CN112229521B - 一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统及校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，包括：红外探测器单元，探测红外目标，输出电压值；图像模数转换单元，将红外探测器单元输出的代表图像信息的第一电压值转换成图像数字信号；温度模数转换单元，将红外探测器单元输出的代表温度信息的第二电压值转换成数字信号；FPGA控制单元，用于接收图像模数转换单元和温度模数转换单元量化后的温度数字信号；数据输出单元，用于接收FPGA控制单元发送来的温度自校正后的图像信息数据，并将处理好的信息传输给快视设备；电源供电单元，给上述所有单元提供所需直流电平。本发明一个帧周期内就可以完成图像数据对于温度变化的自校正，无需单独辐射校正，实现图像数据的实时温度校正。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统。
背景技术
红外焦平面探测器是热成像系统的核心器件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键。红外焦平面探测器可分为制冷型和非制冷型两大类。制冷型红外探测器具有灵敏度高、探测距离远等优点，能够分辨更细微的温度差别，广泛应用于需要精确测量的科学研究、航空航天、高端工业探测等领域。
制冷型红外探测器需要一台制冷机将焦平面的温度控制在一定的温度范围内，这个温度范围会随着时间呈现一种随机的微小波动。由于探测器对自身的温度以及环境温度非常敏感，温度变化直接影响探测器的输出，所以精确探测焦平面以及环境的实时温度，并反馈给片上信号处理单元，实时对探测器的输出进行校正，可以有效提高整个系统对目标探测的准确性和稳定性。
目前红外焦平面探测器系统通常将自身温度值反馈给制冷机，用来调整制冷机工作状态，保证焦平面温度控制在一定的范围内。但是由于制冷机工作状态的调整需要一定的时延，这就导致在精确尺度上测量，焦平面自身的温度在一定范围内不断的波动，从而影响探测器输出的准确性和稳定性。另外对于环境温度的变化，通常需要对图像进行后期辐射校正，无法实时调整，增加了额外的工作量，同时影响整个系统的实时性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，一个帧周期内就可以完成图像数据对于温度变化的自校正，无需单独辐射校正，实现图像数据的实时温度校正。
根据本发明提出了一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：包括：
红外探测器单元，用于探测红外目标，输出探测红外目标信息的电压值，所述电压值包括代表图像信息的第一电压值和代表温度信息的第二电压值；
图像模数转换单元，用于将所述第一电压值转换成图像数字信号；
温度模数转换单元，用于将所述第二电压值转换成温度数字信号；
FPGA控制单元，用于接收所述图像数字信号与所述温度数字信号，并计算得到的图像数字信号数据所需的偏置参数和增益参数，并在下一帧开始前将图像偏置参数和图像增益参数反馈给图像模数转换单元对所述图像数字信号进行校正；
数据输出单元，用于从所述FPGA控制单元接收所述图像信息数据，并将所述图像信息数据发送至目标设备。
在本发明的一些实施例中，所述温度模数转换单元还用于对第二电压值进行内定标，所述内定标的定标方式为：在温度模数转换单元上设有SPI接口，将芯片输入端与地平面短接，保证输入信号的偏置参数为0，校正后的偏置参数更新到寄存器中；类似的，将高精度稳压源提供饱和电压2.5V与芯片输入端相接，增益参数为2.5V，校正后的增益参数更新到寄存器中，读取寄存器中偏置参数和增益参数用于内定标。
在本发明的另一些实施例中，所述温度模数转换单元内定期自动进行内定标。
在本发明的另一些实施例中，所述图像模数转换单元和温度模数转换单元之间独立工作，所述图像模数转换单元将第一电压值转换完成图像数字信号后，所述图像模数转换单元即停止工作，所述温度模数转换单元开始将第二电压值转换成温度数字信号，保证图像信号和温度信号独立处理。
在本发明的另一些实施例中，所述图像模数转换单元按预设频率读出像元，由四个抽头读出，采用先积分后读出的工作模式，帧同步触发红外探测器开始积分，积分完成后通过四个抽头并行依次读出像元。
在本发明的另一些实施例中，所述图像模数转换单元采用LTC2325芯片，所述芯片为四路并行输入，并与红外探测器四个抽头输出相匹配，将代表图像信息的电压值转换成16bit量化的数字信号后，传输给FPGA控制单元进行整合。
在本发明的另一些实施例中，所述温度模数转换单元采用32bit高精度芯片ADS1281。
