CN107121191A - 一种自适应调谐红外多光谱探测微系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应调谐红外多光谱探测微系统，包括：可调谐MOEMS滤光片，将输入的宽谱信号光进行通带滤光，输出窄带信号光；红外探测器，接收窄带信号光，通过光电转换输出电流信号；探测器读出电路，将红外探测器输出的电流信号进行处理并输出数字电压电信号；图像信号处理与自适应谱段选择算法处理模块，对探测器读出电路输出的数字电压信号进行处理，并加载自适应谱段选择算法，输出可调谐MOEMS滤光片数字电压控制信号、经过自适应谱段选择算法选取后获得的最佳信噪比谱段的图像信号和经过自适应算法处理得到运动目标的速度、方位信息；其中数字电压控制信号被反馈到可调谐MOEMS滤光片，实现对可调谐MOEMS滤光片光通带中心波长的调节。

Description

一种自适应调谐红外多光谱探测微系统

技术领域

本发明属于红外探测成像领域，具体而言，涉及一种自适应调谐红外多光谱探测微系统、波长可调谐红外成像探测系统和调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择方法。

背景技术

随着红外探测器技术的发展，现代大规模红外探测器组件已经具备了极高的空间分辨率，在红外搜索跟踪中可以实现很高的探测概率和低误警率。但是宽带中波红外或者长波红外探测器在搜索与跟踪过程中会受到背景杂波、诱饵干扰而导致其探测能力降低，因此为了提高各种军事任务中对杂乱背景下的隐蔽物体的探测能力，需要通过多光谱或者超光谱成像探测技术来提高目标识别率。

然而传统的多光谱成像系统采用色散、分立光学元件，例如光栅、棱镜或者各种干涉仪等来进行分光、处理，其体积庞大、结构复杂、功耗大，无法满足未来无人机、微纳卫星等微小型化平台的应用需求。例如随着空间技术的飞速发展，未来的航天体系正朝着类似航天器群的分散航天体系的思路发展，主要思想就是将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平台、平面或者多域的多个系统中。其中研究的核心组成就是分散分布的微纳卫星以及其空间组网技术。这种小型化的卫星平台对于平台载荷的体积、重量、功耗以及数据处理量提出了苛刻的要求，同时还要求载荷在复杂环境中能够获取到有用信息。因此，传统多光谱成像系统的产品和技术形态需要做出重大改变，来满足微小型化搭载的需求，即朝着更小体积、轻重量、低功耗，甚至是更智能化的方向发展。

波长可调谐的自适应多光谱探测微系统技术集成MOEMS(微电子机械系统)技术、光学薄膜技术、微电子技术：通过将光学薄膜工艺与MOEMS器件工艺结合，制备芯片级可调F-P腔(法布里-珀罗腔)滤光片。通过电压调节F-P腔的尺寸进而调制滤光片的中心波长，实现光谱通带的独立调谐。并且结合自适应谱段选择控制算法与反馈控制电路技术，根据探测器成像数据处理结果进行反馈驱动电压，以实现自适应于变化的环境和任务的多光谱成像。这种基于MOEMS的可调滤光片技术的自适应红外多光谱探测微系统大大减小体积、重量、功耗，智能化水平更高。在军用领域可满足星载、无人机机载等多种微小型化平台进行多光谱成像进而识别目标弹头、诱饵以及其他隐蔽军事目标的探测需求；在民用领域可应用于安防、农业、便携式食品药品的物质光谱检测与分析等。

多光谱成像有多种分光方式，其中基于滤光片转轮的方式在早期应用较为普遍，如图1所示。该方式需对每个通道进行单独成像，涉及不同中心波长的滤光片的切换，每次将一个滤光片转轮对准探测器，其滤片轮的循环工作模式为:滤片轮转动→滤片轮至某一位置停止(对准成像光学系统)→图像拍摄→滤片轮转动至下一个滤光片位置停止。

上述现有技术的主要缺陷有：(1)整个过程中滤片轮频繁的转动和停止操作导致成像过程缓慢，效率较低；(2)滤光片转轮体积、重量、功耗大；(3)在一个波段范围内，只能有固定数量和确定通带波长的滤光片，谱段调节的灵活性不足。(4)由于有机械运动部件，系统稳定性差，且结构的可靠性难以保证。

图2所示为现在常用的推扫色散型多光谱成像中的光栅反射式成像光谱仪。其工作原理如下：物体辐射或反射的光经过光学系统聚焦后入射穿过狭缝，经球面镜反射后入射到凸球面光栅进行反射分光，分光之后再经过球面镜反射，最后不同波长的光入射在光电探测器阵列的不同位置，经过图像处理可以对目标区域的一个维度在不同的波长处同时探测成像，目标在另外一个维度的像经过扫描：成像系统空间上的运动(如卫星)或者物体的平移运动(如传送带带动)，或者经过光学扫描装置对目标扫描之后，经过信号处理最终形成完整的二维多光谱图像。

图2所示的现有技术缺点如下：(1)由于该技术获得目标的一帧图像需要扫描，需要较长的时间，不适应高速成像的应用要求；(2)系统体积相对较大，不适合微小型化平台的使用；(3)该技术获得的多光谱图像对应的光谱中心波长数值是固定的，因此该技术不适用于根据外界环境的变化自由选择最佳中心波长对目标进行成像与识别；(4)该技术同时对所有谱段探测成像，获得目标的二维光谱图像导致数据量较大，对硬件资源要求较高。

