出校正参数，从而实现非均匀性校正，并将处理后的图像数据输入图像去噪模块；图像去噪模块采用中值滤波算法降低红外图像中引入的各种噪声，平滑图像，同时有效保护图像的边缘细节能量，并将处理后的图像数据输入直方图均衡模块；直方图均衡模块用于改变图像中灰度概率分布，使其均匀化，并将其处理后的图像数据输入DDE模块；DDE模块使图像细节部分即高频能量得到增强，并且与原始图像背景的总动态范围相适应，并将处理后的图像数据输入伪彩色增强模块；伪彩色增强模块利用像素点的原始灰度值的强度值查找其在彩色显示时对应的RGB三个通道的颜色分量强度值，生成该点所对应的三基色伪彩色后，输入显示模块；显示模块将标准格式的图像数据根据需要产生符合VGA格式或PAL制格式的时序，并将时序连同图像数据一起输出给图像输出电路。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明仅需要在红外探测器表面添置一个液晶光阀装置，并且通过压控震荡器调节液晶光阀的透过率，操作简便，成本较低，可行性高；(2)本发明可以连续控制液晶光阀的透过率，并且根据入射光照强度而自动调节液晶光阀的透过率，使得通过液晶光阀的光照强度趋近于设定值；(3)本发明中液晶光阀对于波长小于300nm的光线透过率几乎为零，而对于波长在300nm～800nm的可见光部分的透光率处于恒定值，当波长大于800nm时，透过率呈现显著增大的趋势，对于波长在8μm～14μm的红外波段的透过率很高，几乎全部透射，所以红外辐射的强度衰减很小。

附图说明

图1是本发明的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪原理框图。

图2是本发明的液晶的结构示意图。

图3是本发明的扭曲向列型(TN型)液晶简化模型示意图。

图4是本发明的液晶光阀的开态示意图。

图5是本发明的液晶光阀的关态示意图。

图6是本发明的信号处理电路模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，包括光学镜头、液晶光阀、红外焦平面探测器、驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路、电源电路以及压控震荡器。电源电路分别与驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路和压控震荡器连接，向上述部件供电，信号处理电路分别与驱动电路、A/D转换电路、图像输出电路和D/A转换电路连接，D/A转换电路与压控震荡器连接，液晶光阀固定在红外焦平面探测器的靶面上，液晶光阀位于光学镜头的后焦点处，驱动电路和A/D转换电路分别与红外焦平面探测器连接，位于光学镜头前方的目标景物发出的红外辐射经大气传输后到达光学镜头，光学镜头把红外辐射会聚到液晶光阀上，液晶光阀判断光照强度实现对红外辐射的关断，红外辐射通过液晶光阀会聚到红外探测器上，红外焦平面探测器对红外辐射产生响应，将其转化成能够被红外电子学组件识别的电信号；驱动电路为红外焦平面探测器提供数字信号和模拟电压等驱动信号；A/D转换电路将模拟视频信号进行数模转换，以送入信号处理电路进行信号处理；信号处理电路对数字图像进行处理并产生各电路所需的控制信号；图像输出电路将处理后的图像信号输出显示；D/A转换电路将数字的控制信号转换成模拟信号控制压控震荡器；压控振荡器，用于产生交变电压控制液晶光阀透光率。

结合图4，本发明的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪的液晶光阀装置是在液晶两玻璃基板的外侧分别放置了一个起偏器和检偏器，且两偏振片透光轴方向相同，液晶材料为n型液晶。在未加电时，光线经过起偏器，在液晶中随着液晶分子长轴方向的变化旋转90°，到达检偏器时偏振光轴与检偏器透光轴正交，线偏振光无法射出，因此液晶光阀的关态为暗态。结合图5，在两端透明电极上加电时，液晶分子的长轴方向与电场方向垂直，到达检偏器的偏振光轴与检偏器透光轴方向相同，线偏正光可以从检偏器射出，同时改变电场电压的大小可以调节液晶光阀的透过率。

