CN106101583B - 基于数字域tdi的红外成像方法 - Google Patents

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Abstract

基于数字域TDI的红外成像方法，属于红外成像技术领域，为了解决常规红外成像方法无法实现灵活连续的积分级数选择与大目标范围的图像采集的问题，目标辐射信号经过光学镜头汇聚到面阵红外探测器上，面阵红外探测器将目标的辐射信号转换为模拟电压信号，该信号经过运算放大器完成阻抗匹配与比例放大，并输出与A/D转换器输入端相匹配的模拟信号，该信号经由A/D转换器进行数字量化，再输出至FPGA电路，量化后的图像数据以帧为单位存储在FPGA电路中，完成多帧图像数据的缓存与TDI迭加算法，最后输出处理后的图像数据；本发明有效的增加了曝光时间，提高了系统的灵敏度，能够对弱辐射目标进行探测与侦察。

Description

基于数字域TDI的红外成像方法
技术领域
本发明属于红外成像技术领域，涉及一种利用数字域实现时间延时积分(TimeDelay Integration)功能的红外成像方法。
背景技术
红外成像系统的核心是红外探测器，其决定了成像系统的主要性能指标，因此红外成像系统的设计都是围绕着红外探测器开展的。目前常用的红外探测器按照工作方式可分为TDI(Time Delay Integration)红外探测器和面阵红外探测器，因此常规的红外成像方法包括TDI成像方法和面阵成像方法。前者是利用传感器的像素结构实现每行像元的转移和曝光累加，从而增大对目标的曝光时间，获得充足的信号能量，实现连续、大范围的推扫成像，但这种成像方法的缺点是探测器的积分级数通常有限，并且不能连续调整，因此在实际应用中增大了使用难度，缺乏参数设置的灵活性。
对于面阵成像方法，由于面阵红外探测器像素结构自身设计的原因，其不能实现每行像元的转移和曝光累加，其具体工作模式是以帧为单位输出目标的辐射特性，即每次曝光完成后，输出相应像元阵列的图像信号。这种成像方法主要通过对指定目标区域进行凝视，从而增加曝光时间，因此成像的视场有限，不能实现连续、大范围的推扫成像。
因此，利用目前现有的红外传感器，常规的红外成像方法是无法实现灵活连续的积分级数选择与大目标范围的图像采集，因此需要提出一种新的成像方法。
发明内容
本发明为了解决常规红外成像方法无法实现灵活连续的积分级数选择与大目标范围的图像采集的问题，本发明提出了基于数字域TDI的红外成像方法，利用现有的面阵红外探测器，实现了时间延迟积分的功能，有效的增加了曝光时间，提高了系统的灵敏度，具有大目标范围的成像能力，可灵活连续选择积分级数，并可对弱辐射目标进行探测。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于数字域TDI的红外成像方法，其特征是，目标辐射信号经过光学镜头汇聚到面阵红外探测器上，面阵红外探测器将目标的辐射信号转换为模拟电压信号，该信号经过运算放大器完成阻抗匹配与比例放大，并输出与A/D转换器输入端相匹配的模拟信号，该信号经由A/D转换器进行数字量化，再输出至FPGA电路，量化后的图像数据以帧为单位存储在FPGA电路中，完成多帧图像数据的缓存与TDI迭加算法，最后输出处理后的图像数据。
该方法中还具有电源模块，其为面阵红外探测器、运算放大器、A/D转化器和FPGA电路提供所需的各种供电电源。
所述的TDI迭加算法如下：
设T1时刻，针对M×N像元阵列的面阵红外探测器，P1(i,j)为像元(i,j)的图像灰度，此时刻对目标A区域成像的像元阵列为第一行像元，即P1(1,j)，j＝1～N，对目标B区域成像的像元阵列为第二行像元，即P1(2,j)，j＝1～N，同理C～E目标区域，分别对应P1(3,j)～P1(M,j)，j＝1～N；
在T2时刻，所述面阵红外探测器相对于目标进行移动，此时对目标B区域成像的像元阵列为第一行像元，即P2(1,j)，j＝1～N，同理C～F目标区域，分别对应P2(2,j)～P2(M,j)，j＝1～N；
因此，如果积分级数为2级，则此时对目标B区域的数字域TDI迭加结果为：
P2(2，j)＝[P2(1，j)+VT]+[P1(2，j)+VT]，1≤j≤N
式中VT为环境辐射等因素对应的补偿量；
如果积分级数为3级，则此时输出的第一行图像数据应对应于目标C区域，因此数字域TDI迭加结果为：
P3(3，j)＝[P3(1，j)+VT]+[P2(2，j)+VT]+[P1(3，j)+VT]，1≤j≤N
同时将累加次数为三次的其他目标区域的图像数据输出；
所以，对于积分级数为L级的数字域TDI迭加算法的结果为：
Pk(L，j)＝[Pk(1，j)+VT]+[Pk-1(2，j)+VT]+[Pk-2(3，j)+VT]+…
+[Pk-(L-2)(M-1，j)+VT]+[Pk-(L-1)(M，j)+VT]，1≤j≤N
其中Pk(i,j)为Tk时刻像素(i,j)的图像数据，i＝1～M，j＝1～N；VT为环境辐射等因素对应的补偿量。
所述积分级数的自动调整方法，