因此需要一种MOEMS的可调谐红外探测系统及相关的器件来解决现有技术存在的上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种自适应调谐红外多光谱探测微系统、一种波长可调谐红外成像探测系统和一种调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择方法。

本发明的一个目的是构建基于MOEMS技术的芯片级的通带可调谐滤光片，大大降低多光谱分光的体积、重量、功耗；既可以用于覆盖整个焦平面进行多光谱探测成像，也可以用于单个探测器前端，进行物质的光谱信息获取与分析。

本发明的另一个目的是构建能够根据环境光谱的变化而自适应选择最佳探测谱段的智能化可调谐红外成像探测系统，探测中心波长的选择灵活可变，需要的数据量大大降低；

本发明的另一个目的是构建能够与探测器进行三维集成的微型化多光谱分光系统，大大降低系统体积、重量。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种自适应调谐红外多光谱探测微系统，包括：可调谐MOEMS滤光片，将输入的宽谱信号光进行通带滤光，输出窄带信号光；红外探测器，接收来自所述可调MOEMS滤光片输出的窄带信号光，通过光电转换输出电流信号；探测器读出电路，将所述红外探测器输出的电流信号进行处理并输出数字电压电信号；图像信号处理与自适应算法处理模块，对探测器读出电路输出的数字电压信号进行处理，并加载自适应算法，输出可调谐MOEMS滤光片数字电压控制信号、经过所述自适应算法选取后获得的最佳信噪比谱段的图像信号和经过自适应算法处理得到运动目标的速度、方位信息；其中所述数字电压控制信号被反馈到可调谐MOEMS滤光片，以实现对可调谐MOEMS滤光片光通带中心波长的调节。

另外本发明提供了一种波长可调谐红外成像探测系统，包括：前端光学镜头，接收目标发射或反射的光，将光束进行变换输出为与红外探测器匹配的光束，然后光束经过自适应调谐红外多光谱探测微系统；自适应调谐红外多光谱探测微系统，对所述光束进行处理，选取信噪比最高的谱段进行探测成像，并获取目标运动速度信息和方位信息；图像输出电路，将成像的数据输出到并进行显示控制、存储及后续处理；转台控制电路，接收目标运动速度信息和方位信息，输出控制转台运动的制动信号，实现转台控制。

另外本发明提供了一种调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择方法，包括：S1，设定滤光片电压扫描方式，并启动电压扫描，驱动可调谐MOEMS滤光片按照设定的波长步进进行调谐，每次调谐稳定后输出指令到S2，一定的时间后进行下一次调谐；S2，接收可调谐MOEMS滤光片每次调谐并至稳定的指令，开始对每一个谱段进行探测成像，依次进行，经过一轮完整的电压扫描后获取不同谱段的图像；S3，对S2输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割，输出区域切割后的信息到S4，并经过图像处理获取目标速度信息、加速度信息，并输出到S13；S4，接收来自S3的信息，计算切割区域的目标图像直方图平均值与背景图像直方图平均值的差值，并将差值输出到S5；

S5，接收来自S4的直方图差值信息，对相邻谱段的差值结果依次进行比较，选择出目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段；S6，将当前目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段以及差值信息存储下来，作为下次比较的参考；S7，经过一次完整的扫描，获取来自S5的具有最大目标-背景信噪比的最佳谱段；S8，接收来自S7的最大谱段信息，输出最佳谱段对应的的切换指令信号；S9，接收S8的输出信号，将滤光片驱动到目标谱段的相应位置，并通知S10进行图像数据采集；S10,获取目标谱段的图像数据并对图像数据格式进行转换，处理后输出图像；S11，按照一定的时间间隔计算该目标谱段下的特征量随时间变化的情况，并及时判断是否对滤光片进行启动新的电压扫描，当判断需要扫描时，输出启动指令到S1；当判断不需要扫描时，输出指令以保持驱动电压不变，稳定滤光片中心波长，并获取不同时刻该最佳谱段下的目标图像；S12，对S11输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割；并获取速度信息、加速度信息，并将此信号输出到S13；S13，获取来自S12的目标速度信息、加速度信息，预测下一时刻目标位置信息，并输出到S14；S14，获取来自123的目标位置预测信息，经过信息转换，输出转台控制指令。

根据本发明提供的一种自适应调谐红外多光谱探测微系统和可调谐MOEMS滤光片可以大大降低目前多光谱成像系统的体积、重量、功耗，实现芯片级的光谱分光模块，可以大大增加多光谱成像技术应用的平台适用范围，特别是满足微小型化平台对多光谱技术的需求。并且能够结合自适应谱段选择算法实现在变化背景环境的情况下快速、及时的调节探测谱段，实现高信噪比、智能化、自适应多光谱探测成像。

附图说明

附图，其被包括以提供本发明的进一步理解而且被并入并构成本说明书的一部分，所述附图示出本发明的实施例并且连同说明书用来解释本发明的原理，在附图中：

图1是示出现有技术的滤光轮式多光谱分光结构图；

图2是示出现有技术的光栅反射式成像光谱仪分光示意图；

图3是示出根据本发明实施例的波长可调谐红外成像探测系统应用功能框图

图4是示出根据本发明实施例的可调谐MEMOS滤光片、红外光电探测器和探测器信号读出电路的结构关系示意图；

图5是示出根据本发明实施例的静电驱动悬臂梁型可调谐MOEMS滤光片横截面视图；

图6是示出根据本发明实施例的阵列式MOEMS滤光模块结构图；

图7是示出根据本发明实施例的静电驱动压膜型可调谐MOEMS滤光片截面示意图；

图8是示出根据本发明实施例的可调谐MOEMS滤光片在不同驱动电压下的光谱调节示意图；

图9是示出根据本发明实施例的滤光片反馈控制电路总体结构示意图；

图10是示出根据本发明实施例的自适应谱段选择算法流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将详细参考本发明的实施例，这些实施例的示例在附图中示出。元件的后缀“模块”和“单元”在此用于方便描述，并且因此可以可交换地被使用，而且没有任何可区别的意义或功能。