结合图6，本发明的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪的信号处理电路，包括依次连接的探测器驱动模块、比例积分微分(PID)控制模块、盲元补偿模块、非均匀性校正模块、图像去噪模块、直方图均衡模块、数字细节增强(DDE)模块、伪彩色增强模块、插值放大模块、显示模块，探测器驱动模块分别与驱动电路和A/D转换电路连接，显示模块与图形输出电路连接，PID控制模块与D/A转换电路连接。其中探测器驱动模块为驱动电路提供驱动时序信号，并将数字图像信号转换为标准格式输出。PID控制模块根据每个像素的灰度值计算出控制量，并将控制量输出给D/A转换电路，同时将标准格式的数字图像信号传给盲元补偿模块。盲元补偿模块检测图像中的盲元位置并用周围四领域像素的均值代替该盲元的像素值，然后将处理后的图像信号传给非均匀性校正模块。非均匀性校正模块采用传统的两点式校正方法，在红外热成像系统的传输线路中插入一温度可控的均匀辐射的黑体，利用各探测单元对两个不同辐照度下均匀黑体辐射的响应计算出校正参数，从而实现非均匀性校正。经非均匀性校正后的图像数据进入图像去噪模块。红外图像的噪声主要是高斯噪声和椒盐噪声，图像去噪模块采用中值滤波算法降低红外图像中引入的各种噪声，平滑图像，同时有效保护图像的边缘细节能量，使一个M×N的窗口在图像上顺序滑动,窗口中心位置的像素灰度值用窗口内各点灰度值的中值取代。然后将处理后的图像数据传给直方图均衡模块。直方图均衡模块将图像中灰度概率密度较大的像素向附近灰度级扩展，使得灰度层次拉开，而概率密度较小的像素的灰度级收缩，可以让出原来占有的部分灰度级，经过这样的处理使图像充分有效地利用各个灰度级，增强了图像对比度，改善了图像质量。处理后的图像数据进入DDE模块。DDE模块采用一种基于频域分离的数字细节增强算法，通过一个自适应的高斯滤波器提取图像的高频成分，实现对目标边沿或轮廓细节对比度的提升，从而达到图像细节增强的效果。紧接着图像数据进入伪彩色增强模块，当一个像素点的原始灰度值出现时，利用其强度值作为彩色查找表的入口地址，去查找其在彩色显示时对应的RGB三个通道的颜色分量强度值，生成该点所对应的三基色伪彩色。最后经处理后的标准格式的图像数据进入显示模块。显示模块将标准格式的图像数据需要产生符合VGA格式或PAL制格式的时序，并将时序连同图像数据一起输出给图像输出模块，最终显示模拟红外图像。

结合图2和图3，液晶光阀(LCLV)是一种光寻址的空间光调制器，被广泛用于光信息处理、大屏幕投影显示、自动目标识别等领域，能够在时域电信号驱动下，空间地改变一维或二维光场的相位、强度、偏振等。液晶光阀中的关键部分是液晶，其物理特性介于固体和液体之间，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性。液晶的结构分为玻璃基板、透明电极、分子配向层和液晶层，如图2所示。液晶主要是通过液晶层内液晶分子的偏转，让光线通过或者遮蔽。大部分的液晶分子是长棒状分子，由于分子结构的对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。分子配向层的作用是使液晶沿预定方向取向。我们只需对液晶两侧玻璃基板做某些处理，使得液晶分子按照某种形式排列，就能够控制光线的通断。如图3是扭曲向列型(TN型)液晶简化模型。图中液晶分子分层排列，每层分子的排列方向与基板平行且基本相同，相邻层之间的液晶分子排列方向逐渐转过一定角度，两基板表面处的液晶分子方向的夹角为90°。

如果在两玻璃基板的外侧分别放置一个起偏器和检偏器，并且使两偏振片透光轴方向相同，当一束白光照射到起偏器时，成为线偏振光，当偏振光在液晶中传播时偏振方向会随着液晶分子长轴方向的变化而旋转。液晶分子的扭曲角为90°，表示液晶分子能将光的偏振方向旋转90°，这就是液晶的旋光效应，使得到达检偏器的偏振光最终与检偏器透光轴成90°夹角，此时线偏振光无法从检偏器出射，则该液晶光阀关态为暗态。这种液晶光阀称为常暗型液晶光阀。还有一种是常亮型液晶光阀，与常暗型液晶光阀不同的是常亮型液晶光阀的起偏器与检偏器的透光轴成90°夹角，因此到达检偏器的偏振光最终与检偏器透光轴平行，线偏振光可以从检偏器出射。本发明选用常暗型液晶光阀。若此时在液晶两端的透明电极加上电场，如果选用p型液晶，在电场作用下液晶分子长轴方向将沿电场方向，经起偏器后的线偏振光偏振方向将基本不受液晶的影响；如果使用n型液晶，在电场作用下液晶长轴分子方向将垂直电场方向，经起偏器后的线偏振光经过液晶的双折射成为椭圆偏振光，则仍有部分可以通过检偏器。此时出射光的强弱可以通过调整电场的强弱来控制。本发明中选用的是n型液晶来制作液晶光阀。

液晶光阀的结构如图4和图5所示，图4、图5分别为液晶光阀关态、开态工作示意图。图中起偏器与检偏器的透光轴方向相同。加在液晶上的电场通常为交流电场，该交流电场是由施加在液晶电极上的交流电压产生的，交流电压的有效值决定液晶光阀的最终状态。在未加电时，常暗型液晶光阀的起偏器与检偏器的透光轴方向相同，到达检偏器的偏振光与检偏器的透光轴成90°夹角，此时线偏振光无法从检偏器射出，因此关态为暗态。当在两端透明电极上加电时，在外加电场的作用下液晶分子的取向将发生改变从而使得液晶光阀的透光率发生变化，当外加电场增强时液晶光阀的透光率也随之增大，直到外加电场的强度大于液晶光阀的阈值电压时，液晶光阀的透光率将保持最大透光率不变。

电路中的红外焦平面探测器将光信号转换成模拟电压输出，经A/D转换电路后将模拟电压信号转换为信号处理电路能够处理的数字信号。信号处理电路采用数字PID控制系统来计算出对液晶光阀的控制量。

