CN106404185B - 凝视型数字化红外成像组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凝视型数字化红外成像组件，旨在提供一种高集成度的凝视型数字化红外成像组件。它包括数字焦平面探测器、探测器接口、制冷机驱动器、信号处理器、存储器、输入设备以及输出设备；所述输入设备与信号处理器通过通讯接口连接；所述输出设备通过Camera Link接口与信号处理器相连接；所述存储器通过数字信号接口与信号处理器相连接；所述数字焦平面探测器与信号处理器通过探测器接口以及制冷机驱动器相连接；所述信号处理器提供制冷机驱动器工作所需电源，制冷机驱动器通过数字焦平面探测器的制冷机控制接口相连接，接收和反馈制冷机控制信号，形成控制闭环系统。本发明将数字焦平面探测器和成像电路高度集成在一起，适用于不同的热像仪，缩短热像仪的研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像技术领域，尤其是涉及一种凝视型数字化红外成像组件。
背景技术
红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外热辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布转换成视频图像的装置。红外热像仪是由红外光学系统、红外探测器组件、图像处理组件与伺服组件组成，用于获取目标场景的红外热图像，实现对目标物体红外特征的精确探测。
目前红外热像仪研制开发需要光学、结构以及电子共同设计完成，在设计的过程中需要花费大量的时间进行电子与光学和结构协调，导致设计过程太过复杂且周期也特别长。如果能将探测器与成像电路合为一体、形成一个通用成像模块的话，那么热像仪的研制工作将由原来的光学、电子和结构共同主导设计简化为根据系统的需求选择合适的红外成像组件来适应光学设计与结构设计，这将大大缩短研制周期。
发明内容
为克服现有技术中的缺点，本发明提供一种具有标准化结构和接口，可以缩短热像仪的研发周期，并适用于多种不同类型的数字化红外热像仪的凝视型数字化红外成像组件。
本发明通过以下技术方案实现：
一种凝视型数字化红外成像组件，包括数字焦平面探测器、探测器接口、制冷机驱动器、信号处理器、存储器、输入设备以及输出设备；
所述输入设备与信号处理器通过通讯接口连接，输入设备发送控制信息给信号处理器，同时接收来自信号处理器的状态反馈信息；
所述输出设备通过视频显示接口与信号处理器相连接，接收来自信号处理器的图像数据和图像同步信号；
所述存储器与信号处理器相连接，存储器存储信号处理器处理图像数据时所需要的参数和图像数据；
所述数字焦平面探测器通过探测器接口以及制冷机驱动器与信号处理器相连接，其中：
探测器接口将信号处理器的探测器驱动和控制信号传输给数字焦平面探测器，再将数字焦平面探测器的探测器数据传递到信号处理器；
信号处理器提供制冷机驱动器工作所需电源，制冷机驱动器与数字焦平面探测器的制冷机控制接口相连接，接收和反馈制冷机控制信号，形成控制闭环系统。
所述输入设备包括外电源和上位机，外电源负责提供24V的电源；上位机为可直接发出控制命令的计算机，负责发送控制指令控制成像组件。
所述输出设备包括Camera Link采集卡和上位机，Camera link采集卡用于采集红外图像数据；上位机为可直接接收控制指令的计算机，负责接收成像组件返回的指令。
所述通讯接口为RS422-通讯接口。
所述视频显示接口为Camera Link视频显示接口。
所述探测器接口是提供数字焦平面探测器工作所需的工作电压以及数字信号的连接通道。
所述制冷机驱动器为一个滤波器，为数字焦平面探测器的制冷机提供工作电源，同时对制冷机的测温二级管电压信号进行滤波，并输出给制冷机；当制冷机开始工作后将实时温度信号反馈到制冷机驱动器，该信号经过滤波滤去噪声，将温度电压信号输送给信号处理器。
所述信号处理器包括可编程序控制器，与该可编程序控制器相连的闪存储器、内存储器、通讯接口、视频显示接口、电源，其中：视频显示接口与采集卡相连，通讯接口与上位机相连，内电源与外电源相连。
所述可编程序控制器为FPGA芯片，闪存储器为FLASH闪存储器，存储器为DDR2存储器。FPGA芯片通过硬件设计连接的地址总线和数据总线控制、读、写FLASH闪存储器，包括：读取校正参数、写入并保存计算结果等；FPGA芯启用内部DDR2控制器对外置的DDR2存储器进行读写控制，通过数据总线和地址总线实时写入、读出图像数据；FPGA芯片单向控制Camera Link视频显示接口工作，将DDR2存储器中的图像数据按照显示时序的要求送到Camera Link视频显示接口，通过外部的Camera Link采集卡观察图像；FPGA芯片启动内部串口控制器配置RS422通讯接口，实现双向交互：一方面能够将上位机发来的消息命令传递给FPGA芯片，进行解析并做出相应控制、反馈信息等；另一方面根据协议要求向RS422通讯接口发送消息命令；电源主要是为满足不同芯片的供电需求，能够将外部直流稳压电源所供电压12V分为1.8V和3.3V的电压确保各芯片正常工作。
