（物理电子学专业论文）非致冷红外焦平面阵列成像系统设计.pdf

摘要 本文介绍了红外焦平面探测器的现状、发展、应用和两点非均匀性校正算法， 设计了红外焦平面阵列的驱动电路和自动温度控制电路，建立了自动温度控制电路 数学模型，通过m a t l a b 仿真得出了自动温度控制电路的p i d ( 比例、积分和微 分) 参数。试验表明自动温度控制系统长期温度稳定性达到了0 0 1 。本文设计 了高速a d 转换电路，分析了采样频率与信号频率成份、模数转换器位数和抗混 叠滤波器技术指标等的关系，提出了用过采样、数字滤波和信号速率转换技术来提 高系统信噪比的设计思想；设计了有限脉冲响应滤波器、信号抽取器、非均匀性校 正单元和基于乒乓操作的异步时钟域接口等四个核心功能单元，并且完成了功能仿 真。 关键词：红外焦平面阵列。非均匀性校正，自动温度控制，现场可编程逻辑器件 a b s t r 删 a b s t r a c t 2 i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o n ，s t a t u s ，d e v e l o p m e n ta n dt w o - p o i n tn o n - u n i f o r m i t y c o r r e c t i o na l g o r i t h mo fi n f i 鼍_ r e df o c a lp l a n ea r r a y ( i r f p a ) a r cd i s c u s s e d , a n dt h e i r f p ad r i v ec i r c u i ta n da u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ( a t c c ) a r ed e s i g n e d a m a t h e m a t i cm o d e la b o u ta t c ci se s t a b l i s h e d , a n dt h ep i d ( p r o p o r 俞n , h t e g r a l ， d i f f e r e n t i a l ) p a r a m e t e r so f t h ec i r c u i ta r e 缸c db ym a t l a b s i m u l a t i o n t h el o n gt e r m t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h ea t c ca c h i e v e st oo 0 1 i nt h i sp a p e r , ah i g h - s p e e da d c o n v e r s i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d ，a n dt h e 1 a t i o l 枷pb e t w e e ns a m p l i n gf r e q u e n c ya n d s i g n a l 丘e q u c n c y , a dc o n v e r t e rb i t - w i d t ha n da n t i - i m a g i n gf i l t e ri sa n a l y z e d ad e s i g n i d e ao fi m p r o v i n gs i g n a ln o i s er a t i ou s i n go v e r - s a m p l i n g ，d i g i t a lf i l t e ra n ds i g n a lr a t e c o n v e r s i o nt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r d f o u rk e yf u n c t i o nu n i t s ，f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i l t e r , s i g n a ld e c i m a t i o n , n o n - u n i f o r m i t y 。1 9 0 r r e c t i o nu n i ta n da s y n c h r o n o u sc l o c k i n t e r f a c eb a s e do np i n g - p a n go p e r a t i o n , a r ed e v i s e da n ds i m u l a t e d k e yw o r d s ：i r f p a ，n o n - u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n , a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：篮丛 日期7 _ a 0 7 j j 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表相关论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人签名：丝丛 日期仉町t 6 导师签名：搏日期半 第一章绪论 第一章绪论 红外焦平面阵列是现代红外成像系统的关键器件。