设Tk时刻对于像素(i，j)的图像数据为Pk(i，j)，PMAX为图像灰度极大值，PMIN为图像灰度极小值，NMAX为饱和点数量上限，NMIN为欠曝光点数量下限，每帧图像累加后饱和点和欠曝光点的计数分别为n和m，L为期望的积分级数，J为当前的积分级数，具体实现步骤如下：
步骤一、完成积分级数为J级的TDI迭加后，将饱和点和欠曝光点计数变量进行初始化，即n＝0，m＝0；
步骤二、在M×N维大小的像元阵列中，将迭加后每个像元的灰度Pk(i,j)分别与PMAX、PMIN做比较，如果Pk(i,j)大于PMAX，则饱和点计数n加1，如果Pk(i,j)小于PMIN，则欠曝光点计数m加1；
步骤三、当完成M×N个像元的比较后，如果饱和点计数n不小于NMAX，则将期望的积分级数L设置为当前的积分级数J，即停止继续曝光，如果欠曝光点计数m不小于NMIN且L不大于J，则将期望的积分级数L设置为积分级数J+1，继续进行累加曝光。
本发明的有益效果是：基于数字域TDI的红外成像方法，利用量化后的数字图像数据进行逐帧累加实现了时间延迟积分的功能，从而有效的增加了曝光时间，提高了系统的灵敏度，能够对弱辐射目标进行探测与侦察，由于采用推扫累加的工作方式，所以具有大目标范围的成像能力，并可灵活连续的选择积分级数，具备根据当前曝光情况自动调整积分级数的功能，可获得灰度范围合理的红外图像。
附图说明
图1是本发明的基于数字域TDI的红外成像方法组成框图。
图2是本发明所述的数字域TDI迭加算法示意图。
图3是本发明所述的积分级数自动调整方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，基于数字域TDI的红外成像方法为：
目标辐射信号经过光学镜头1汇聚到面阵红外探测器2上，面阵红外探测器2将目标的辐射信号转换为模拟电压信号，该信号经过运算放大器3完成阻抗匹配与比例放大，并输出与A/D转换器4输入端相匹配的模拟信号，该信号经由A/D转换器4进行数字量化，再输出至FPGA电路6，量化后的图像数据以帧为单位存储在FPGA电路6中，完成多帧图像数据的缓存与TDI迭加算法，最后输出处理后的图像数据。电源模块5为面阵红外探测器2、运算放大器3、A/D转化器4和FPGA电路6提供所需的各种供电电源。
如图2所示，本发明数字域TDI红外成像方法中所述的TDI迭加算法如下：
设T1时刻，针对M×N像元阵列的面阵红外探测器，P1(i,j)为像元(i,j)的图像灰度，此时刻对目标A区域成像的像元阵列为第一行像元，即P1(1,j)，j＝1～N，对目标B区域成像的像元阵列为第二行像元，即P1(2,j)，j＝1～N，同理C～E目标区域，分别对应P1(3,j)～P1(M,j)，j＝1～N。
在T2时刻，所述红外成像方法中面阵红外探测器2相对于目标进行移动，此时对目标B区域成像的像元阵列为第一行像元，即P2(1,j)，j＝1～N，同理C～F目标区域，分别对应P2(2,j)～P2(M,j)，j＝1～N。
因此，如果积分级数为2级，则此时对目标B区域的数字域TDI迭加结果为：
P2(2,j)＝[P2(1,j)+VT]+[P1(2,j)+VT],1≤j≤N
式中VT为环境辐射等因素对应的补偿量，用于去除外界环境温度的影响，同时将累加次数为两次的其他目标区域的图像数据输出。
如果积分级数为3级，则此时输出的第一行图像数据应对应于目标C区域，因此数字域TDI迭加结果为：
P3(3，j)＝[P3(1，j)+VT]+[P2(2，j)+VT]+[P1(3，j)+VT]，1≤j≤N
同时将累加次数为三次的其他目标区域的图像数据输出。
所以，对于积分级数为L级的数字域TDI迭加算法的结果为：
Pk(L，j)＝[Pk(1，j)+VT]+[Pk-1(2，j)+VT]+[Pk-2(3，j)+VT]+…
+[Pk-(L-2)(M-1，j)+VT]+[Pk-(L-1)(M，j)+VT]，1≤j≤N
其中Pk(i，j)为Tk时刻像素(i，j)的图像数据，i＝1～M，j＝1～N；VT为环境辐射等因素对应的补偿量。
本发明还可根据每帧图像累加后的灰度情况，自动调整当前的积分级数，防止图像过饱和或欠曝光。如图3所示，积分级数自动调整方法如下。
设Tk时刻对于像素(i，j)的图像数据为Pk(i，j)，PMAX为图像灰度极大值，PMIN为图像灰度极小值，NMAX为饱和点数量上限，NMIN为欠曝光点数量下限，每帧图像累加后饱和点和欠曝光点的计数分别为n和m，L为期望的积分级数，J为当前的积分级数，具体实现步骤如下：
步骤一、完成积分级数为J级的TDI迭加后，将饱和点和欠曝光点计数变量进行初始化，即n＝0，m＝0；
步骤二、在M×N维大小的像元阵列中，将迭加后每个像元的灰度Pk(i，j)分别与PMAX、PMIN做比较，如果Pk(i，j)大于PMAX，则饱和点计数n加1，如果Pk(i，j)小于PMIN，则欠曝光点计数m加1；
步骤三、当完成M×N个像元的比较后，如果饱和点计数n不小于NMAX，则将期望的积分级数L设置为当前的积分级数J，即停止继续曝光，如果欠曝光点计数m不小于NMIN且L不大于J，则将期望的积分级数L设置为积分级数(J+1)，继续进行累加曝光。

