CN107084797B - 国产红外探测器模拟输出自适应调整装置及其调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种国产红外探测器模拟输出自适应调整装置及其调整方法，其特征是，包括国产红外探测器、温度传感器芯片、FPGA和A/D芯片，FPGA分别与红外探测器、温度传感器芯片和A/D连接，A/D与红外探测器连接，FPGA产生时钟、驱动等信号驱动红外探测器、温度传感器芯片和A/D工作，红外探测器产生模拟图像信号后经A/D采样量化后转为数字图像信号，温度传感器芯片感应红外探测器的温度并转换为数字信号由FPGA解码，FPGA接收数字图像信号并对其进行图像处理。本发明所达到的有益效果：无论工作环境温度是否与标定时的环境温度相同、观察场景的温度是否超出两点标定时黑体的温度范围，都可以将红外探测器的模拟输出调整至两点参数标定范围内，使红外探测器各像元的响应能够得到正确修正。
Description
技术领域
本发明涉及一种国产非制冷型红外探测器模拟输出自适应调整装置及其方法，属于红外热成像技术领域。
背景技术
20世纪30年代国外开始出现红外热成像技术，自德国人生产出以红外变像管为探测器的主动式红外热像仪后红外热成像技术开始迅速发展起来。到了20世纪九十年代中期，美国FSI公司研制成功了剔除机械扫描装置的焦平面红外热像仪(FPA)。此后，FSI公司进一步推出了无需致冷系统的非制冷热像仪。而国产红外热成像技术研究起步较晚，整体水平落后于国外先进水平近10年，目前国内使用较多且生产技术相对成熟的为氧化钒热敏材料的非制冷红外探测器。然而无论是国外红外探测器还是国内红外探测器，都存在由红外焦平面阵列的材料、制造工艺等影响造成的非均匀性，表现在红外图像上是固定的图案噪声。
国产非制冷红外探测器采用片上非均匀性校正模块(即OCC模块)来调节由红外焦平面阵列阻值的不均匀性引起的失调、TCR的非均匀性以及增益的非均匀性，可以使得红外探测器在无光照时各像元的输出电压都接近同一值。此外非制冷型红外探测器的成像还需通过非均匀性校正后才能正常输出显示，而工程上比较常用的非均匀性校正方法是单点校正和两点校正算法。其中两点校正需要将红外探测器放置于温度稳定的环境中，调整黑体温度，分别得到高温TH黑体辐射下的探测器模拟输出值VH和低温TL黑体辐射下的探测器模拟输出值VL，以此计算得到两点参数，且不同温区两点参数不同。那么当红外探测器受场景辐射模拟输出值在VL～VH范围内时，探测器的每个像元的输出响应都能够通过两点校正得到修正。而实际应用过程中，当红外探测器的工作环境温度与标定时的环境温度不同时，探测器的模拟输出会发生改变，且观察场景的不同，无法保证红外探测器的模拟输出值在VL～VH范围内，那么红外探测器的输出响应将无法得到正确的修正，红外图像上会出现或暗或亮的噪点，影响观察效果。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种国产红外探测器模拟输出自适应调整装置及其调整方法，解决了红外图像上出现或明或暗噪点的问题，校正了红外探测器的非均匀性，得到了较均匀的图像信号，从而改善了红外探测器的标定方法以及成像效果。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种国产红外探测器模拟输出自适应调整装置，其特征是，包括红外探测器、温度传感器芯片、FPGA和A/D转换器；所述FPGA分别与红外探测器、温度传感器芯片和A/D转换器连接，A/D转换器与红外探测器连接；所述FPGA产生的信号驱动红外探测器、温度传感器芯片和A/D转换器工作；所述温度传感器芯片感应红外探测器的温度并转换为数字信号后由FPGA解码；所述红外探测器产生模拟图像信号后经A/D转换器采样量化后转为数字图像信号，FPGA接收数字图像信号并对其进行图像处理。
一种基于上述的国产红外探测器模拟输出自适应调整装置的调整方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1)FPGA驱动红外探测器正常工作，将红外探测器正对所要观察的场景；
步骤2)根据温度传感器芯片选择温区，并调用该温区的两点参数；
步骤3)红外探测器接收外部场景的红外辐射并转换为电信号后，输出模拟图像信号传输至A/D转换器进行采样量化，利用FPGA读取红外探测器每一帧的输出值并计算平均值Vo，判断其是否在合适范围内：若不在合适范围内执行步骤4)，若在合适范围内，执行步骤5)；
步骤4)调整最后两列OCC数据，返回步骤3)；
步骤5)进行挡片校正，输出较均匀的红外图像。
进一步地，所述步骤2)中，将国产红外探测器的工作温度T范围分为3个温区：
低温区：-40℃≤T＜0℃；
常温区：0℃≤T＜45℃；
高温区：45℃≤T≤60℃。