红外焦平面阵列一直朝两个 不同的方向发展：一种是低温致冷工作的光量子型红外焦平面阵列【1 卅；另一种是室 温工作的非致冷焦平面阵列0 - 7 1 1 1 红外成像技术发展概述 最早的红外探测器是英国物理学家赫谢尔1 8 0 0 年用于发现红外线的水银温度 计。在以后的1 0 0 年中，所有的红外探测器都是基于热电效应【s 】。如热电偶、热电 堆和热敏电阻测辐射热计【9 】。起初多数热探测器是在环境温度下工作，但其电性能 在低温下变化更快，因此导致了致冷的热探测器的出现。 1 9 世纪末，科学家在硒中第一次观察到光电导现象，但是由于半导体科学理 论研究的滞后，一直到2 0 世纪4 0 年代，红外光子探测器的制造并未得到很快的发 展。普朗克提出黑体辐射理论【1 0 1 后，在量子力学基础上发展了统计物理学和半导体 的能带理论，直接推动了红外技术的发展。科学家发现：入射光子能量与半导体内 电子的能态起作用，会释放载流子，增加电子，或是获得光生电动势，且有一个明 显的截止波长，截止波长取决于在某一种材料中释放载流子所需的能量，所以光子 探测器的特性与材料密切相关，这就是光子探测器的物理基础。最初的光子探测器 是用蒸发或化学淀积的薄膜制成，主要材料为p b s ，p b t e ，p b s e 等，多是中短波探 测器【2 】。5 0 年代，应用半导体掺杂技术，在g e 和s i 半导体中，有选择的掺入某些 杂质，制造出响应波长超过1 0 0 1 a m 的光子探测器。另一个重要进展是，利用冶金工 艺来合成新的化合物半导体，例如l n s b 和g a b s 等，可以制造出各种波长的单晶光 子探测器1 1 埘。1 9 5 8 年，英国皇家信号与雷达研究所的劳森等人发明了h g c d t e 三元 化合物，由它制成的红外探测器灵敏度高，重复性好，响应波长可以在合成材料过 程中人工调控【1 。这一发明大大促进了红外热成像技术的发展，直到今天，h g c d t e 仍然是最理想的热成像探测器材料。 红外成像技术始于2 0 世纪3 0 年代，当时利用处于高真空的碱金属或半导体光 阴极，将红外辐射转换为电子辐射，再通过荧光屏使电子图像转换为厶眼能看到的 2 非致冷红补焦平面阵列成像系统设计 光学图像。但是由于其灵敏度低，必须有红外辐射装置“主动”照射目标，在第二 次世界大战未期，德国和美国在战场上开始使用这种主动红外夜视仪。由于它存在 隐蔽性差，装置笨重等缺点，又相继发展了微光像增强技术和被动红外热成像技术。 被动红外热成像技术是将目标和背景的红外辐射由红外探测器进行光电信号转换， 经过信号处理，在显示器上显示可见图像的技术。它反映了当今红外技术和光电成 像技术的最新成就。 国内研究开发红外技术的应用，起始于五十年代后期，起初发展红外技术主要 是为国防事业服务，经过几十年的努力，在军事应用和高科技领域取得了令人瞩目 的成就，随着改革开放形势的深入发展，我国军用方面的红外技术开始向民用方面 辐射，至今，民用国产红外热像仪的研制、开发和生产，已处于不断的完善和提高 之中。 1 2 致冷型红外探测器的发展概况 红外探测器是热成像技术的核心，探测器的技术水平决定了热成像的技术水 平。致冷型红外探测器的发展经历了三个阶段，相应的红外热成像技术的发展也经 历了三代。 第一代致冷型红外热像仪的特征：使用h g c d t e 体材料，多元线列或小面阵探 测器，复杂的光机扫描机构，中、小规模集成电路，简单的信号处理，热图像的象 素最多与黑白电视图像相当。典型例子：英国的s p r i t e 探测器【幢1 为核心的通用组 件热像仪。 第二代致冷型红外热像仪的特征：使用h g c d t o 体材料和薄膜材料，长线列或 可以达到与黑自电视图像象素相当的凝视f p a ，有一定信号处理功能的大规模集成 的读出电路，简单的光机扫描机构，与第一代相比作用距离和空间分辨率有明显的 提高。典型伪子：采用法国s o f r a d i r 长波h g c d t e 2 8 8 x 4 扫描型f p a 的热像仪f 4 】。 第三代致冷型红外热像仪的特征【4 1 3 1 ：使用h g c d t e 薄膜材料，长线列或可达 到与高清晰度电视图像象素相当的凝视f p a ，有复杂信号处理功能的超大规模集成 读出电路，简单的光机扫描机构或无扫描机构，热图像的画质达到了高清晰度电视 图像的水平。在与第二代热像仪大致相同的条件下，作用距离和空闻分辨率比第二 代有明显的提高。典型例子：美国s a n t ab a r b a r a 研究中心的i n s b1 0 2 4 1 0 2 4 凝视 第一章绪论 f p a 热像仪。 1 3 非致冷型红外探测器的发展概况 致冷型探测器阵列的制作难度大，且需要昂贵的致冷系统，由其构成的红外成 像系统通常用于敏感的军事领域。