CN116051409A - 一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，涉及非制冷红外探测技术领域，包括：设定若干个非制冷红外探测器的偏置电压，启动成像系统工作，输出若干组帧数相同的红外图像；获取各组红外图像灰度值的动态范围并记录灰度平均值；以最大的灰度平均值对应的偏置电压作为第一次筛选的偏置电压的初始最优值；在偏置电压的初始最优值的预设微小范围内，重新设定若干个偏置电压值并重复以上步骤，最终筛选出动态范围合理且最大的红外图像灰度值对应的偏置电压作为当前环境下的最优偏置电压。本发明可以改善非制冷红外探测器的成像质量，使其能在不同环境温度下可以稳定输出高动态范围的原始图像，为之后的图像处理减少难度和工作量。

Description

一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法
技术领域
本发明涉及非制冷红外探测技术领域，更具体的说是涉及一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法。
背景技术
在自然界中，任何温度高于绝对零度的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大，人们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。红外技术是近年来发展最快的技术之一，目前已经广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。
红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。按照工作条件的不同，可以将红外探测器分为制冷型和非制冷型两种类型，制冷型红外探测器性能好、分辨率高、探测距离远，但需要昂贵的制冷设备来降低其暗电流噪声，导致整个系统价格昂贵、体积大、使用成本高；区别于制冷型红外探测器，非制冷红外探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低等特点，在红外领域得到了广泛的应用，而且其性能也在不断提升，应用范围也越来越广。
例如，公开号为CN107359218A的发明专利“一种非制冷红外探测器”，采用伞状结构的红外吸收层，增大对红外光的吸收面积；将半导体热传感部件处于真空中，减小红外光和外界环境对半导体热传感部件性能的影响，解决了现有非制冷红外探测器探测灵敏度不高的问题。但是，现有非制冷红外探测器的成像质量难以保证，无法在不同的环境温度下稳定输出高动态范围的原始图像。
因此，如何通过调节硬件参数扩大成像系统输出图像的动态范围，改善成像质量是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，改善非制冷红外探测器的成像质量，使得非制冷红外探测器在不同环境温度下可以稳定输出高动态范围的原始图像，为之后的图像处理减少难度和工作量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，包括以下步骤：
设定若干个非制冷红外探测器的偏置电压，启动成像系统工作，输出若干组帧数相同的红外图像；
对每组红外图像进行处理，获取各组红外图像灰度值的动态范围并记录灰度平均值；
比较每组红外图像灰度平均值的大小，以最大的灰度平均值对应的偏置电压作为第一次筛选的偏置电压的初始最优值；
在偏置电压的初始最优值的预设微小范围内，重新设定若干个偏置电压值并重复以上步骤，最终筛选出动态范围合理且最大的红外图像灰度值对应的偏置电压作为当前环境下的最优偏置电压。
上述技术方案达到的技术效果为：可以通过调节硬件参数扩大非制冷红外探测器输出图像的动态范围，改善成像质量，使得非制冷红外探测器在不同环境温度下可以稳定输出高动态范围的原始图像，为之后的图像处理减少难度和工作量。
可选的，成像系统包括非制冷红外探测器、固定部件及光学镜头；
固定部件包括控制底座和连接底座；
非制冷红外探测器的焦平面阵列基板设置在控制底座的表面上；
连接底座设有能暴露出非制冷红外探测器的光学窗口的镂空小孔；
连接底座与非制冷红外探测器焊接；
光学镜头与连接底座背向非制冷红外探测器的一面机械连接。
可选的，成像系统还包括温控部件；
温控部件设置在控制底座表面与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板之间，且与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板贴合。
上述技术方案达到的技术效果为：设计温控部件与非制冷红外探测器底部直接接触，可实现对红外探测器的高效控温，进而获取处于不同环境温度下的最优偏置电压。
可选的，非制冷红外探测器包括芯片和封装结构；
芯片包括读出电路衬底，读出电路衬底上设置有一个或多个微桥结构；