所述存储器安装在信号处理器上。
所述探测器接口、制冷机驱动器及信号处理器均安装在数字焦平面探测器上，且探测器接口、制冷机驱动器及信号处理器的尺寸均不大于字焦平面探测器的外围尺寸。
所述数字化焦平面探测器的型号为25μm-640x512。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的凝视型数字化红外成像组件是一个创新性产品，它将数字焦平面探测器和成像电路高度集成在一起，形成一个通用组件，在系统集成时只需考虑光学系统设计以及伺服系统设计，采用不同的光学系统即可适应不同指标的热像仪应用，缩短了热像仪的研发周期。在本发明中，将多种先进的技术和功能集成于红外成像组件中，从而实现了高性能、低功耗、高集成度、小体积、高稳定性以及通用化等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的电路连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1-3所示的凝视型数字化红外成像组件，包括数字焦平面探测器101、探测器接口102、制冷机驱动器103、信号处理器104、输入设备105以及输出设备106；
输入设备105包括外电源和上位机，外电源负责提供24V的电源；上位机为可直接发出控制命令的计算机，负责发送控制指令控制成像组件；
输出设备106包括Camera Link采集卡和上位机，Camera link采集卡用于采集红外图像数据；上位机为可直接接收控制指令的计算机，负责接收成像组件返回的指令；
信号处理器104包括可编程序控制器FPGA，与该可编程序控制器FPGA相连的闪存储器FLASH、存储器DDR2、通讯接口RS422、视频显示接口Camera Link、电源；
输出设备106的Camera link采集卡通过视频显示接口Camera Link与信号处理器104的可编程序控制器FPGA连接，上位机通过通讯接口RS422与可编程序控制器FPGA连接，以便将上位机的控制信号发送给信号处理器104的可编程序控制器FPGA，同时接收来自信号处理器104的可编程序控制器FPGA状态反馈信息；
输出设备106的电源与外电源相连、上位机通过通讯接口RS422与可编程序控制器FPGA连接，通过上位机接收来自信号处理器104可编程序控制器FPGA的图像数据和图像同步信号；
存储器DDR2与信号处理器104的可编程序控制器FPGA相连接，并安装在信号处理器104中，存储器DDR2存储信号处理器可编程序控制器FPGA处理图像数据时所需要的参数和图像数据；
所述数字焦平面探测器101通过探测器接口102以及制冷机驱动器103与信号处理器104相连接，其中：
探测器接口102将信号处理器的探测器驱动和控制信号传输给数字焦平面探测器101，再将数字焦平面探测器101的探测器数据传递到信号处理器104；
信号处理器104提供制冷机驱动器103工作所需电源，制冷机驱动器103与数字焦平面探测器101的制冷机控制接口相连接，接收和反馈制冷机控制信号，形成控制闭环系统；
所述制冷机驱动器103为一个滤波器，为数字焦平面探测器101的制冷机提供工作电源，同时对制冷机的测温二级管电压信号进行滤波，并输出给制冷机；当制冷机开始工作后将实时温度信号反馈到制冷机驱动器，该信号经过滤波滤去噪声，将温度电压信号输送给信号处理器；
所述可编程序控制器为FPGA芯片，闪存储器为FLASH闪存储器，存储器为DDR2存储器。FPGA芯片通过硬件设计连接的地址总线和数据总线控制、读、写FLASH闪存储器，包括：读取校正参数、写入并保存计算结果等；FPGA芯启用内部DDR2控制器对外置的DDR2存储器进行读写控制，通过数据总线和地址总线实时写入、读出图像数据；FPGA芯片单向控制Camera Link视频显示接口工作，将DDR2存储器中的图像数据按照显示时序的要求送到Camera Link视频显示接口，通过外部的Camera Link采集卡观察图像；FPGA芯片启动内部串口控制器配置RS422通讯接口，实现双向交互：一方面能够将上位机发来的消息命令传递给FPGA芯片，进行解析并做出相应控制、反馈信息等；另一方面根据协议要求向RS422通讯接口发送消息命令；电源主要是为满足不同芯片的供电需求，能够将外部直流稳压电源所供电压12V分为1.8V和3.3V的电压确保各芯片正常工作；
所述探测器接口102、制冷机驱动器103及信号处理器104均安装在数字焦平面探测器101上，且探测器接口102、制冷机驱动器103及信号处理器104的尺寸均不大于字焦平面探测器101的外围尺寸，确保在同一规格探测器下，组件外包络的一致性；接口设计保留两个满足功能需求的接口，一是RS422串口用于通讯，二是Camera Link数字接口用于视频输出；数字化焦平面探测器101的型号为25μm-640x512。