虽然构成本发明的实施例的所有元件或单元被描述为结合到单个元件中或被操作为单个元件或单元，但是本发明不一定局限于此种实施例。根据实施例，在本发明的目的和范围内所有的元件可以选择性地结合到一个或多个元件并且被操作为一个或多个元件。

根据本发明的一个或多个实施例，图3是一个波长可调谐红外成像探测系统应用功能框图，在图3中包括镜头302、自适应调谐红外多光谱探测微系统303、图像输出电路304、转台控制电路305、图像显控、存储及后处理平台306、转台307。

其中，前端光学镜头302，接收目标发射或反射的光301，将光束进行变换输出与探测器匹配的光束，然后光束经过自适应调谐红外多光谱探测微系统303，一方面经过303处理之后选取信噪比最高的谱段进行探测成像，并将数据输入到图像输出电路304，另一方面,经过303的图像处理获取目标运动速度信息，将速度信息输入到转台控制电路305。经过304将图像数据输出到图像显示控制、存储及后处理平台306，经过305输出转台控制信号到307，实现转台控制和跟踪目标。

自适应调谐红外多光谱探测微系统303，通过对入射光谱信号的处理，选择出目标光谱与背景光谱具有最高信噪比的探测谱段进行成像，可适应于变化环境的目标探测。

自适应调谐红外多光谱探测微系统303包括：可调谐MOEMS滤光片3031，红外探测器3032，探测器读出电路3033，图像处理与自适应谱段选择算法处理模块3034，数字电压转化与滤波模块3035，滤光片调谐控制与驱动电路3036。

其中，可调MOEMS滤光片3031：将输入的宽谱信号光进行通带滤光，输出窄带信号光，实现窄带滤光功能。根据本发明的一个或多个实施例，可调MOEMS滤光片可以为图5或7所示的可调MOEMS滤光片。

红外探测器3032：接收来自可调MEMS滤光片3031输出的窄带信号光，通过光电转换输出电流信号，实现光信号到电信号的转换。

探测器读出电路3033：将红外探测器3032输出的电流信号进行滤波、放大、校准、AD转换等，输出数字电压电信号，实现信号读取功能。

图像信号处理与自适应谱段选择算法处理模块3034：对探测器读出电路3033输出的数字信号进行处理，并加载自适应谱段选择算法，该模块的输出包括三个部分：一是输出滤光片控制电压信号(不同的电压对应不同的谱段选取)到3035，二是输出经过选取之后获得的最佳信噪比谱段的图像信号到304，第三是处理得到运动目标的速度、方位信息并输出到305。其中自适应谱段选择算法可以为图像特征提取算法、滤波、增强、图像分割算法。

数字电压转换与滤波模块3035：接收来自3034的数字电压信号，并将信号转换成模拟电压信号，并对电压信号滤波，其功能是获取稳定的直流电压信号。

滤光片控制与驱动电路3036，接收来自3035的直流电压信号，通过放大和单端转差分功能实现电压增大，输出电压信号到可调滤光片3031，实现对可调MOEMS滤光片3031通带中心波长的调节。

转台控制电路305：接收来自3034输出的目标运动速度、方位信息，输出控制转台运动的制动信号，实现转台控制。

图像显控存储及后处理平台306：接收来自304的图像数据，处理变换，输出目标图像以及其他通过图像所获取的额外信息。

转台307：接收转台控制电路的信号，实现转台的转动，跟踪探测目标。

根据本发明的一个或多个实施例，图4为图3中可调谐MEMOS滤光片3031、所述红外光电探测器3032和所述探测器信号读出电路3033的结构关系示意图，所述可调谐MEMOS滤光片、所述红外光电探测器和所述探测器信号读出电路采用集成设计或集成芯片设计，其中，所述探测器信号读出电路位于红外光电探测器的下部，可调谐MOEMS滤光片位于所述红外光电探测器的上方，通过一个或多个支撑结构与所述红外光电探测器相连接。

根据本发明的一个或多个实施例，可调谐MOEMS滤光片3031核心是基于Si基MOEMS技术和多层光学薄膜技术的可调间距的F-P腔结构，通过电压大小致动调节F-P腔镜面的间距大小。以下具体描述两种可调谐MOEMS滤光片的具体结构。

根据本发明一个或多个实施例，图5为静电驱动悬臂梁型可调谐MOEMS滤光片500的横截面视图，图5所示的可调谐MOEMS滤光片是通过金属键合工艺将两个硅晶片镀反射膜后对准、键合，再经过一系列减薄、光刻、刻蚀、去除牺牲层等工艺实现。当宽带光谱从增透膜504入射，一直经过可动镜面Si支撑结构502、反射膜503、F-P腔506、重掺杂导电区域509、衬底510，透射到滤光片下面。在502与509施加驱动电压，二者之间静电吸引力驱动悬臂梁501并达到平衡，实现两层反射膜503与中间间隙形成的F-P腔间距的调节，进而实现光通带的中心波长的调节。其中图5的在可动镜面Si支撑结构502和悬臂梁501构成了调整构件，图5中可调谐MOEMS滤光片的主要组成部件和连接关系为；