进一步地，所述步骤3)中红外探测器的数字输出范围为(A-δ,A+δ)，其中A为A/D转换器的数字信号范围的中间值，δ为依据经验值选择的正数；
进一步地，所述步骤3)中若红外探测器处于高温区工作时，将高温区的红外探测器的模拟输出调整至稍低于低温和常温的模拟输出。
进一步地，所述步骤3)中判定平均值Vo在合适范围内时的要件是：红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo均在合适范围内。
进一步地，所述步骤4)中调整方法为：当红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo不在合适范围内时，将最后两列OCC数据从最低位开始自动加1。
进一步地，所述步骤5)的具体内容为，当红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo在合适范围内时，FPGA执行单点校正，并经过图像处理，使得最终得到较为均匀的红外图像。
本发明所达到的有益效果：(1)无论工作环境温度是否与标定时的环境温度相同，都可以将红外探测器的模拟输出调整至两点参数标定范围内，使红外探测器各像元的响应能够得到正确修正；(2)无论观察场景的温度是否超出两点标定时黑体的温度范围，都可以将红外探测器的模拟输出调整至两点参数标定范围内，使红外探测器各像元的响应能够得到正确修正；(3)简化了两点标定的过程，增强了同一温区两点参数的适用性。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是实施例中调整方法的步骤示意图；
图3是实施例中红外探测器的OCC数据示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明涉及的装置通过硬件控制国产红外探测器的片上校正字，使红外探测器无论工作于何种温度条件下，观测场景为任意目标都能够使红外探测器模拟输出在A/D转换器的合适范围内，得到较为均匀的红外图像，增强了同一温区两点参数的适用性，简化了标定的流程。
实施例中以广微积电的探测器GWIR 02 02X1A为例，如图3，其OCC一共有386×289个数据，通过两根数据线SDH和SDL以及时钟线SCL一起传输。SDH和SDL各传输6比特组成12比特的校正字。
经多次实验发现，12比特的OCC数据可以分成三部分，即D3～D0为A3～A0(A OCC)，D7～D4为B3～B0(B OCC)，D11～D8为C3～C0(C OCC)。
前384列OCC数据用于校正对应列的像元的非均匀性，而最后两列OCC数据用于调节整个阵列输出Vo的均值。其中第384列OCC每增大1比特A OCC或者B OCC都会使整个阵列的Vo下降，而第385列OCC每增大1比特A OCC将使整个阵列的Vo上升。因此，通过调整最后两列OCC数据可将红外探测器模拟输出调整至合适范围内。
本实施例具体操作是，实验步骤如下：
步骤1)开机，将红外探测器正对所要观察的场景；
步骤2)根据温度传感器芯片(LM92)选择温区，并调用该温区的两点参数。一般国产非制冷型红外探测器的工作温度T范围为-40℃至60℃，根据实践经验，可将国产红外探测器的工作温度T范围分为3个温区：-40℃≤T＜0℃为低温区；0℃≤T＜45℃为常温区；45℃≤T≤60℃为常温区。
步骤3)红外探测器模拟输出经A/D芯片(LTC2246)转换成数字信号，利用FPGA读取红外探测器每一帧的输出值并计算平均值Vo，判断其是否在合适范围内，若不在合适范围内执行步骤4)，若在合适范围内，执行步骤5)。
在本实施例中由于LTC2246为14bit的A/D转换芯片，因此LTC2246的数字信号范围为0～16383。经多次实验发现，由于红外探测器具有非均匀性，由于红外探测器具有非均匀性，所以当红外探测器的输出过高或过低时，容易出现图像部分饱和或部分截止的情况，因此，红外探测器的数字输出应在一定的合理范围内，经多次实验，取4000～12000较为适宜。而随着探测器工作时间的延长，探测器的输出会发生缓慢漂移，因此在调整红外探测器模拟输出时将其调整至LTC2246的中间值较为恰当，因此取7000～9000。实际工作中，当红外探测器处于高温区工作时，由于工作环境温度较高，红外探测器的模拟输出容易产生漂移，达到饱和，因此需要将高温区的红外探测器的模拟输出调整至稍低于低温和常温的模拟输出。本步骤中判断红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo是否在合适范围内，其中，低温和常温区为7000≤Vo≤9000，高温为5000≤Vo≤8000。