在本发明的另一些实施例中，所述红外探测器单元输出的代表温度信息的第二电压值包括探测器焦平面自身温度电压值和环境温度电压值。
在本发明的另一些实施例中，所述温度模数转换单元还用于将基于多次采样得到温度数字信号进行取平均值，然后将所述平均值发送给FPGA控制单元。
一种红外探测器的图像数字信号校正方法，具体校正方法如下：
1)采用上述图像模数转换单元对红外探测器单元输出的第二电压值转换成温度数字信号，并将温度数字信号输送给上述FPGA控制单元；
2)所述FPGA控制单元计算得到的图像数字信号数据所需的偏置参数和增益参数，并在下一帧开始前将图像偏置参数和图像增益参数反馈给上述图像模数转换单元对所述图像数字信号进行校正；
3)所述图像模数转换单元内定期自动对上述第二电压值进行内定标。
本发明中，1、一个帧周期内就可以完成图像数据对于温度变化的自校正，无需单独辐射校正，实现图像数据的实时温度校正，解决了制冷机工作状态的调整需要一定的时延，导致在精确尺度上测量，焦平面自身的温度在一定范围内不断的波动，从而影响探测器输出的准确性和稳定性的问题，提高系统长期工作的稳定性和准确性。
2、可以对红外目标温度和环境温度进行测定并转换数字信号，传递给FPGA控制单元，根据预先设计好的程序，设置图像模数转换单元的参数值，包括增益量和偏置量，从而达到根据温度变化，实时调整图像信号的目的。
3、温度模数转换单元可以提高采样频率，多次采样值做平均处理，提高温度值的稳定性。
4、图像信号模数转换完成后，图像模数转换单元即停止工作，温度模数转换单元开始工作，这样保证图像信号和温度信号独立处理，防止二者相互干扰，影响采样精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提出的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统的电路原理示意图。
图2为本发明提出的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统的电路系统工作时序图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提出的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，包括：
红外探测器单元，用于探测红外目标，输出探测红外目标信息的电压值，所述电压值包括代表图像信息的第一电压值和代表温度信息的第二电压值；；
图像模数转换单元，用于将所述第一电压值转换成图像数字信号；
温度模数转换单元，用于将所述第二电压值转换成温度数字信号；
FPGA控制单元，用于接收所述图像数字信号与所述温度数字信号，并计算得到的图像数字信号数据所需的偏置参数和增益参数，并在下一帧开始前反馈给图像模数转换单元对所述图像数字信号进行校正；数据输出单元，用于从所述FPGA控制单元接收所述图像信息数据，并将所述图像信息数据发送至目标设备。
在其它实施例中，数据输出单元采用Cameralink接口。
电源供电单元，给上述所有单元提供所需直流电平。
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
红外探测器采用中波和长波进行探测，中波是指频率为300kHz-3MHz的无线电波，长波，包括超长波，是指频率为300kHz以下的无线电波。
所述温度模数转换单元还用于对第二电压值进行内定标，所述内定标的定标方式为：在温度模数转换单元上设有SPI接口，将芯片输入端与地平面短接，保证输入信号的偏置参数为0，校正后的偏置参数更新到寄存器中；类似的，将高精度稳压源提供饱和电压2.5V与芯片输入端相接，增益参数为2.5V。
在其他实施例中，增益参数还可根据实际需要设定其他电压值。
校正后的增益参数更新到寄存器中，分别读取寄存器中偏置参数和增益参数。温度模数转换单元可以定期进行芯片内定标，解决系统长时间工作所产生的系统参数整体漂移，提高系统长时间工作的稳定性以及测量参数的准确性。其中，本段落所提到的“偏置”和“增益”不同于反馈给图像模数转换单元的偏置和增益参数值，而是温度模数转换单元本身的内定标参数。
所述图像模数转换单元和温度模数转换单元之间独立工作，所述图像模数转换单元将代表图像信息的电压值转换成数字信号转换完成后，所述图像模数转换单元即停止工作，所述温度模数转换单元开始将红外探测器单元输出的代表温度信息的电压值转换成数字信号，保证图像信号和温度信号独立处理。