(1)悬臂梁501，在可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构502随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动，实现调节502与510间距(F-P腔间距)的功能，进而调节通带中心波长。

(2)可动镜面Si支撑结构502，支撑上层增透膜504和反射膜503，可随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动。

(3)反射膜503，两层反射膜503用于形成F-P腔，光在两层反射膜503之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，实现通带滤光的作用。

(4)用于增加光透射的增透膜504，底层增透膜位于衬底510的下表面，上层增透膜位于所述可动镜面Si支撑结构502的上表面，两层处于上表面和下表面的增透膜504用于实现特定波长范围的光谱增强透射。

(5)电极引线505，位于所述重掺杂导电区域509上，用于连接正负电极与外部驱动电路，实现可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间产生电场和静电吸引力。

(6)F-P腔506，两层反射膜503和中间的空气间隙形成F-P腔结构506，实现通带滤光的功能。

(7)支撑结构507，位于衬底510上，用于支撑502，提供空气间隙。

(8)压焊点508，用于提供502与510的键合工艺，使二者固定，并充当502与电极的互连线功能。

(9)重掺杂导电区域509，所述重掺杂导电区域509位于衬底510上表面，该区域是在510表面一层做的重掺杂层，其良好的导电性用于产生与502之间的静电场和静电吸引力。

(10)衬底510，用于提供整个芯片的支撑。

考虑到可调谐MOEMS滤光片设计要满足驱动电压大小合适、工艺加工难度要小、抗干扰性好，因此对于静电驱动悬臂梁型可调谐MOEMS滤光片，其设计要进行悬臂梁形状、结构(长度、厚度、宽度)、材料的设计优化，以及可动镜面Si支撑结构的设计优化；因此，采用悬臂梁形式的MOEMS滤光片应用在焦平面探测器上时，通常可采取不同的阵列形式实现覆盖整个焦平面探测器，如图6所示为4×4阵列式静电驱动悬臂梁型可调谐MOEMS滤光片封装结构示意图。

图6的封装结构中包含了16片可调谐MOEMS滤光片，结构为4×4平行排列，其中封装盖帽一方面是为了封装特定气压的气体，满足MOEMS可调滤光片的调节速度的需要，另一方面是为了保护器件。在封装盖帽周围还包括多个引出电极。

根据本发明的一个或多个实施例，图7所示静电驱动压膜型可调谐MOEMS滤光片700的横截面视图，与静电驱动悬臂梁型可调谐MOEMS滤光片相比，静电驱动压膜型可调谐MOEMS滤光片没有悬臂梁结构，也没有可动镜面Si支撑结构。该技术途径的实现是通过薄膜工艺沉积光反射膜和电极，由于反射膜701很薄，在上下两个电极薄膜703之间施加驱动电压时，电极间的静电吸引力驱动反射膜701向下运动，调节F-P腔间距，进而调节光通带的中心波长。图7中可调谐MOEMS滤光片的主要组成部件和连接关系为：

(1)反射膜701，宽谱的光入射透过701，波长满足干涉条件的光在两层反射膜701之间产生谐振，实现通带滤光。

(2)小孔702，所述小孔为在反射膜701上刻蚀的多个孔，用于加工时刻蚀气体进入两层反射膜之间的牺牲层材料并产生反应，去除牺牲层材料形成空气间隙，所述牺牲材料为芯片制作工艺过程中使用的聚合物材料。

(3)电极薄膜703，用于加载驱动电压时上下电极产生静电吸引力，驱动上反射膜701向下移动。

(4)F-P腔704，两层反射膜701和中间的空气间隙形成所谓的F-P腔704，实现通带滤光的功能。

(5)电极引线705，用于连接外部驱动电路的正负电极和电极薄膜。

(6)支撑结构707，是刻蚀后保留下的牺牲层材料，用于支撑上层反射膜701，提供空气间隙。

(7)硅衬底707，是滤光片的承载基底。

(8)增透膜708，用于增加硅衬底707下表面光透射的透过率，用于实现一定波长范围的光谱增强透射。

可调谐MOEMS滤光片是实现光谱分光的功能，也是本发明的核心内容。通过电压控制调节滤光片的F-P腔之间的距离，改变滤光片的通带中心波长，从而实现通带光谱的调谐。当不加电压时，对应的通带中心波长是调节波长范围的上限，当电压从最开始的零伏特开始逐渐增大的过程中，F-P腔的间距减小，通带中心波长随之减小。驱动电压一般在几伏特到几十伏特之间，光谱分辨率根据光学薄膜设计与工艺控制，可实现10-100nm调节。对于静电驱动压膜型可调谐MOEMS滤光片，其设计要进行反射薄膜、电极薄膜、小孔直径与密度的设计优化。

根据本发明的一个或多个实施例，可调谐MOEMS滤光片中的双层反射膜也可以通过静电吸引力的作用进行移动，如，一层反射膜移动或两层反射膜同时移动，从而达到调整F-P腔的目的。

如图8所示是针对中波红外的可调谐MOEMS滤光片在不同驱动电压下的光谱调节示意图，中心波长可调范围覆盖3.1微米—4.9微米，带宽在中心波长由大到小的调节过程中在120-70nm附近变化，透过率超过90％。

根据本发明的一个或多个实施例，可调谐MEMOS滤光片调谐反馈控制电路总体结构如图9所示，包括电容读出电路、反馈控制电路和静电驱动电路。可调谐MOEMS滤光片所形成的F-P腔相当于极板电容，即图5或图7上下两层反射膜相当于极板电容(503和701)，通过读取电容的大小便可得到F-P腔的间距。极板电容的电容信号通过电荷放大器(C/V转换)转换成电压信号，通过AD转换(ADC)读入PID控制器(即比例-积分-微分控制器)。反馈控制电路在PID控制器中实现，通过比较读入电容大小和目标值(目标值可来自于自适应谱段选择图像处理后反馈的谱段选择所需的电压值，也可以来自按照一定规律变化的设定电压值)，产生反馈控制信号，作用在驱动电路上。驱动电路使用单端转差分静电驱动电路，通过对F-P腔的上下极板(反射膜)施加电压产生静电驱动力，完成F-P腔间距的调节。此外，为了保持F-P腔的有效面积，不再专门做检测极板，电容读出和静电驱动都是使用F-P腔，通过分时进行复用。

图10是根据本发明的一个或多个实施例的自适应谱段选择算法，在进行背景环境和探测目标都可能变化的多光谱探测成像应用场景，目标与环境背景的图像信噪比也会变化，为了使系统能够自适应于环境与目标的变化，本发明提出自适应谱段选择算法，通过该算法能够及时选择出探测目标直方图与背景环境直方图具有最大信噪比的探测谱段进行探测成像，算法的流程如图10所示。

图10是一种调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择算法流程，包括以下步骤：

100：设定滤光片电压扫描方式，开始时刻T(m)启动电压扫描，驱动可调谐MOEMS滤光片按照设定的波长步进进行调谐，每次调谐稳定后输出指令到101，一定的时间后进行下一次调谐。

101：接收可调谐MOEMS滤光片每次调谐并至稳定的指令，开始对每一个谱段进行探测成像，依次进行，经过一轮完整的电压扫描后获取不同谱段的图像，图中以n个谱段为例。

102：对101输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割，并输出信息到103。并经过图像处理获取目标速度信息、加速度信息，并输出到123。

103：接收来自102的信息，计算切割区域的目标图像直方图平均值与背景图像直方图平均值的差值，并将差值输出到104。

104：接收来自103的直方图差值信息，对相邻谱段的差值结果依次进行比较，选择出目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段，该谱段具有最大目标-背景信噪比。

105：将当前目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段以及差值信息存储下来，作为下次比较的参考。

106：经过一次完整的扫描，获取来自104的具有最大目标-背景信噪比的最佳谱段。

107：接收来自106的最佳谱段信息，输出最佳谱段的切换指令信号。

108：接收107的输出信号，将滤光片驱动到目标谱段的相应位置，并通知109进行图像数据采集。

109：获取目标谱段的图像数据，并输出到110。

110：对图像数据格式进行转换，并输数据到111。

111：将来自110的数据,处理后输出图像。

121：按照一定的时间间隔计算该目标谱段的特征量随时间变化的情况，并及时判断是否对滤光片进行启动新的电压扫描。当判断需要扫描时，输出启动指令到100；当判断不需要扫描时，输出指令以保持驱动电压不变，稳定滤光片中心波长，并获取不同时刻该最佳谱段下的目标图像。

122：对121输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割。获取速度信息、加速度信息，并将此信号输出到123。

123：获取来自122的目标速度信息、加速度信息，预测下一时刻目标位置信息，并输出到124。

124：获取来自123的目标位置预测信息，经过信息转换，输出转台控制指令。

本发明的上述一个或多个实施例还具有以下优点：

(1)本发明采用MOEMS技术将可调F-P腔器件与多层光学薄膜集成，形成可调中心波长的可调谐MOEMS滤光片，相比于多滤光片转轮或光栅推扫型多光谱分光技术，具有调节快速、灵活，体积、功耗小，与探测器易集成的特点；

(2)本发明的反馈控制电路技术，避免了因为工艺不一致性引起的阵列型滤光片各个单元波长不一致或者外界振动环境的干扰导致的失效和不稳定。

(3)本方案的自适应谱段选择算法，结合可调谐MOEMS滤光片可以快速致动的特性，能够实现智能化的选择探测谱段，相比于传统的多光谱探测技术，能够自适应于变化的环境进行选择最高信噪比的探测谱段进行探测成像。

应当理解，在本说明书中描述的功能单元或能力可被称为或标示为组件、模块或系统，以便更具体地强调它们的实现独立。例如，组件、模块或系统可被实现为硬件电路，其包括定制超大规模集成(VLSI)电路或门阵列、现成的半导体，诸如逻辑芯片、晶体管，或其他分立组件。组件或模块还可在可编程硬件设备中实现，诸如场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等。组件或模块还可以在用于由各种类型的处理器执行的软件中实现。例如，可执行代码的识别的组件或模块可以包括一个或多个物理或逻辑的计算机指令，其可以，例如，被组织为对象、程序或功能。然而，所识别的组件或模块不必在物理上定位在一起，而是可以包含存储在不同位置的全异指令，其当逻辑上接合在一起时，包含组件或模块并实现对于组件或模块的规定目的。

应该理解由本领域技术人员通过本发明能够实现的效果并不局限于在上文已特别描述的内容，并且本发明的其它优点从上面的详细描述中将更清楚地理解。

对于本领域技术人员，显然可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在本发明中做出各种修改和变型。因此，本发明旨在如果本发明的修改和变型落入附随权利要求和它们的等同形式的范围内，那么本发明覆盖这些修改和变型。

以下是本发明上述实施方式额外的示例。

示例1为一种自适应调谐红外多光谱探测微系统，包括：可调谐MOEMS滤光片，将输入的宽谱信号光进行通带滤光，输出窄带信号光；红外探测器，接收来自所述可调MOEMS滤光片输出的窄带信号光，通过光电转换输出电流信号；探测器读出电路，将所述红外探测器输出的电流信号进行处理并输出数字电压电信号；图像信号处理与自适应谱段选择算法处理模块，对探测器读出电路输出的数字电压信号进行处理，并加载自适应谱段选择算法，输出可调谐MOEMS滤光片数字电压控制信号、经过所述自适应谱段选择算法选取后获得的最佳信噪比谱段的图像信号和经过自适应谱段选择算法处理得到运动目标的速度、方位信息；其中所述数字电压控制信号被反馈到可调谐MOEMS滤光片，以实现对可调谐MOEMS滤光片光通带中心波长的调节。

示例2根据示例1所述的系统，还包括：数字电压转换与滤波模块，将所述数字电压控制信号转换成模拟控制电压信号，并对所述模拟控制电压信号滤波，以便获取稳定的直流控制电压信号。

示例3根据示例1-2所述的系统，还包括：滤光片控制与驱动电路，接收所述直流控制电压信号，通过放大和单端转差分功能实现电压增大，并输出最终的控制电压信号到可调谐MOEMS滤光片，以实现对可调谐MOEMS滤光片通带中心波长的调节。

示例4根据示例1-3所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片、所述红外光电探测器和所述探测器信号读出电路采用集成设计，其中，所述探测器信号读出电路位于红外光电探测器的下部，可调谐MOEMS滤光片位于所述红外光电探测器的上方，通过一个或多个支撑结构与所述红外光电探测器相连接。

示例5根据示例1-4所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片为基于Si基MOEMS技术和多层光学薄膜技术的可调间距的F-P腔结构，通过所述数字控制电压的大小致动地调节所述F-P腔结构的大小来实现光通带中心波长的调节。

示例6根据示例1-5所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片包括上下两层反射膜，所述上下两层反射膜形成可调间距的F-P腔结构，光在所述上下两层反射膜之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用。

示例7根据示例1-5所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片包括调整构件，所述调整构件通过静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，从而调节所述F-P腔结构大小，达到调节光通带中心波长的功能。

示例8根据示例1-7所述的系统，其中，通过静电力作用下移动双层反射膜中的一层或两层，从而调节所述F-P腔结构大小，达到调节光通带中心波长的功能。

示例9为一种波长可调谐红外成像探测系统，包括：前端光学镜头，接收目标发射或反射的光，将光束进行变换输出为与红外探测器匹配的光束，然后光束经过自适应调谐红外多光谱探测微系统；自适应调谐红外多光谱探测微系统，对所述光束进行处理，选取信噪比最高的谱段进行探测成像，并获取目标运动速度信息和方位信息；图像输出电路，将成像的数据输出到并进行显示控制、存储及后续处理；转台控制电路，接收目标运动速度信息和方位信息，输出控制转台运动的制动信号，实现转台控制。

示例10根据示例9所述的系统，还包括：图像显控存储及后处理平台，接收来自图像输出电路的数据输出，进行处理变换，输出目标图像以及其他通过图像所获取的额外信息。

示例11根据示例9-10所述的系统，还包括：转台，接收转台控制电路输出的控制信号，实现转台的转动，跟踪探测目标。

示例12根据示例9-11所述的系统，在波长可调谐红外成像探测系统中，所述自适应调谐红外多光谱探测微系统为权利要求1-8任一项所述的系统。

示例13为一种调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择方法，包括：S1，设定滤光片电压扫描方式，并启动电压扫描，驱动可调谐MOEMS滤光片按照设定的波长步进进行调谐，每次调谐稳定后输出指令到S2，一定的时间后进行下一次调谐；S2，接收可调谐MOEMS滤光片每次调谐并至稳定的指令，开始对每一个谱段进行探测成像，依次进行，经过一轮完整的电压扫描后获取不同谱段的图像；S3，对S2输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割，输出区域切割后的信息到S4，并经过图像处理获取目标速度信息、加速度信息，并输出到S13；S4，接收来自S3的信息，计算切割区域的目标图像直方图平均值与背景图像直方图平均值的差值，并将差值输出到S5；S5，接收来自S4的直方图差值信息，对相邻谱段的差值结果依次进行比较，选择出目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段；S6，将当前目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段以及差值信息存储下来，作为下次比较的参考；S7，经过一次完整的扫描，获取来自S5的具有最大目标-背景信噪比的最佳谱段；S8，接收来自S7的最大谱段信息，输出最佳谱段的切换指令信号；S9，接收S8的输出信号，将滤光片驱动到目标谱段的相应位置，并通知S10进行图像数据采集；S10,获取目标谱段的图像数据并对图像数据格式进行转换，处理后输出图像；S11，按照一定的时间间隔计算该目标谱段下的特征量随时间变化的情况，并及时判断是否对滤光片进行启动新的电压扫描，当判断需要扫描时，输出启动指令到S1；当判断不需要扫描时，输出指令以保持驱动电压不变，稳定滤光片中心波长，并获取不同时刻该最佳谱段下的目标图像；S12，对S11输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割；并获取速度信息、加速度信息，并将此信号输出到S13；S13，获取来自S12的目标速度信息、加速度信息，预测下一时刻目标位置信息，并输出到S14；S14，获取来自123的目标位置预测信息，经过信息转换，输出转台控制指令。