步骤4)调整最后两列OCC数据，执行步骤3)。本实施例中由于只有调整第384列AOCC或者B OCC和第385列A OCC才能够调整红外探测器的整个模拟输出，因此将第384列AOCC、B OCC和第385列A OCC作为一个新的12比特OCC数据，为LAST TWO OCC。根据实验规律，将第384列OCC和第385列OCC的初值分别设为448h和488h能够比较迅速地找到合适的LASTTWO OCC数据。当红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo不在合适范围内时，将12比特的LAST TWO OCC从最低位开始自动+1。由于从调整OCC到红外探测器的模拟输出发生变化并稳定需要一定的时间，根据实验，每16帧调整一次，直至红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo在合适范围内。
步骤5)进行挡片校正，红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo在合适范围内时，FPGA执行单点校正，并经过一系列图像处理，使得最终得到较为均匀的红外图像。
通过以上步骤，无论工作环境温度是否与标定时的环境温度相同，无论观察场景的温度是否超出两点标定时黑体的温度范围，都可以将红外探测器的模拟输出调整至两点参数标定范围内，使红外探测器各像元的响应能够得到正确修正，简化了两点标定的过程，增强了同一温区两点参数的适用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种国产红外探测器模拟输出自适应调整装置的调整方法，该装置包括红外探测器、温度传感器芯片、FPGA和A/D转换器；所述FPGA分别与红外探测器、温度传感器芯片和A/D转换器连接，A/D转换器与红外探测器连接；所述FPGA产生的信号驱动红外探测器、温度传感器芯片和A/D转换器工作；所述温度传感器芯片感应红外探测器的温度并转换为数字信号后由FPGA解码；所述红外探测器产生模拟图像信号后经A/D转换器采样量化后转为数字图像信号，FPGA接收数字图像信号并对其进行图像处理，其特征是，
包括如下调整步骤：
步骤1)FPGA驱动红外探测器正常工作，将红外探测器正对所要观察的场景；
步骤2)根据温度传感器芯片选择温区，并调用红外探测器在该温区内预先标定的两点参数，校正红外探测器的模拟输出；
步骤3)红外探测器接收外部场景的红外辐射并转换为电信号后，输出模拟图像信号传输至A/D转换器进行采样量化，利用FPGA读取红外探测器每一帧的输出值并计算平均值Vo，判断其是否在合适范围内：若不在合适范围内执行步骤4)，若在合适范围内，执行步骤5)；
步骤4)调整最后两列OCC数据，返回步骤3)；
步骤5)进行挡片校正，输出较均匀的红外图像。
2.根据权利要求1所述的调整方法，所述步骤2)中，将国产红外探测器的工作温度T范围分为3个温区：
低温区：-40℃≤T＜0℃；
常温区：0℃≤T＜45℃；
高温区：45℃≤T≤60℃。
3.根据权利要求1所述的调整方法，所述步骤3)中红外探测器的数字输出范围为(A-δ,A+δ)，其中A为A/D转换器的数字信号范围的中间值，δ为依据经验值选择的正数。
4.根据权利要求2所述的调整方法，所述步骤3)中若红外探测器处于高温区工作时，将高温区的红外探测器的模拟输出调整至低于低温和常温的模拟输出。
5.根据权利要求1所述的调整方法，所述步骤3)中判定平均值Vo在合适范围内时的要件是：红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo均在合适范围内。
6.根据权利要求1所述的调整方法，所述步骤4)中调整方法为：当红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo不在合适范围内时，将最后两列OCC数据从最低位开始自动加1。
7.根据权利要求1所述的调整方法，所述步骤5)的具体内容为，当红外探测器的每一帧模拟输出数字化后的平均值Vo在合适范围内时，FPGA执行单点校正，并经过图像处理，使得最终得到较为均匀的红外图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Homemade infrared detector analog output adaptive adjustment device and adjustment method Effective date of registration: 20220908 Granted publication date: 20190618 Pledgee: China Construction Bank Kunshan Branch Pledgor: ZHILAI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY (SUZHOU) CO.,LTD. Registration number: Y2022980014877 |