Claims (2)

1.基于数字域TDI的红外成像方法，其特征是，目标辐射信号经过光学镜头(1)汇聚到面阵红外探测器(2)上，面阵红外探测器(2)将目标的辐射信号转换为模拟电压信号，该信号经过运算放大器(3)完成阻抗匹配与比例放大，并输出与A/D转换器(4)输入端相匹配的模拟信号，该信号经由A/D转换器(4)进行数字量化，再输出至FPGA电路(6)，量化后的图像数据以帧为单位存储在FPGA电路(6)中，完成多帧图像数据的缓存与TDI迭加算法，最后输出处理后的图像数据；
所述的TDI迭加算法如下：
设T1时刻，针对M×N像元阵列的面阵红外探测器，P1(i，j)为像元(i，j)的图像灰度，此时刻对目标A区域成像的像元阵列为第一行像元，即P1(1，j)，j＝1～N，对目标B区域成像的像元阵列为第二行像元，即P1(2，j)，j＝1～N，同理C～E目标区域，分别对应P1(3，j)～P1(M，j)，j＝1～N；
在T2时刻，所述面阵红外探测器(2)相对于目标进行移动，此时对目标B区域成像的像元阵列为第一行像元，即P2(1，j)，j＝1～N，同理C～F目标区域，分别对应P2(2，j)～P2(M，j)，j＝1～N；
因此，如果积分级数为2级，则此时对目标B区域的数字域TDI迭加结果为：
P2(2，j)＝[P2(1，j)+VT]+[P1(2，j)+VT]，1≤j≤N
式中VT为环境辐射因素对应的补偿量；
如果积分级数为3级，则此时输出的第一行图像数据应对应于目标C区域，因此数字域TDI迭加结果为：
P3(3，j)＝[P3(1，j)+VT]+[P2(2，j)+VT]+[P1(3，j)+VT]，1≤j≤N
同时将累加次数为三次的其他目标区域的图像数据输出；
所以，对于积分级数为L级的数字域TDI迭加算法的结果为：
Pk(L，j)＝[Pk(1，j)+VT]+[Pk-1(2，j)+VT]+[Pk-2(3，j)+VT]+…
+[Pk-(L-2)(M-1，j)+VT]+[Pk-(L-1)(M，j)+VT]，1≤j≤N
其中Pk(i，j)为Tk时刻像素(i，j)的图像数据，i＝1～M，j＝1～N；VT为环境辐射等因素对应的补偿量；
积分级数的自动调整方法：
设Tk时刻对于像素(i，j)的图像数据为Pk(i，j)，PMAX为图像灰度极大值，PMIN为图像灰度极小值，NMAX为饱和点数量上限，NMIN为欠曝光点数量下限，每帧图像累加后饱和点和欠曝光点的计数分别为n和m，L为期望的积分级数，J为当前的积分级数，具体实现步骤如下：
步骤一、完成积分级数为J级的TDI迭加后，将饱和点和欠曝光点计数变量进行初始化，即n＝0，m＝0；
步骤二、在M×N维大小的像元阵列中，将迭加后每个像元的灰度Pk(i,j)分别与PMAX、PMIN做比较，如果Pk(i,j)大于PMAX，则饱和点计数n加1，如果Pk(i,j)小于PMIN，则欠曝光点计数m加1；
步骤三、当完成M×N个像元的比较后，如果饱和点计数n不小于NMAX，则将期望的积分级数L设置为当前的积分级数J，即停止继续曝光，如果欠曝光点计数m不小于NMIN且L不大于J，则将期望的积分级数L设置为积分级数J+1，继续进行累加曝光。
2.根据权利要求1所述的基于数字域TDI的红外成像方法，其特征是，该方法中还具有电源模块(5)，其为面阵红外探测器(2)、运算放大器(3)、A/D转化器(4)和FPGA电路(6)提供所需的各种供电电源。
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