所述红外探测器像元尺寸为320mm×256mm，所述图像模数转换单元内像元读出频率为5M，由四个抽头读出，采用先积分后读出(ITR)的工作模式，帧同步触发红外探测器开始积分，积分完成后通过四个抽头并行依次读出像元。所述图像模数转换单元采用LTC2325芯片，所述芯片为四路并行输入，并与红外探测器四个抽头输出相匹配，将代表图像信息的电压值转换成16bit量化的数字信号后，传输给FPGA控制单元进行整合，可以同时采集、处理四路图像数据，有效提高探测器帧频以及系统数据率。所述温度模数转换单元采用32bit高精度芯片ADS1281，最大信噪比130dB，最大采样率为4000sps，温度测量精度达到0.01K，该精度基于2s内采样值的均方根噪声得出。
所述红外探测器单元输出的代表温度信息的电压值包括探测器焦平面自身温度电压值和环境温度电压值。温度模数转换单元输出焦平面自身温度以及环境温度信号，传递给FPGA控制单元，根据预先设计好的程序，设置图像模数转换单元的参数值，包括增益量和偏置量，从而达到根据温度变化，实时调整图像信号的目的。
所述温度模数转换单元能进行多次采样，将多次采样的代表温度信息的电压值转换成数字信号进行取平均值，然后量化后的平均数字信号发送给FPGA控制单元。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：包括：
红外探测器单元，用于探测红外目标，输出探测红外目标信息的电压值，所述电压值包括代表图像信息的第一电压值和代表温度信息的第二电压值；
图像模数转换单元，用于将所述第一电压值转换成图像数字信号；
温度模数转换单元，用于将所述第二电压值转换成温度数字信号；
FPGA控制单元，用于接收所述图像数字信号与所述温度数字信号，并计算得到的图像数字信号数据所需的图像偏置参数和图像增益参数，并在下一帧开始前将图像偏置参数和图像增益参数反馈给图像模数转换单元对所述图像数字信号进行校正；
数据输出单元，用于从所述FPGA控制单元接收所述图像信息数据，并将所述图像信息数据发送至目标设备；
所述温度模数转换单元还用于对第二电压值进行内定标,所述内定标的定标方式为：在温度模数转换单元上设有SPI接口，将芯片输入端与地平面短接，保证输入信号的偏置参数为0，校正后的偏置参数更新到寄存器中；将高精度稳压源提供饱和电压2.5V与芯片输入端相接，增益参数为2.5V，校正后的增益参数更新到寄存器中，读取寄存器中偏置参数和增益参数用于内定标。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述温度模数转换单元内定期自动进行内定标。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述图像模数转换单元和温度模数转换单元之间独立工作，所述图像模数转换单元将第一电压值转换完成图像数字信号后，所述图像模数转换单元即停止工作，所述温度模数转换单元开始将第二电压值转换成温度数字信号，保证图像信号和温度信号独立处理。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述图像模数转换单元按预设频率读出像元，由四个抽头读出，采用先积分后读出的工作模式，帧同步触发红外探测器开始积分，积分完成后通过四个抽头并行依次读出像元。
5.根据权利要求4所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述图像模数转换单元采用LTC2325芯片，所述芯片为四路并行输入，并与红外探测器四个抽头输出相匹配，将代表图像信息的电压值转换成16bit量化的数字信号后，传输给FPGA控制单元进行整合。
6.根据权利要求4所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述温度模数转换单元采用32bit高精度芯片ADS1281。
7.根据权利要求1所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述红外探测器单元输出的代表温度信息的第二电压值包括探测器焦平面自身温度电压值和环境温度电压值。
8.根据权利要求1所述的一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统，其特征在于：所述温度模数转换单元还用于将基于多次采样得到温度数字信号进行取平均值，然后将所述平均值发送给FPGA控制单元。
9.一种红外探测器的图像数字信号校正方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的电子学系统进行校正的方法。
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| 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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