由于非致冷红外焦平面探测器阵列具有室温工 作、无需致冷、光谱响应与波长无关、制备工艺相对简单、成本低、体积小巧、易 于使用、维护和可靠性好等优点，因此形成了一个新的富有生命力的发展方向，其 目的是以更低的成本、更小的尺寸和更轻的重量来获得极好的红外成像性能。近年 来，已研制成功三种不同类型的非致冷红外焦平面探测器阵则1 4 d 倒，这三种不同类 型的非致冷红外焦平面探测器阵列工作的物理机理分别为： ( 1 ) 热电堆：根据塞贝克效应检测热端和冷端之间的温度梯度，信号形式是 电压。 ( 2 ) 是电阻。 ( 3 ) 是电荷。 测辐射热计：探测温度变化引起载流子浓度和迁移率的变化，信号形式 热释电：探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化，信号形式 在这三种不同类型的非致冷红外焦平面探测器阵列器件中，测辐射热计阵列的 发展最为迅速，并且取得了令人瞩目的成就。它采用类似于硅工艺的硅微机械加工 技术进彳亍制作，为了实现有效的热绝缘，一般采用桥式结构【1 7 1 。探测器与硅读出电 路之间通过两条支撑腿实现电互连。测辐射热计的灵敏度主要取决于它与周围介质 的热绝缘，即热阻，热阻越大，可获得的灵敏度就越高。目前测辐射热计阵列的温 度分辨率可达0 1 k 。非致冷测辐射热计阵列技术是红外热成像技术在过去2 0 年取 得的最重要的进展。2 0 0 0 年，法国s o f r a d i r 公司生产出了他们的第一只非致冷焦平 面红外探测器，探测器阵列规模3 2 0 2 4 0 ，像元中心距4 5 岫，填充因子大于8 0 ， 噪声等效温差( n e t d ) 达到1 0 0 m k ( 典型值) ，器件的性能指标达到了当今世界先 进水平0 7 1 。本项目就是基于此款非致冷焦平面阵列红外探测器设计。 1 4 红外成像技术的应用 在红外成像技术、半导体材料和微电子技术的推动下，大面阵红外探测器得到 4 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 迅速发展，从而推动了红外成像系统的发展。目前红外焦平面阵列成像技术已经进 入成熟期n 高性能大规格红外焦平面阵列已经应用于国家重大安全项目中【埔】。 不可否认，军事应用是红外技术发展的主要动力，但在目前国际上，市场越来 越转向国民经济的各个领域，从工业检测、医学诊断到卫星遥感都在应用红外热成 像技术口 l ”。从六十年代中期，瑞典a g e g a 公司研制出第一套工业用的实时成像系 统，该系统由液氮致冷，1 1 0 v 电源电压供电，重约3 5 公斤；至今，红外成像系统 在性能、体积和重量等方面已经有了质的提高【2 0 】。 1 5 本文的主要工作 虽然国外对红外成像技术研究相对比较成熟了，在国外高性能的红外成像装置 已经开始应用1 2 0 】，但是我国在红外成像技术研究上相对比较滞后。论文的选题是基 于陕西省科技攻关项目“非致冷红外热像仪”。由于处于系统研制初期阶段，因此 本项目侧重半f 可实现性，并没有太多考虑性能优化。基于以上实际情况本系统侧重 于工程应用。论文做的工作主要是对今后科研项目顺利进行做好开端工作。论文主 要侧重于系统硬件设计和关键技术的研究，具体工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 研究了红外图像的特征和噪声来源，详细分析了两点非均匀性校正算法原 理，给出了提高非均匀性校正精度的应该采取的措施。 ( 2 ) 设计了红外探测器驱动电路和自动温度控制电路；提出了自动温度控制电 路的数学模型，通过m a t l a b 仿真确定了自动温度控制电路中p i d ( 比例、积分、微 分) 参数，用s i m u l i n k 验证了参数的合理性，并且给出了自动温度控制电路工程调 试方法。自动温度控制系统长期温度稳定性达到o 0 1 。 ( 3 ) 分析了电路中噪声主要来源，设计了本系统电路中抗电磁干扰措施，通过 选择低噪声的电源芯片，合理分配电源网络，阻抗匹配和合理的p e b 布局布线等提 高了系统的抗干扰能力，降低了系统噪声，试验测试表明系统电源纹波小于2 5 毫 伏。 ( 4 ) 设计了红外图像采集和校正硬件方案；详细分析了抗频谱混叠滤波器设计 要求和采样频率与信号频谱、模数转换器位数和抗混叠滤波器指标等的关系；提出 了采用过采样、数字滤波和数字信号速率转换技术来降低对抗频谱混叠滤波器设计 要求的设计思想；设计了高速a d 采集电路；设计了有限脉冲响应滤波器( f i r ) 、 第一章绪论 抽取器、非线性校正单元和基于乒乓操作的异步时钟接口单元等系统关键部件，并 完成了功能仿真。 虽然目前系统功能的实现算法主要考虑易实现性，并没有太多考虑性能优化， 但是设计的硬件系统为以后性能的提升做了准备，也就是说以后添加新功能或者改 进实现算法并不需要重新设计新的硬件系统。 6 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 第二章ir f p a 非均匀性校正算法和成像系统设计 与可见光图像相比，红外图像有不同于可见光图像的特征，这些特征是选择红 外图像处理算法的重要依据。红外焦平面阵列成像系统是红外成像技术发展的方 向，终将代替光机扫描成像系统。