DDR2-存储器用于存储红外视频图像数据、非均匀校正参数、盲元表、开机画面以及该成像组件的预设参数；
FLASH-闪存储器用于存储红外视频图像数据、非均匀校正参数、盲元表以及该成像组件的预设参数、开机画面；
FPGA-可编程控制器用于图像处理算法的实现；
RS422-通讯接口用于成像组件与输入输出设备进行通讯；
CameraLink视频显示接口用于与输出设备的显示；电源用于对外电源进行滤波处理；
信号处理器104主要包括数字焦平面探测器101驱动信号的生成、自动盲元处理、非均匀性校正、图像滤波、图像增强等基本的红外图像处理算法，其中：
驱动信号包括数字焦平面探测器101的工作时钟，同步信号和工作参数；
工作参数配置是通过SPI通道实现，该功能可以配置数字焦平面探测器101参数也可以读出数字焦平面探测器101当前的状态参数，保证了数字焦平面探测器101的可维护性；
自动盲元处理，通过对均匀背景图像数据的采集，标示在像素相邻区域内异常响应的像素数据，标定该像元为“盲元”。对“盲元”数据的处理采取领域内的响应数据的均值作为替换值；
在完成盲元替换后，进行红外图像非均匀性校正，在多个温度段内完成图像数据采集并计算校正参数，这一过程完全依靠处理芯片的片上系统完成，无需借助外部计算机；
图像滤波是为了去除图像中的噪声；
图像增强的目的是为了保留高动态范围图像中的细节，从而与原始图像背景的总动态范围相匹配。
如此一来，即使在温度变化十分显著的场景中，观察人员能够同时看清明暗区域的细节。通讯控制由片上系统进行处理，使用者可以通过控制命令，进行相应的操作，例如，切换图像极性、调节图像显示效果和控制图像数据的工厂标定等等。
工作时，数字焦平面探测器101将红外辐射源转换成电信号。数字焦平面探测器具有多项优势，它能够降低外界对模拟信号传输的干扰，降低红外成像系统复杂度和生产成本等。数字焦平面探测器具有接口简单，信噪比高、带宽高的特点。它将模拟/数字转换器（ADC）以及先进的数字信号处理器集成到探测器的读出电路中，从探测器起所有信号处理都在数字域完成，它能够改善原有的模拟读出技术所存在的固有缺陷，如外界对模拟信号传输的干扰、以及模拟信号的带宽限制等，从根本上提高红外焦平面热像仪的帧频及空间分辨率，能够提升红外焦平面热像仪的系统集成度、抗电磁干扰性能及多项性能指标。
本发明实施例所使用主要器件的型号见下表：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种凝视型数字化红外成像组件，包括数字焦平面探测器、探测器接口、制冷机驱动器、信号处理器、存储器、输入设备以及输出设备；其特征在于：
所述输入设备与信号处理器通过通讯接口连接，输入设备发送控制信息给信号处理器，同时接收来自信号处理器的状态反馈信息；所述输入设备包括外电源和上位机，外电源负责提供24V的电源；上位机为可直接发出控制命令的计算机，负责发送控制指令控制成像组件；
所述输出设备通过视频显示接口与信号处理器相连接，接收来自信号处理器的图像数据和图像同步信号；所述输出设备包括Camera Link采集卡和上位机，Camera link采集卡用于采集红外图像数据；上位机为可直接接收控制指令的计算机，负责接收成像组件返回的指令；
所述存储器通过数字信号接口和信号处理器相连接，存储器存储信号处理器处理图像数据时所需要的参数和图像数据；
所述数字焦平面探测器通过探测器接口以及制冷机驱动器与信号处理器相连接，其中：
探测器接口将信号处理器的探测器驱动和控制信号传输到数字焦平面探测器，再将数字焦平面探测器的探测器数据传递给信号处理器；
信号处理器提供制冷机驱动器工作所需电源，制冷机驱动器与数字焦平面探测器的制冷机控制接口相连接，接收和反馈制冷机控制信号，形成控制闭环系统；所述信号处理器包括可编程序控制器，与该可编程序控制器相连的闪存储器、内存储器、通讯接口、视频显示接口、电源，其中：视频显示接口与采集卡相连，通讯接口与上位机相连，内电源与外电源相连。
2.根据权利要求1所述的凝视型数字化红外成像组件，其特征在于：所述存储器安装在信号处理器上。
3.根据权利要求1所述的凝视型数字化红外成像组件，其特征在于：所述探测器接口、制冷机驱动器及信号处理器均安装在数字焦平面探测器上，且探测器接口、制冷机驱动器及信号处理器的尺寸均不大于数字焦平面探测器的外围尺寸。
4.根据权利要求1所述的凝视型数字化红外成像组件，其特征在于：所述制冷机驱动器为一个滤波器，为数字焦平面探测器的制冷机提供工作电源，同时对制冷机的测温二级管电压信号进行滤波，并输出给制冷机。
5.根据权利要求1所述的凝视型数字化红外成像组件，其特征在于：所述可编程序控制器为FPGA芯片，闪存储器为FLASH闪存储器，存储器为DDR2存储器。
6.根据权利要求1所述的凝视型数字化红外成像组件，其特征在于：所述数字化焦平面探测器的型号为25μm-640x512。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |