CN113038043B - 一种传感器阵列电串扰消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器阵列信号处理技术领域，具体公开了一种传感器阵列电串扰消除方法，其中，所述传感器阵列按行列布局，并通过共享的行列引线读出各个阵列像素的输出信号，所述传感器阵列电串扰消除方法包括：获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性；根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号；对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号。本发明提供的传感器阵列电串扰消除方法可以实现传感器阵列待测物理信号的无串扰测量，不需要修改电路；同时该方法对于传感器类型没有明显的限制，适用范围广，可广泛应用于不同的类型的传感器阵列。
Description
技术领域
本发明涉及传感器阵列信号处理技术领域，尤其涉及一种传感器阵列电串扰消除方法。
背景技术
传感器阵列是由阵列像素上单点传感器行列排布组成，用于检测二维物理信号，例如红外图像、压力分布、可见光图像等。为减少引线数量，传感器阵列通过共享行列引线读出各阵列像素的输出信号。但这使得每个阵列像素与其他阵列像素存在潜在的并联回路，引发各阵列像素之间的电串扰，造成输出信号的伪影。
为消除传感阵列的电串扰，现有工作主要集中于传感器阵列电路的改进方面，分两类：破坏阵列电路的方法和不破坏阵列电路的方法。破坏阵列电路的方法通过在每一个阵列像素上串联一个二极管或晶体管，破坏潜在的并联回路，实现消除传感阵列的电串扰。该方法由于每一个阵列像素都需要串联二极管或晶体管，导致传感阵列像素结构复杂。不破坏阵列电路的方法，例如零电势方法和反馈电压法，通过运算放大器等控制非测试端口电压来消除电串扰，但该方法需要采用额外器件构造外围电路，且不适用于热电堆等传感阵列，应用范围受限。
发明内容
本发明提供了一种传感器阵列电串扰消除方法，解决相关技术中存在传感器阵列电串扰的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种传感器阵列电串扰消除方法，其中，所述传感器阵列按行列布局，并通过共享的行列引线读出各个阵列像素的输出信号，所述传感器阵列电串扰消除方法包括：
获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性；
根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号；
对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号。
进一步地，所述获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性，包括：
在所述传感器阵列上施加多组预设的已知探测物理信号；
获取与所述已知探测物理信号对应的阵列输出信号；
选定响应特性表征函数，并构建响应特性方程组；
根据所述响应特性方程组提取各个阵列像素的响应特性参数。
进一步地，所述响应特性表征函数包括初等函数中的任意一种，所述响应特性表征函数的待定参数为所述响应特性参数。
进一步地，所述根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号，包括：
变换原始待探测物理信号，构成原始信号的衍生信号组；
将所述原始信号的衍生信号组施加在所述传感器阵列上，获得对应的阵列输出信号；
建立所述原始信号的衍生信号组与对应的阵列输出信号之间的阵列方程组。
进一步地，所述对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号，包括：
将原始待测物理信号作为未知变量，根据求解算法求解所述阵列方程组得到各个阵列像素的实际物理信号。
进一步地，所述求解算法包括最小二乘法、遗传算法和粒子群算法中的任意一种。
进一步地，所述变换原始待探测物理信号，构成原始信号的衍生信号组，包括：
对所述原始探测物理信号进行线性变换、旋转、平移和遮蔽，得到变换后的信号；
将所述变换后的信号构成原始信号的衍生信号组。
进一步地，所述原始信号的衍生信号组包括原始待测物理信号的所有信号。
进一步地，所述传感器阵列的规模大于1×1。
进一步地，所述传感器阵列的各个阵列像素的类型包括电阻型、二极管型、热电堆型和电容型中的任意一种。
本发明提供的传感器阵列电串扰消除方法，无需修改传感器阵列电路，在测量之前，首先通过在传感器阵列上施加多组设定的已知探测物理信号，表征各阵列像素的响应特性。当待测原始物理信号输入到测量系统中时，对原始物理信号进行信号的变换构成原始信号的衍生信号组，建立衍生信号组和对应响应输出之间的关系方程。最终，通过算法求解该方程组得到串扰消除的原始待测物理信号。