该项技术至今仍需继续完善，有效地降低探测器 的非均匀性噪声( 固有空间噪声) 便是其主要技术之一。红外焦平面阵列成像系统的 性能，受到阵列申探测器单元的空间非均匀性的影响非常强，这种非均匀性使获取 的图像模糊不清、畸变，甚至使传感器失去探测的能力，更为严重的是空间非均匀性 随时间缓慢变化。非均匀校正算法的任务就是补偿空间非均匀性，更新补偿算法来 解决探测器响应的时变。改善非均匀性通常采用两种方法：一是继续提高器件的研 制生产水平，降低器件的非均匀性，但器件的研制水平已经达到了目前的工艺极限， l 在现有的技术条件下要生产出具有理想均匀性的器件非常困难：另一技术途径是利 用现代数字信号处理技术对红外焦平面阵列进行非均匀性校正，它是目前图像非均 匀性校正技术研究的核心，特别是对于成本很高的红外焦平面阵列来说，利用现代 数字信号处理技术对其非均匀性进行校正能使均匀性很差的红外焦平面阵列获得 满意的图像，提高红外成像质量具有很大的应用价值和意义。 2 1 红外图像的特征 2 1 1 红外图像的噪声来源 红外图像的信噪比一般比可见光图像低，噪声情况非常复杂。无论是外部 环境的随机干扰，还是内部物理量的随机变化都可以产生图像噪声。红外图像主要 ， 噪声来源有【2 】j ：探测器噪声、光子噪声、电路噪声、a d 转换噪声、非均匀校正残 余噪声、电荷转移读出噪声和背景空间起伏噪声等组成。红外图像主要噪声来源如 图2 1 。对于红外探测器，其噪声主要包括光生电流散粒噪声、暗电流散粒噪声和 器件热噪声；电路噪声主要包括电压放大器噪声、信号传输噪声以及干扰噪声；a j ) 转换噪声主要来源于基准电压漂移、量化误差和频谱混叠引起的失真；非均匀性校 正残余误差是由于晶体管偏置电压变化、不同的探测景物的辐射特性以及探测器工 作环境温度的变化等因素引起每个探测器的增益和偏移量随时间缓慢且随机漂移 第二章红外图像的特征和非均匀性校正算法 7 引起的；电荷转移读出噪声源主要有电荷转移损失噪声、背景电荷的引入噪声、界 面态俘获噪声和光电子散粒噪声；背景起伏嗓声与红外成像系统的相应度、瞬时立 体角视场和探测器积分时间有关伫”。因此，综合噪声可以表述为： 2 = 西。+ 一2 + 醇，+ 4 + 砖，+ 。 ( 2 1 ) 其中，口。是综合噪声均方根。 笺宝拯 西r 一 多叫p 蝴舭- 综合噪声一 脒勰声- 拉 砖 一 构锥礴勰声 螨髂鼬舭- 7 、背景空间起伏峰声 一 图2 i 红外图像主要噪声来源 根据噪声对信号的影畴，红外图像的综合噪声还可以简单地归纳为加性噪声和 乘性噪声。由探测器的随机噪声以及探测器的物理结构引入的，这部分噪声可以看 成是加性噪声；由探测器本身的特性决定的，其引入的噪声与信号的大小有关，可 以把它看成是乘性噪声f 2 2 j 。 根据1 9 8 9 年m o o n e y 等人提出的红外探测器理想响应模型 2 3 1 ，张天序等人分 析了非均匀性噪声的空间频率特性，指出噪声的主要成分在很大程度上是低频而不 是高频成分1 2 4 1 。 2 1 2 红外图像的特征 对于自然景物。由于在一个局部小范围内总存在热平衡的趋势，不同景物之问 相互影响，温差不可能很大，再加上衰减和噪声影响，决定了红外图像细节对比度 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 很低、相关性强、灰度动态范围小和信噪比低等特征( 图2 2 ( a ) ) ，具体如下： ( 1 ) 红外图像表征景物的温度分布，是灰度图像，没有立体感，故对人眼而 言，分辨率低，分辨潜力差； ( 2 ) 由于景物热平衡、红外波长长、大气衰减等原因，造成红外图像空间相 关性强，对比度低，视觉效果模糊； ( 3 ) 热成像系统的探测能力和空间分辨率低于可见光c c d 阵列，使得红外 图像的清晰度低于可见光图像； ( 4 ) 外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善，给红外图像带来多种多样 的噪声，使得红外图像的信噪比普遍比可见光图像低； ( 5 ) 庙矛红外探测器各个探测单元的响应特性不一致等原因，造成红外图像 的非均匀性，体现为图像的固定图案噪声和畸变等。 由于红外图像在成像方面的特点，使其灰度直方图也具有一定的规律性：象素 灰度值动态范围不大，绝大部分象素集中于某些相邻的灰度级范围，这些范围以外 的灰度级上则没有或只有很少的象素；直方图中有明显的峰存在，如图2 2 ( b ) 所 示。 ( a ) jl 图2 2 红外图像及其灰度直方图 a 啵镊 c o ) 2 2 红外焦平面阵列非均匀性校正 2 2 1 红外焦平面阵列非均匀性产生的原因 红外焦平面阵列器件的响应非均匀性问题不同于一般的图像噪声，一般的图像 第二章红外图像的特征和非均匀性校正算法 9 噪声是瞬态随机噪声，可以通过帧，场处理的方法来消除。红外焦平面阵列探测器的 非均匀性是一种固定图形噪声( f i x e d p a t t e r n n o i s e ) ，它是由于探测器的加工工艺、 材料、温度和偏置情况的不均匀性等所造成的。例如碲镉汞红外焦平面阵列探铡器 由于半导体的禁带宽度受组份和温度的影响而导致截止波长的不均匀。 红外焦平面阵列非线性响应的程度首先与探测器的材料种类、工作波段和工艺 水平有关，其它具体因素还有随硐： ( 1 ) 光学系统：光学透过率随入射光光谱成分的非线性变化； ( 2 ) 探测器：量子效率随入射光子波长的非线性变化； ( 3 ) 致冷系统：致冷温度在时间和空间上的不同导致( 2 ) 产生的非线性在 时间和空间上的变化； ( 4 ) 读出电路和a d 转换器的非线性效应； ( 5 ) 红外焦平面阵列驱动电路的性能。 由于这些非线性效应，导致红外图像的非均匀性，严重影响了红外成像系统的 成像质量，因而工程中使用的谭p a 器件都要做非均匀性校正。 非均匀性校正的方法很多，主要有两点校正法、多点校正法 2 7 , 2 射、时域高通滤 波法【2 卵、人工神经网络法【3 0 1 和自适应校正法【3 1 1 等；近期国内外又研究出基于场景的 代数算法、基于干扰抵消原理的自适应校正法和基于低次插值的多点校正算法 3 2 1 。 但是工程应用较多的是两点校正法和多点校正法”3 4 。 2 2 2i r f p a 两点非均匀性校正算法原理 1 9 8 9 年m o o n e y 等人提出了红外探测器理想响应模型1 2 3 1 。根据这个模型，i r f p a 中第1 3 1 1 个单元对温度t 的黑体辐射的完整响应如下溯： ( m ) = g ：m + 级+ 月：( o ) ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，m 为绝对温度t 的黑体在一个有效积分周期内辐射于各单元平 均光敏面积上的响应波段内的光子数，与t 一一对应；q 和g 1 分别是探测器的偏 置和线性增益；h m ( o ) 是探测器的非线性响应部分，表示探测器的实际响应与线性 响应之间的偏差，这种偏差是由于量子效率对光子波长的相关性引起的。式( 2 2 ) 还可以写为跚： 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 式( 2 3 ) 中， 憎m 唧+ 警和警聊+ 绒 ( 2 3 ) 刚) = 罟肛警d ( 2 4 ) 式( 2 - 4 ) 是探测器非线性响应量与线性响应量的比值，表示1 1 1 单元对有效入 射光子数为西时的黑体辐射的非线性响应度。 当i r f p a 探测器线性度较好或者工作在小温度动态范围的成像系统时，( 2 - 4 ) 式近似为零。这样就可以得到红外成像系统线性响应模型阻捌： ( 中) = g ：m + q ( 2 - 5 ) 对于线性响应可以用两点校正法校正，两点校正的校正方程可以写为： 趵= q 形) + 岛 ( 2 6 ) 在此，我们可以简单地认为是i r f p a 成像系统校正前的输入，均是校正后 相应的输出，妒是辐射通量。 假设所有阵元在温度互和正( 定标点) 的黑体辐射下的响应分别为k 和k ，即 k = q 勃饼) + g ，吒= q 勃鸲) + 岛 ( 2 7 ) 式中西、谚分别为黑体温度为互、五时的辐射通量，k 和一般取所有阵元在 互和五的黑体辐射下的平均响应，即 m ，m 勃( 西)娩) k = l 型一，k = 土l 型一 ( 2 8 ) m n。j j l 拼 根据( 2 7 ) 式和( 2 8 ) 式，求解方程组得出增益系数q 和偏置系数岛； q 2 i 丽r 了2 - 五r 历, 万，g2 一吒x 翰) ( 2 _ 9 ) 计算出增益系数和校正系数后，根据公式( 2 - 6 ) 就可以进行两点校正。但是 从( 2 - 9 ) 式可以看出，计算增益系数需要傲两次减法、一次除法运算，而计算偏 置系数需要做三次减法、一次乘法和一次除法运算，运算量比较大，需要时间比较 第二章红外图像的特征和非均匀性校正算法 多，当焦平面阵列比较大时，这个问题就比较突出；同时多次乘除操作会降低运算 精度。我们可以对两点校正公式做一些改进，减少运算量。将( 2 9 ) 式带入( 2 6 ) 式，经过化简得到如下形式： ( 矿) = g “( 矿) 一嘞( 西) 】+ 巧 ( 2 - l o ) 一 式( 2 6 ) 和式( 2 1 0 ) 是等效的，但是用式( 2 1 0 ) 进行非线性校正，只需要 计算出增益系数即可。从式( 2 1 0 ) 可以看出，当探测器的某个象素点对两个定标 温度的响应相等时，不能用( 2 1 0 ) 式进行校正计算，这时可以用无效像元( 盲元) 的处理方法【3 5 挪, 3 7 1 ，一般采用其相邻有效像元输出的空间插值来替代3 s 】，令其输出 等于相邻点校正后的输出。 多点线性校正是将要校正的温度范围分成多个区间，每个区间采用两点线性校 正进行非均匀性校正，所以其校正算法类似于两点校正。 2 3i r f p a 非均匀性校正精度分析和提高校正精度的措施 到目前为止，公开报导的n l f p a 的非线性响应量无论理论计算还是实验测定都 有很大差异。参考文献 2 6 1 的给出的实验结果：黑体温度范围设置为2 9 3 3 2 8 k ， 每隔5 k 采集一次，探测器原始的最大非均匀性在7 1 左右；参考文献【3 8 】在对一 长波h g c d t ef p a 的实验中，在2 8 8 3 1 3 k 温度区间内，探测器的非线性在 o 2 - 0 0 1 5 之间；a f m i l t o n 等人1 3 9 】引用的数据表明在2 0 k 的温度窗口中h g c d t e 平均的非线性是2 左右；j e k a r i n s 2 5 1 所给的模型的最后总结结果则是o 2 加4 。 两点线性校正从非均匀性产生的机理出发进行校正，到目前为止，几乎所有的 红外焦平面阵列的非均匀性校正方法都是基于线性校正的原理m 。两点线性校正算 法简单，运算速度快，便于用硬件实现；其缺点是对参数变化敏感，当非线性严重 时误差很大，因此两点线性校正适合于非线性不严重的焦平面探测器或小动态范围 的成像系统。多点校正算法能很好地适应i r f p a 器件探测单元响应曲线的非线性和 大动态范围的特性，具有极高的校正精度，是工程中应用较多的算法】。从理论上 说，选取定标点越多，校正偏差越小，但是定标点越多，所需的存储区域就越大， 数字处理电路也越复杂，并影响计算速度，对探测器进行实时校正也越困难。所以 在实际应用中应根据需要选择适当的定标点数量，以便于硬件实现和实时校正。参 考文献【4 1 】同时还指出多点线性校正的精度与定标点的选择和定标点的数量有 1 2 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 关。 表2 1 平均非均匀性校正效果比较 每个探测元需要 类别 乎均非均匀性( ) 存储的参数个数 未校正的原始图像 9 1 5 6 两点校正结果 0 8 2 5 2 最佳平方逼近的1 阶校正后的结果 0 4 3 82 多项式拟合的1 阶校正后的结果 0 4 6 02 分段( 两个区间) 多点法校正结果 0 4 0 65 最佳平方逼近的2 阶校正后的结果 0 3 4 03 多项式拟合的2 阶校正后韵结果 0 3 4 63 石岩、张天序等人从便于硬件电路实现角度研究了探测器非均匀性校正方法， 并用实验的方法对各种非均匀性校正算法进行比较 3 8 1 。表2 1 3 0 】是石岩、张天序等 人在定标黑体辐射源在 3 0 0 k ，3 7 0 k 等距选取5 0 0 个测试点得到的各种算法的平均 非均匀性，并给出了每种算法需要存储的参数个数。 另外，i r f p a 器件的响应曲线会随时间推移和工作环境的变化而发生漂移，这 会导致定标算法的精度下降，所以为提高非均匀性校正精度，必需定期重新标定校 正系数。克服响应漂移问题可结合自适应的方法或增加现场修正【柏】，但是这种方法 实现比较困难；另一方面设计精准的温度控制电路使探测器工作在恒温状态；此外 设计合理的a d 采集电路，减小a d 转换的非线性效应，当然设计好的非均匀性校 正算法是非均匀性校正的关键。由于是实时非均匀性校正，需要很高的校正速度， 并且在项目初始阶段采用过于复杂的非均匀性校正算法会增加项目开发的风险。结 合实时非均匀性校正算法的硬件易实现性和非均匀性校正效果考虑，对于本项目目 前阶段两点校正法是比较合理的选择。 2 4i r f p a 成像系统设计 提高非均匀性校正精度是红外焦平面阵列成像系统设计的主要目标在2 2 1 节中，我们分析了产生红外成像系统非均匀性的主要原因，但是这些影响红外焦平 面阵列非线性响应的因素中，探测器的材料种类、工作波段、工艺水平、光学系统、 第二章红外图像的特征和非均匀性校正算法 探测器单元和读出电路都已经集成在红外焦平面阵列器件中，我们已经没办法改 变，只有致冷系统、a d 转换器电路和i r f p a 驱动电路需要我们设计。因此我们可 以通过设计精准的温度控制系统、合适的a d 转换电路和低噪声的驱动电路来改善 成像系统的非线性响应在时间和空间上的变化。所以温度控制系统。a d 转换电路 和驱动电路都是系统设计的关键问题。 根据项目要求的基本功能，我们设计了一个硬件系统，如图2 3 所示系统中 驱动电路提供红外焦平面阵列探测器的偏置电压；自动温度控制系统使红外焦平面 阵列探测器工作在恒温状态，减小探测器单元响应非线性在时间和空间上的变化； 红外焦平面阵列探测器信号输出后经过高速a d 采集和数字信号处理后分别送到监 视器或者计算机上。 景 图2 3 非致冷红外焦平面阵列成像系统框图 下面的章节中我们将分别详细论述驱动电路、自动温度控制系统、高速a d 采 集电路和数字信号处理部分等的设计，并且详细介绍为降低红外图像的噪声和提高 非均匀性校正精度所做的具体工作。 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 第三章i r f p a 驱动电路和自动温度控制电路设计 i r f p a 探测器工作时，需要加一定的偏置电压，并且保持i r f p a 探测器工作温 度恒定，另外i r f p a 探测器信号读出还需要一些控制逻辑。这部分电路的质量直接 影响到i r f p a 输出信号的质量，因此i r f p a 驱动电路和温度控制电路设计非常重 要。 3 1i r f p a 工作原理和驱动电路技术指标分析 3 1 1i r f p a 工作原理 本项目中使用的i r f p a 探测器是法国s o f r a d i r 公司生产的3 2 0 2 4 0 长波红 外非致冷微测辐射热计，型号：i d m l 0 7 3 v 3 ，该探测器是对8 1 4 1 m 长波段光辐 射敏感的红外光电器件。