示例14为一种可调谐MEMOS滤光片，包括：悬臂梁(501)、可动镜面Si支撑结构(502)、两层反射膜(503)、F-P腔(506)和衬底(510)；其中所述两层反射膜(503)分别位于衬底(510)上部和可动镜面Si支撑结构(502)下部，用于形成F-P腔(506)，使得光在两层反射膜(503)之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用；所述悬臂梁(501)位于衬底510上方和所述可动镜面Si支撑结构502侧边，在可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构502可随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动，从而调节所述F-P腔的间距，以便调节光通带中心波长。

示例15根据示例14所述的滤光片，还包括两层增透膜(504)，底层增透膜位于衬底(510)的下表面，上层增透膜位于所述可动镜面Si支撑结构(502)的上表面，用于实现特定波长范围的光谱增强透射。

示例16根据示例14-15所述的滤光片，还包括重掺杂导电区域(509)，所述重掺杂导电区域(509)是在衬底(510)上表面做的重掺杂层，用于产生与可动镜面Si支撑结构(502)之间的静电场和静电吸引力。

示例17根据示例14-16所述的滤光片，还包括压焊点(508)，用于提供可动镜面Si支撑结构(502)与衬底(510)的键合工艺，使二者固定，并充当可动镜面Si支撑结构(502)与电极的互连线功能。

示例18根据示例14-17所述的滤光片，还包括支撑结构(507)，位于衬底(510)上，用于支撑可动镜面Si支撑结构(502)，提供所述F-P腔(506)的空气间隙。

示例19根据示例14-18所述的滤光片，还包括电极引线(505)，位于所述重掺杂导电区域(509)上，用于连接正负电极与外部驱动电路，实现可动镜面Si支撑结构(502)与衬底(510)之间产生电场和静电吸引力。

示例20根据示例14-19所述的滤光片，在所述可动镜面Si支撑结构(502)和所述重掺杂导电区域(509)上施加驱动电压，使得二者之间静电吸引力驱动所述悬臂梁(501)并达到平衡，实现所述两层反射膜(503)与中间间隙形成的所述F-P腔506间距的调节，从而实现光通带的中心波长的调节。

示例21根据示例14-20所述的滤光片，通过金属键合工艺将两个硅晶片镀反射膜后对准、键合，再经过一系列减薄、光刻、刻蚀、去除牺牲层的工艺实现所述滤光片的制作。

示例22为一种可调谐MOEMS滤光片，包括：衬底(707)、两层反射膜(701)、两层电极薄膜(703)和F-P腔(704)；其中，所述两层反射膜中的上反射膜和下反射膜位于衬底上方，在所述两层反射膜(701)和中间的空气间隙形成F-P腔(704)，波长满足干涉条件的光在两层反射膜(701)之间产生谐振，实现通带滤光；以及所述两层电极薄膜(703)用于加载驱动电压，并产生静电吸引力来驱动所述两层反射膜(701)中的上反射膜向下移动，以调节F-P腔(704)的间距，从而实现光通带中心波长的调节。

示例23根据示例21-22所述的滤光片，还包括支撑结构(707)，位于衬底上部，用于支撑上层反射膜(701)，提供空气间隙。

示例24根据示例21-23所述的滤光片，所述支撑结构(707)使用制作所述滤光片刻蚀后保留下的牺牲层材料。

示例254根据示例21-24所述的滤光片，还包括增透膜(708)，位于衬底下部，所述增透膜(708)用于增加衬底(707)下表面光透射的透过率，用于实现一定波长范围的光谱增强透射。

示例26根据示例21-25所述的滤光片，还包括小孔(702)，所述小孔为在反射膜701上刻蚀的多个孔，用于在滤光片加工时刻蚀气体进入所述两层反射膜(701)之间的牺牲层材料并产生反应，去除牺牲层材料形成空气间隙。

示例27根据示例21-26所述的滤光片，所述滤光片通过薄膜工艺沉积反射膜和电极制作形成。

示例28为一种可调谐MOEMS滤光片的调谐控制器，包括电容读出电路、反馈控制电路和静电驱动电路，所述可调谐MOEMS滤光片包括由两层反射膜形成的F-P腔，所述两层反射膜相当于上下极板电容；其中

所述电容读取电路读取所述极板电容的值，以获取所述F-P腔的间距，并将所述电容值输入所述PID控制器；

所述PID控制器通过比较所述电容值和目标值，产生反馈控制信号，并将所述反馈信号输出值驱动电路；以及

所述驱动电路使用单端转差分静电驱动电路，通过对F-P腔的上下极板电容施加电压产生静电驱动力，完成F-P腔间距的调节。

示例29根据示例28所述的控制器，所述电容值为极板电容的电容信号通过电荷放大器转换成电压信号，然后通过AD转换后的值。

示例30根据示例28-29所述的控制器，所述目标值来自于自适应谱段选择算法进行处理后反馈的谱段选择所需的电压值，或来自按照一定规律变化的设定电压值。

示例31为一种阵列式可调谐MOEMS滤光片封装结构，包括：16片可调谐MOEMS滤光片，按照4×4平行阵列进行排列；封装盖帽，所述16片可调谐MOEMS滤光片位于所述封装盖帽中；位于封装盖帽周围的多个引出电极，其中所述每片可调谐MOEMS滤光片具有如权利要求1-14任一项所述的结构。

示例32根据示例31所述的封装结构，所述封装盖帽拥有封装特定气压的气体以满足所述每片MOEMS可调滤光片的调节速度的需要。

Claims (13)