假设红外焦平面探测器输出的电压信号为U，经A/D转换电路后输出的数字信号为V_d，系统设定的阈值为V_e，判断V_d是否大于V_e，若V_d大于V_e，则信号处理电路需要计算V_d与V_e之差e，即

e＝V_d-V_e

若V_d小于V_e，则e为0；

PID控制系统的控制公式为：

$U_i=U_{i-1}+K_P[(e_i-e_{i-1})+\frac{T}{T_I}{e}_i+\frac{T_D}{T}(e_i-2e_i+e_{i-2})]$

其中U_i是第i个像素的控制量(i为整数)，U_i-1是第i-1个像素的控制量，T为像素采样周期，T_I是积分系数，T_D是微分系数，K_P是比例系数，u₀是初始控制量，e_i表示计算的第i个像素的V_e与V_d之差，e_i-1是第i-1个像素的V_e与V_d之差，e_i-2是第i-2个像素的V_e与V_d之差。比例放大系数K_P、积分系数T_I和微分系数T_D与信号处理电路的响应速度以及激励信号的变化频率等因素有关，应该视具体情况而定。

Claims (3)

1.一种基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，其特征在于：包括光学镜头、液晶光阀、红外焦平面探测器、驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路、电源电路和压控震荡器；电源电路分别与驱动电路、A/D转换电路、信号处理电路、图像输出电路、D/A转换电路和压控震荡器连接，并向上述部件供电；信号处理电路分别与驱动电路、A/D转换电路、图像输出电路和D/A转换电路连接，D/A转换电路与压控震荡器连接，液晶光阀固定在红外焦平面探测器的靶面上，光学镜头设置在液晶光阀前端，驱动电路和A/D转换电路分别与红外焦平面探测器连接，位于光学镜头前方的目标景物发出的红外辐射经大气传输后到达光学镜头，光学镜头把红外辐射会聚到液晶光阀上，液晶光阀判断光照强度实现对红外辐射的关断，红外辐射通过液晶光阀会聚到红外探测器上，红外焦平面探测器对红外辐射产生响应，将其转化成能够被红外电子学组件识别的电信号；驱动电路为红外焦平面探测器提供数字信号和模拟电压的驱动信号；A/D转换电路将模拟视频信号进行数模转换，以送入信号处理电路进行信号处理；信号处理电路对数字图像进行处理并产生各电路所需的控制信号；图像输出电路将处理后的图像信号输出显示；D/A转换电路将数字的控制信号转换成模拟信号控制压控震荡器；压控振荡器，用于产生交变电压控制液晶光阀透光率。

2.根据权利要求1所述的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，其特征在于：上述液晶光阀的起偏器和检偏器的透光轴方向相同，且到达检偏器的偏振光与检偏器的透光轴成90°夹角；液晶光阀采用扭曲向列型，即TN型，液晶分子的扭曲角为90°，液晶分子为n型液晶分子。

3.根据权利要求1所述的基于液晶光阀的防致盲非制冷红外热成像仪，其特征在于：上述信号处理电路包括依次连接的探测器驱动模块、PID控制模块、盲元补偿模块、非均匀性校正模块、图像去噪模块、直方图均衡模块、DDE模块、伪彩色增强模块和显示模块；探测器驱动模块分别与驱动电路和A/D转换电路连接，显示模块与图形输出电路连接，PID控制模块与D/A转换电路连接，其中探测器驱动模块为驱动电路提供驱动时序信号，并将数字图像信号转换为标准格式输出到PID控制模块；PID控制模块根据每个像素的灰度值确定控制量，并将控制量输出给D/A转换电路，并将标准格式图像数据传输到盲元补偿模块；盲元补偿模块检测查找出探测器上响应不正常的像元点，并利用附近的像元点进行替换，将替换后的图像数据输入非均匀性校正模块；非均匀性校正模块采用传统的两点式校正方法，在红外热成像系统的传输线路中插入一温度可控的均匀辐射的黑体，利用各探测单元对两个不同辐照度下均匀黑体辐射的响应计算出校正参数，从而实现非均匀性校正，并将处理后的图像数据输入图像去噪模块；图像去噪模块采用中值滤波算法降低红外图像中引入的各种噪声，平滑图像，同时有效保护图像的边缘细节能量，并将处理后的图像数据输入直方图均衡模块；直方图均衡模块用于改变图像中灰度概率分布，使其均匀化，并将其处理后的图像数据输入DDE模块；DDE模块使图像细节部分即高频能量得到增强，并且与原始图像背景的总动态范围相适应，并将处理后的图像数据输入伪彩色增强模块；伪彩色增强模块利用像素点的原始灰度值的强度值查找其在彩色显示时对应的RGB三个通道的颜色分量强度值，生成该点所对应的三基色伪彩色后，输入显示模块；显示模块将标准格式的图像数据根据需要产生符合VGA格式或PAL制格式的时序，并将时序连同图像数据一起输出给图像输出电路。