微桥结构包括连接柱和吸热结构，连接柱和吸热结构之间通过微悬梁臂连接。
可选的，对每组红外图像进行处理，具体包括以下步骤：
将红外图像的像素点从左到右、从上到下依次排序，将第N列第M行的像素定义为XMN；
比较每一行的像素，获取每一行的像素最大值、像素中间值和像素最小值；
将各行的像素最大值、像素中间值和像素最小值分别进行比较，得到像素最大值中的最小值、像素中间值中的中间值以及像素最小值中的最大值并进行比较得到中间值，完成对红外图像的中值滤波处理。
上述技术方案达到的技术效果为：可以实现对红外图像的中值滤波处理，解决红外成像存在的噪声大的问题，使得图像更清晰；与传统方法相比，运算次数大大减少，适合硬件逻辑上进行并行处理。
可选的，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
获取红外图像的大小，计算红外图像的像素点数和长宽；
读取每个像素点的灰度值，完成每帧红外图像的各个像素点的灰度值计算，确认每组红外图像灰度值的动态范围。
可选的，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
将红外图像分割成多块图像区域，统计各块图像区域的直方图信息；
通过
Figure BDA0004045198480000041
获得直方图统计过程中的灰度值频率
Figure BDA0004045198480000042
设定频率阈值，舍弃统计后灰度值频率小于频率阈值的点；
确认新的灰度值区间的最小灰度值及最大灰度值，即灰度值的动态范围；
式中：ni表示当前灰度值的像素个数，N表示图像像素个数的总和；i＝0,1,2,...,M-1，M表示红外图像中的灰度值总数。
上述技术方案达到的技术效果为：对红外图像进行分块处理，采用直方图统计方法使图像背景与前景的反差程度能够更加充分的显示，抑制背景噪声，提高运算效率。
可选的，成像系统还包括偏置电压调节装置，偏置电压调节装置包括参考电压源、电阻分压网络、运算放大器、电阻调节器；
电阻分压网络的输入端与参考电压源的输出端相连；
运算放大器的同相输入端与电阻分压网络的输出端相连，运算放大器的输出端与非制冷红外探测器的偏置电压端相连；
电阻调节器跨接在运算放大器的反相输入端和输出端。
上述技术方案达到的技术效果为：可精确调节运算放大器的电压放大倍数，提高非制冷红外探测器的成像稳定性。
可选的，所述方法还包括对红外图像进行边缘增强，具体包括以下步骤：
利用拉普拉斯算子对角线模板对红外图像进行掩模，获得差值图以及差值图的统计直方图；
基于预设差值阈值获取图像边缘信息，提取局部纹理特征并进行边缘校正，得到校正后的差值图；
将红外图像与校正后的差值图进行加权相加，得到增强后的红外图像。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，具有以下有益效果：
(1)本发明可以通过调节硬件参数扩大非制冷红外探测器输出图像的动态范围，改善成像质量，使得非制冷红外探测器在不同环境温度下可以稳定输出高动态范围的原始图像，为之后的图像处理减少难度和工作量；
(2)本发明设计温控部件与非制冷红外探测器底部直接接触，可实现对红外探测器的高效控温，进而获取处于不同环境温度下的最优偏置电压；
(3)本发明可以实现对红外图像的中值滤波处理及边缘增强处理，解决红外成像存在的噪声大的问题，使得图像更清晰；与传统方法相比，运算次数大大减少，适合硬件逻辑上进行并行处理。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法的流程图；
图2为一种实施例中筛选最合理偏置电压的流程图；
图3为对红外图像进行中值滤波处理的流程图。
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。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，都属于本发明保护的范围。
非制冷红外探测器的偏置电压直接决定了其成像对比度和动态范围，为了获取最佳的成像效果，需要确定最佳偏置电压。为此，本发明实施例公开了一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
设定若干个非制冷红外探测器的偏置电压，启动成像系统工作，输出若干组帧数相同的红外图像；
对每组红外图像进行处理，获取各组红外图像灰度值的动态范围并记录灰度平均值；
比较每组红外图像灰度平均值的大小，以最大的灰度平均值对应的偏置电压作为第一次筛选的偏置电压的初始最优值；
在偏置电压的初始最优值的预设微小范围内，重新设定若干个偏置电压值并重复以上步骤，最终筛选出动态范围合理且最大的红外图像灰度值对应的偏置电压作为当前环境下的最优偏置电压。
如图2所示为上述方法的一种具体实施情况，包括以下步骤：
(1)设定一个确定的偏置电压(记为V1)，启动成像系统工作，等待输出10帧稳定的红外图像，在图像信号处理部分统计红外图像灰度值的动态范围大小，取平均值进行记录(记为T1)；