1.一种自适应调谐红外多光谱探测微系统，包括：

可调谐MOEMS滤光片，将输入的宽谱信号光进行通带滤光，输出窄带信号光；

红外探测器，接收来自所述可调MOEMS滤光片输出的窄带信号光，通过光电转换输出电流信号；

探测器读出电路，将所述红外探测器输出的电流信号进行处理并输出数字电压电信号；

图像信号处理与自适应谱段选择算法处理模块，对探测器读出电路输出的数字电压信号进行处理，并加载自适应谱段选择算法，输出可调谐MOEMS滤光片数字电压控制信号、经过所述自适应谱段选择算法选取后获得的最佳信噪比谱段的图像信号和经过自适应算法处理得到运动目标的速度、方位信息；

其中所述数字电压控制信号被反馈到可调谐MOEMS滤光片，以实现对可调谐MOEMS滤光片光通带中心波长的调节。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

数字电压转换与滤波模块，将所述数字电压控制信号转换成模拟控制电压信号，并对所述模拟控制电压信号滤波，以便获取稳定的直流控制电压信号。

3.根据权利要求2所述的系统，还包括：

滤光片控制与驱动电路，接收所述直流控制电压信号，通过放大和单端转差分功能实现电压增大，并输出最终的控制电压信号到可调谐MOEMS滤光片，以实现对可调谐MOEMS滤光片通带中心波长的调节。

4.根据权利要求3所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片、所述红外光电探测器和所述探测器信号读出电路采用集成设计，其中，所述探测器信号读出电路位于红外光电探测器的下部，可调谐MOEMS滤光片位于所述红外光电探测器的上方，通过一个或多个支撑结构与所述红外光电探测器相连接。

5.根据权利要求4所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片为基于Si基MOEMS技术和多层光学薄膜技术的可调间距的F-P腔结构，通过所述数字控制电压的大小致动地调节所述F-P腔结构的大小来实现光通带中心波长的调节。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片包括上下两层反射膜，所述上下两层反射膜形成可调间距的F-P腔结构，光在所述上下两层反射膜之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用。

7.根据权利要求6所述的系统，所述可调谐MOEMS滤光片包括调整构件，所述调整构件通过静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，从而调节所述F-P腔结构大小，达到调节光通带中心波长的功能。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，通过静电力作用下移动双层反射膜中的一层或两层，从而调节所述F-P腔结构大小，达到调节光通带中心波长的功能。

9.一种波长可调谐红外成像探测系统，包括：

前端光学镜头，接收目标发射或反射的光，将光束进行变换输出为与红外探测器匹配的光束，然后光束经过自适应调谐红外多光谱探测微系统；

自适应调谐红外多光谱探测微系统，对所述光束进行处理，选取信噪比最高的谱段进行探测成像，并获取目标运动速度信息和方位信息；

图像输出电路，将成像的数据输出到并进行显示控制、存储及后续处理；

转台控制电路，接收目标运动速度信息和方位信息，输出控制转台运动的制动信号，实现转台控制。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括：

图像显控存储及后处理平台，接收来自图像输出电路的数据输出，进行处理变换，输出目标图像以及其他通过图像所获取的额外信息。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括：

转台，接收转台控制电路输出的控制信号，实现转台的转动，跟踪探测目标。

12.根据权利要求9所述的系统，在波长可调谐红外成像探测系统中，所述自适应调谐红外多光谱探测微系统为权利要求1-8任一项所述的系统。

13.一种调节滤光片通带中心波长的自适应谱段选择方法，包括：

S1，设定滤光片电压扫描方式，并启动电压扫描，驱动可调谐MOEMS滤光片按照设定的波长步进进行调谐，每次调谐稳定后输出指令到S2，一定的时间后进行下一次调谐；

S2，接收可调谐MOEMS滤光片每次调谐并至稳定的指令，开始对每一个谱段进行探测成像，依次进行，经过一轮完整的电压扫描后获取不同谱段的图像；

S3，对S2输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割，输出区域切割后的信息到S4，并经过图像处理获取目标速度信息、加速度信息，并输出到S13；

S4，接收来自S3的信息，计算切割区域的目标图像直方图平均值与背景图像直方图平均值的差值，并将差值输出到S5；

S5，接收来自S4的直方图差值信息，对相邻谱段的差值结果依次进行比较，选择出目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段；

S6，将当前目标图像直方图与背景图像直方图的平均值的差值最大的谱段以及差值信息存储下来，作为下次比较的参考；

S7，经过一次完整的扫描，获取来自S5的具有最大目标-背景信噪比的最佳谱段；

S8，接收来自S7的最大谱段信息，输出最佳谱段的切换指令信号；

S9，接收S8的输出信号，将滤光片驱动到目标谱段的相应位置，并通知S10进行图像数据采集；

S10,获取目标谱段的图像数据并对图像数据格式进行转换，处理后输出图像；

S11，按照一定的时间间隔计算该目标谱段下的特征量随时间变化的情况，并及时判断是否对滤光片进行启动新的电压扫描，当判断需要扫描时，输出启动指令到S1；当判断不需要扫描时，输出指令以保持驱动电压不变，稳定滤光片中心波长，并获取不同时刻该最佳谱段下的目标图像；

S12，对S11输出的图像进行特征提取算法处理，获取目标轮廓并对目标物的图像以及背景环境图像进行区域切割；并获取速度信息、加速度信息，并将此信号输出到S13；

S13，获取来自S12的目标速度信息、加速度信息，预测下一时刻目标位置信息，并输出到S14；

S14，获取来自123的目标位置预测信息，经过信息转换，输出转台控制指令。