附图说明
附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的3×3热电堆传感器阵列的电路连接示意图。
图2为本发明提供的传感器阵列电串扰消除方法的流程图。
图3为本发明提供的3×3热电堆阵列各像素响应特性函数示意图。
图4为本发明提供的原始待测物理信号衍生信号组与对应输出信号之间关系示意图。
图5为本发明提供的热电堆阵列电串扰消除后红外图像。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种传感器阵列电串扰消除方法，图1是根据本发明实施例提供的一种的3×3热电堆传感器阵列的电路连接示意图，图2是本发明实施例提供的传感器阵列电串扰消除方法的流程图，如图1和图2所示，所述传感器阵列1按行列布局，并通过共享的行列引线读出各个阵列像素2的输出信号，所述传感器阵列电串扰消除方法包括：
S110、获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性；
在本发明实施例中，具体地，所述获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性，包括：
在所述传感器阵列1上施加多组预设的已知探测物理信号；
获取与所述已知探测物理信号对应的阵列输出信号；
选定响应特性表征函数，并构建响应特性方程组；
根据所述响应特性方程组提取各个阵列像素2的响应特性参数。
需要说明的是，所述传感器阵列的规模大于1×1。另外，所述传感器阵列的各个阵列像素的类型包括电阻型、二极管型、热电堆型和电容型中的任意一种。
在本发明实施例中，如图1所示，所述传感器阵列的规模为3×3，且所述传感器阵列的各个像素的类型为热电堆型。
在一些实施方式中，所述响应特性表征函数包括初等函数中的任意一种，所述响应特性表征函数的待定参数为所述响应特性参数。
在本发明实施例中，所述初等函数具体可以包括多项式函数和指示函数。
应当理解的是，由于工艺误差，各个阵列像素2的响应特性参数不同；同时由于各阵列像素2自身的物理特性，各个阵列像素2的响应特性表征函数一般不是线性函数。如图3所示，3×3热电堆阵列各像素响应特性彼此不同。
另外，在所述传感器阵列1上施加多组预设的已知探测物理信号中，多组预设的已知探测物理信号能够使得最终构建的方程组是超定方程，可得到各个阵列像素2响应特性参数的唯一精确解。
S120、根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号；
具体地，在本发明实施例中，所述根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号，包括：
变换原始待探测物理信号，构成原始信号的衍生信号组；
将所述原始信号的衍生信号组施加在所述传感器阵列上，获得对应的阵列输出信号；
建立所述原始信号的衍生信号组与对应的阵列输出信号之间的阵列方程组。
在本发明实施例中，通过多次变换原始待探测物理信号3构成原始信号的衍生信号组4，依次施加在传感器阵列1上，获得对应的响应输出，并建立衍生信号组4与对应的响应输出5之间的阵列方程组。
需要说明的是，多次变换在本发明实施例中具体可以包括：对所述原始探测物理信号进行线性变换、旋转、平移和遮蔽，得到变换后的信号；然后将所述变换后的信号构成原始信号的衍生信号组。
另外，所述生成原始待测物理信号3的衍生信号中对应的响应输出5可以包括稳态响应输出和瞬态响应输出。
具体地，所述生成原始待探测物理信号3的衍生信号中所述原始信号的衍生信号组4使得最终构建的方程组是超定方程，可得到原始待测物理信号3的唯一精确解。
在本发明实施例中，所述原始信号的衍生信号组包括原始待测物理信号的所有信号。
在一些实施方式中，如图4所示，衍生信号组4由原始待测红外图像和其旋转后的红外图像信号构成，其中旋转角度分别为顺时针90°、180°、270°。将该衍生信号组4逐一施加在传感器阵列1上，得到对应稳态响应输出5。可建立衍生信号组4与对应响应输出5之间的节点电流方程，共24个，而未知原始待测红外图像共9个待求温度，所以构建的方程组为超定方程，可得到原始待测红外图像的唯一精确解。
S130、对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号。
在本发明实施例中，所述对所述衍生信号进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号，包括：
将原始待测物理信号作为未知变量，根据求解算法求解所述阵列方程组得到各个阵列像素的实际物理信号。
需要说明的是，所述反解各阵列像素的实际物理信号3中根据建立的方程组可构造对应的目标函数，其类型包括最小均方误差、最小绝对值误差、最小相对误差等。
另外，在本发明实施例中，所述求解算法包括最小二乘法、遗传算法和粒子群算法中的任意一种。
应当理解的是，在本发明实施例中，对所述求解算法并不做限定，可以是优化算法中的任意一种。
在一些实施方式中，对应方程组可构造的对应的目标函数形如下式：
其中，X表示原始待测物理信号3，A(X)为与原始待测物理信号3和各个阵列像素2响应特性有关的矩阵，B表示与对应相应输出5有关的矩阵。针对该目标函数可采用迭代最小二乘法求解，求解结果如图5所示，表明在无噪声情况下，该传感器阵列电串扰消除方法可以完全消除阵列电串扰。
本发明实施例提供的传感器阵列电串扰消除方法，无需修改传感器阵列电路，在测量之前，首先通过在传感器阵列上施加多组设定的已知探测物理信号，表征各阵列像素的响应特性。当待测原始物理信号输入到测量系统中时，对原始物理信号进行信号的变换构成原始信号的衍生信号组，建立衍生信号组和对应响应输出之间的关系方程。最终，通过算法求解该方程组得到串扰消除的原始待测物理信号。
另外，本发明实施例的传感器阵列电串扰消除方法，其中首先利用多幅设定的已知物理信号施加在传感器阵列上，通过构建方程组提取各阵列像素的响应特性。而后对原始的待测物理信号进行变换，生成原始信号的衍生信号组，依次施加在传感器阵列上，则可得到对应的相应输出。最终通过求解衍生信号组与对应响应输出之间的方程组，得到原始待测物理信号。
综上，本发明提出的传感器阵列串扰消除方法，从软件的角度实现了传感器阵列电串扰的消除，不需要修改电路；同时该方法对于传感器类型没有明显的限制，适用范围广，可广泛应用于不同的类型的传感器阵列。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述传感器阵列按行列布局，并通过共享的行列引线读出各个阵列像素的输出信号，所述传感器阵列电串扰消除方法包括：
获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性；
根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号；
对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号。
2.根据权利要求1所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述获取传感器阵列中各个阵列像素的响应特性，包括：
在所述传感器阵列上施加多组预设的已知探测物理信号；
获取与所述已知探测物理信号对应的阵列输出信号；
选定响应特性表征函数，并构建响应特性方程组；
根据所述响应特性方程组提取各个阵列像素的响应特性参数。
3.根据权利要求2所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述响应特性表征函数包括初等函数中的任意一种，所述响应特性表征函数的待定参数为所述响应特性参数。
4.根据权利要求1所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述根据各个阵列像素的响应特性生成原始待探测物理信号的衍生信号，包括：
变换原始待探测物理信号，构成原始信号的衍生信号组；
将所述原始信号的衍生信号组施加在所述传感器阵列上，获得对应的阵列输出信号；
建立所述原始信号的衍生信号组与对应的阵列输出信号之间的阵列方程组。
5.根据权利要求4所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述对所述衍生信号构成的阵列方程组进行反解获得各个阵列像素的实际物理信号，其中所述实际物理信号为传感器阵列电串扰消除信号，包括：
将原始待测物理信号作为未知变量，根据求解算法求解所述阵列方程组得到各个阵列像素的实际物理信号。
6.根据权利要求5所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述求解算法包括最小二乘法、遗传算法和粒子群算法中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述变换原始待探测物理信号，构成原始信号的衍生信号组，包括：
对所述原始待探测物理信号进行线性变换、旋转、平移和遮蔽，得到变换后的信号；
将所述变换后的信号构成原始信号的衍生信号组。
8.根据权利要求4所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述原始信号的衍生信号组包括原始待测物理信号的所有信号。
9.根据权利要求1所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述传感器阵列的规模大于1×1。
10.根据权利要求1所述的传感器阵列电串扰消除方法，其特征在于，所述传感器阵列的各个阵列像素的类型包括电阻型、二极管型、热电堆型和电容型中的任意一种。
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