(2)增大之前设定的偏置电压(记为V2)，重新启动成像系统工作，等待输出10帧稳定的红外图像，在图像信号处理部分统计红外图像灰度值的动态范围大小，取平均值进行记录(记为T2)；
(3)减小之前设定的偏置电压(记为V3)，重新启动成像系统工作，等待输出10帧稳定的红外图像，在图像信号处理部分统计红外图像灰度值的动态范围大小，取平均值进行记录(记为T3)；
(4)计算T1、T2、T3的大小，取最大的Tn偏置值Vn作为第一次筛选的合适的偏置电压大小；
(5)在Vn的±1V范围内再进行三次步骤(1)到步骤(4)，最终筛选出红外图像动态范围合理且最大对应的偏置电压大小Vn作为该环境下的最优的偏置电压大小。
基于以上步骤确定合适的偏置电压大小之后，再进行相应的红外图像处理和显示会更为方便和容易，能减轻红外图像处理的复杂度。筛选出当前环境下最合适的偏置电压大小，此时成像系统输出的红外图像的动态范围是最大的，该方法可以实现通过调节系统硬件参数来扩大成像系统输出图像的动态范围。
进一步地，成像系统包括非制冷红外探测器、固定部件及光学镜头；
固定部件包括控制底座和连接底座；
非制冷红外探测器的焦平面阵列基板设置在控制底座的表面上；
连接底座设有能暴露出非制冷红外探测器的光学窗口的镂空小孔；
连接底座与非制冷红外探测器焊接；
光学镜头与连接底座背向非制冷红外探测器的一面机械连接。
与传统的红外成像系统相比，本设计简化了红外探测器的封装形式，探测器体积减小，连接底座、红外探测器及光学镜头之间直接相连，可以减小整体结构的体积和成本。
更进一步地，成像系统还包括温控部件；
温控部件设置在控制底座表面与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板之间，且与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板贴合。温控部件可以对红外探测器进行高效控温，进而确认非制冷红外探测器处于不同环境温度下的最优偏置电压。
进一步地，非制冷红外探测器包括芯片和封装结构；
芯片包括读出电路衬底，读出电路衬底上设置有一个或多个微桥结构；
微桥结构包括连接柱和吸热结构，连接柱和吸热结构之间通过微悬梁臂连接。
更具体地，吸热结构包括薄膜，薄膜包括红外吸收材料、热敏材料以及电极材料。
进一步地，如图3所示，对每组红外图像进行处理，具体包括以下步骤：
将红外图像的像素点从左到右、从上到下依次排序，将第N列第M行的像素定义为XMN；
比较每一行的像素，获取每一行的像素最大值、像素中间值和像素最小值；
将各行的像素最大值、像素中间值和像素最小值分别进行比较，得到像素最大值中的最小值、像素中间值中的中间值以及像素最小值中的最大值并进行比较得到中间值，完成对红外图像的中值滤波处理。
红外图像普遍存在噪声大、图像对比度低、灰度范围窄的问题，本方法能够对图像噪声进行处理，使得图像更清晰。
进一步地，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
获取红外图像的大小，计算红外图像的像素点数和长宽；
读取每个像素点的灰度值，完成每帧红外图像的各个像素点的灰度值计算，确认每组红外图像灰度值的动态范围。此外，还能进一步根据图像的灰度值对初始图像进行增强，消除光线不均匀和变化的影响。
进一步地，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
将红外图像分割成多块图像区域，统计各块图像区域的直方图信息；
通过
Figure BDA0004045198480000091
获得直方图统计过程中的灰度值频率
Figure BDA0004045198480000092
设定频率阈值，舍弃统计后灰度值频率小于频率阈值的点；
确认新的灰度值区间的最小灰度值及最大灰度值，即灰度值的动态范围；
式中：ni表示当前灰度值的像素个数，N表示图像像素个数的总和；i＝0,1,2,...,M-1，M表示红外图像中的灰度值总数。
针对现有算法存在的图像闪烁、局部噪声放大等问题，本方法对红外图像进行分块处理，能够进一步对各块图像区域的累计直方图进行修正，还适用于极端场景。
进一步地，成像系统还包括偏置电压调节装置，偏置电压调节装置包括参考电压源、电阻分压网络、运算放大器、电阻调节器；
电阻分压网络的输入端与参考电压源的输出端相连；
运算放大器的同相输入端与电阻分压网络的输出端相连，运算放大器的输出端与非制冷红外探测器的偏置电压端相连；
电阻调节器跨接在运算放大器的反相输入端和输出端。
对非制冷红外探测器的偏置电压进行调节，进而筛选出最佳的偏置电压，改善红外探测器的成像质量，为之后的图像处理降低难度，可以获得更满意的成像效果。
进一步地，所述方法还包括对红外图像进行边缘增强，具体包括以下步骤：
利用拉普拉斯算子对角线模板对红外图像进行掩模，获得差值图以及差值图的统计直方图；
基于预设差值阈值获取图像边缘信息，提取局部纹理特征并进行边缘校正，得到校正后的差值图；
将红外图像与校正后的差值图进行加权相加，得到增强后的红外图像。
基于以上方案，本发明可以通过调节硬件参数扩大非制冷红外探测器输出图像的动态范围，改善成像质量，使得非制冷红外探测器在不同环境温度下可以稳定输出高动态范围的原始图像，为之后的图像处理减少难度和工作量，进而获得更满意的成像效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定若干个非制冷红外探测器的偏置电压，启动成像系统工作，输出若干组帧数相同的红外图像；
对每组红外图像进行处理，获取各组红外图像灰度值的动态范围并记录灰度平均值；
比较每组红外图像灰度平均值的大小，以最大的灰度平均值对应的偏置电压作为第一次筛选的偏置电压的初始最优值；
在偏置电压的初始最优值的预设微小范围内，重新设定若干个偏置电压值并重复以上步骤，最终筛选出动态范围合理且最大的红外图像灰度值对应的偏置电压作为当前环境下的最优偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，成像系统包括非制冷红外探测器、固定部件及光学镜头；
固定部件包括控制底座和连接底座；
非制冷红外探测器的焦平面阵列基板设置在控制底座的表面上；
连接底座设有能暴露出非制冷红外探测器的光学窗口的镂空小孔；
连接底座与非制冷红外探测器焊接；
光学镜头与连接底座背向非制冷红外探测器的一面机械连接。
3.根据权利要求2所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，成像系统还包括温控部件；
温控部件设置在控制底座表面与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板之间，且与非制冷红外探测器的焦平面阵列基板贴合。
4.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，非制冷红外探测器包括芯片和封装结构；
芯片包括读出电路衬底，读出电路衬底上设置有一个或多个微桥结构；
微桥结构包括连接柱和吸热结构，连接柱和吸热结构之间通过微悬梁臂连接。
5.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，对每组红外图像进行处理，具体包括以下步骤：
将红外图像的像素点从左到右、从上到下依次排序，将第N列第M行的像素定义为XMN；
比较每一行的像素，获取每一行的像素最大值、像素中间值和像素最小值；
将各行的像素最大值、像素中间值和像素最小值分别进行比较，得到像素最大值中的最小值、像素中间值中的中间值以及像素最小值中的最大值并进行比较得到中间值，完成对红外图像的中值滤波处理。
6.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
获取红外图像的大小，计算红外图像的像素点数和长宽；
读取每个像素点的灰度值，完成每帧红外图像的各个像素点的灰度值计算，确认每组红外图像灰度值的动态范围。
7.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，获取各组红外图像灰度值的动态范围，具体包括以下步骤：
将红外图像分割成多块图像区域，统计各块图像区域的直方图信息；
通过
Figure FDA0004045198470000021
获得直方图统计过程中的灰度值频率
Figure FDA0004045198470000022
设定频率阈值，舍弃统计后灰度值频率小于频率阈值的点；
确认新的灰度值区间的最小灰度值及最大灰度值，即灰度值的动态范围；
式中：ni表示当前灰度值的像素个数，N表示图像像素个数的总和；i＝0,1,2,...,M-1，M表示红外图像中的灰度值总数。
8.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，成像系统还包括偏置电压调节装置，偏置电压调节装置包括参考电压源、电阻分压网络、运算放大器、电阻调节器；
电阻分压网络的输入端与参考电压源的输出端相连；
运算放大器的同相输入端与电阻分压网络的输出端相连，运算放大器的输出端与非制冷红外探测器的偏置电压端相连；
电阻调节器跨接在运算放大器的反相输入端和输出端。
9.根据权利要求1所述的一种非制冷红外探测器的最优偏置电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括对红外图像进行边缘增强，具体包括以下步骤：
利用拉普拉斯算子对角线模板对红外图像进行掩模，获得差值图以及差值图的统计直方图；
基于预设差值阈值获取图像边缘信息，提取局部纹理特征并进行边缘校正，得到校正后的差值图；
将红外图像与校正后的差值图进行加权相加，得到增强后的红外图像。
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