i r f p a 由3 2 0 列2 4 0 行的两维阵列组成，每个像元的间 距为4 5 辨，每个像元尺寸4 5 u m 4 5 a m ，i r f p a 感光面积为1 4 4 r a m x l 0 8 m m ， 填充因子大于8 0 ，典型的热时间常数为4 m s ，微测辐射热计材料的t c r ( t h e r m a l c o e f f i c i e n tr e s i s t a n c e ) 约为2 5 k ，n e t d ( n o i se q u i v a l e n t t e m p e r a t u x ed e l t a ) 小 于1 2 0 m k 。 i r f p a 探测磊由三部分组成h 2 1 ：焦平面阵列( f p a ) 、读出电路( r o i c ) 和热 电控制器( t e c ) 。f p a 工作时，需要对探测元加一定的偏置电压或偏置电流，当受 到红外辐射时，探测元电阻的变化可以转换为电流或电压的变化。r o i c 控制行积 分时间，并且把采样到的电压量按行列依次输出。t e c 使f p a 工作在恒温状态，减 小因工作温度变化引起的响应漂移。其工作原理如图3 1 。 图3 ii r m a 工作原理 第三章i r f p a 驱动电路和自勰度控制电路她一1 5 行选通控制电路控制探测器信号逐行积分和读出。每一行信号在上一行信号读 出时积分，积分时间由用户逻辑控制，可设置在1 5 3 1 8 个时钟周期之间。在行选 通控制电路的控制下，流经各个探测元的电流减去流经盲元( 1 3 l i n dm i c r o b o l o m e t e r ) 的电流，分别送到相应的积分和采样电路进行积分和采样，然后通过低通滤波器滤 波，再转换成电压信号，最后在列选通控制电路的控制下逐列输出。 3 1 2i r f p a 驱动电路指标要求 根据红外非致冷微测辐射热计i d m l 0 7 3 - v 3 的技术手册1 4 2 l ，i r ；p a 控制电路设 计要求可以归纳为三方面：偏置电压技术指标要求( 表3 1 ) ，t e c 技术指标要求( 表 3 2 ) 和用户控制逻辑时序要求( 图3 2 ) 。 3 1 2 1 直流偏置电压技术指标要求 表3 1 直流偏置电压技术指标要求 e m u - e n l 如u c t i o n b i t y p eo p n m u lr a n g ev a l u e m i i n m e v a l u e 3 0 0 k c u r r e n t v d m f i x e d3 3 v 2 5 m v5 0 m a ( a n a l o gs u p p l y ) 虼 f i x e d 3 3 v 3 0 也群9 0 0 m a f 嘲1 ( d i g i t a ls u p p l y ) v m a s _ s m f i x e d2 0 5 v 2 5 m yl m a ( m i c r o b o l o m e t e r b i a s i n g ) f mt t m a b l co i v e n i no 5 v 幻3 3 vo o i m a ( r n c r o b o l o m m r b i a s i n g ) a c c e p t a n c eh 髓 t o i = 5 v p - m - p o r t v 日m m t u n a b l eg i v e n i n2 5 1t o4 0 v 砖l m a 侗i n dn u c m 蛐 a c c e p t a n 1 h 蕾d 1 = 5 i l v b i a s i n g ) r e p o r t v t m - rf i x e d = v | “ o v ( g r o u n d ) i m a ( m i c r o b o l o m e t e rb i a s i n g ) v e 8 f i x e d = v s s ao v ( 事o u a d ) 0 o l m a ( b l i n dm i c r o b o l o n g t e r b i a s i n g ) v p o l o v ( g r o u n d ) ( c o n , m t m i c r o b o l o m e t e r b i a s i n g ) 从表3 1 中可以看出i r f p a 探测器电源和偏置电压种类较多，并且对电压波动 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 ( 纹波系数) 要求很高。v e b a s a g e ( 盲元偏置电压) 和f i d ( 微测辐射计偏置电压) 精度要求5 m v ，且连续可调。f i d 偏置电压是用来调节焦平面基屏亮度的，必需 满足要求的止电次序，否则会损坏探测器。打开设备时，f i d 必需最后一个加电： 关闭设备时，f i d 必需首先掉电。 3 1 2 2i r f p a 控制时序逻辑设计要求 1 r f p a 读出电路在主时钟( m c ) 、积分信号( i n m 和复位信号( r e s e t ) 驱动下 读出内部信号了图3 2 是1 r f p a 输入输出时序图【4 2 】。g a i n l 、g a i n 2 和g a i n 3 是 增益控制信号，可以改变输出信号的增益，缺省状态下输出信号增益为1 。 11 一 l ，7t w 抽呻脚剥 “2 坳7 比 f 7 l 上_ 船嗍一m f !。栩嘲l 蜘w ， ii z = = 7 酬 知- n 啊- 嵋岫i - 】淞一 蠢 1 - ；攮5t i 翻由城甘o it 妇h 打- ) ili i 口l - 啪一黼 _ 蝴i , 瞳t t e r f e w 2 ；i 籼 图3 2i r f p a 输入输出时序 i r f p a 输出数据的速率与主时钟的速率相等，主时钟可以随需要的帧频来调整。 对每帧3 2 0 2 4 0 象素的视频信号，其每行的有效象素是3 2 0 ，其对应的电视信号的 每行的象素应该为3 2 0 1 1 8 。3 7 8 。其对应的电视信号的每帧象素应该为： 3 7 8 2 4 0 + 3 7 8 x 2 5 = 9 1 6 6 5 为了与电视信号兼容，便于后续电路将数字信号转换成模拟的全电视信号输 出。以采用6 0 h z 的帧频为例，将6 0 h z 的逐行数字信号变成3 0 h z 的隔行扫描电视 信号。那么采用帧频为6 0 h z 时，主时钟的频率为： 9 1 6 6 5 6 0 = 5 4 9 9 9 m h z 5 5 m h z 复位信号强制使i r f p a 探测器从第一行开始积分，从而使内部的读出电路复 位。r e s e t 应该在主时钟的上升沿改变状态，每帧信号中不应该复位两次。 当积分信号为高电平时，允许对来自微测辐射热计的一行像元信号进行积分， 苎三兰坠墨垫皇墅塑皇垫里壅塑型皇堕垦堡 旦 帧频2 5 6 0 h z 时，行最佳积分时间是6 3 6 t s 由于探测器工作的要求，i n t 信号 应该在每行积分时发送( 2 4 0 次，秒) i n t 应该在主时钟的上升沿改变状态。其每 个积分信号i n t 周期内，高电平时间【1 7 ，3 2 0 个t m c ( t i m e m a s t e r c l o c k ) ，低电平 时间2 0 个t m c 。在设计i n t 信号时，取每个周期内的高电平为3 2 0 个t m c ，低 电平为6 2 个t m c ，则其周期为3 8 2 个主时钟周期。 增益g a i n i 、g a i n 2 和g a i n 3 是三种不同帧频状态下的增益使能信号，在特 殊的操作条件下可以改变积分增益。参考文献1 4 2 1 给出了g a i n n 在不同的偏置条件 下的增益变化情况。在2 0 3 0 h z 和5 0 6 0 h z 的帧频范围内增益的缺省设置为l 。 3 1 2 3 致冷电路技术指标要求 表3 2t e c 技术指标要求 功能名称参数 最大电流2 7 a t e c 两端电压和电流 最大电压4 1 v 温度波动 o 0 1 从表3 2 可以看出，f p a 探测器对温度稳定性要求比很高，工作温度波动小于 o 0 1 ( 2 ，增加了电路设计的难度。另外，t e c 致冷效率比较低，致冷时需要电流比 较大，引入的电路共地噪声也比较大 3 2 电源和驱动电路的设计 电源是电子产品中的重要组成部分，电源处理不当会影响系统的稳定性和性 能。本系统对电源和偏置电压的纹波系数要求很高，并且存在多个电源网络：d 5 v ， a 5 v ，d 3 3 v ，a 3 3 v ，a i 2 v ，2 0 5 v 偏置电压和两个可变偏置电压。每个电源网 络的性能要求不同，如何设计满足性能要求的电源电路是本系统的一个重要任务。 3 2 1 电源电路设计 根据不同的工作原理可将电源分为三类：低压差线性稳压电源( l d o ) 、开关 稳压电源( d c d c ) 和电荷泵电源。它们的有各自的特点和应用范围( 表3 3 ) 。根据 系统电源技术指标要求，本系统应该选择噪声和干扰最小的低压差线性稳压电源。 非致冷红外焦平面阵列成像系统设计 实际电路设计中，我们选择了两片t i 公司新型超低噪声和高纹波抑制比( p s r r ) 的l d ot p s 7 9 5 x x ，作为n a 探测器的d 3 3 v 和a 3 3 v 稳压电源。该系列l d o 外 围电路( 图3 3 ) 简单，1 0 k h z 下的p s r r 高达5 3 d b ，1 0 0 h z 至1 0 0 k h z 频率范围 内噪声均方根为3 3g v ，最大输出电流5 0 0 m a ，能很好地满足技术指标要求。数 字信号处理部分的d 3 3 v 和a 1 2 v 电源系统对噪声和纹波要求相对较低，但是功耗 比较大，在实际电路设计中，我们选择了输出电流大( 1 5 a ) 的低噪声l d o l m 3 1 7 。 d 3 3 v 和a 1 2 v 电源系统电路原理图如图3 4 。l m 3 1 7 输出电压1 2 v 2 5 v 连续可 调，输出电压计算公式为1 ：