微测辐射热计非制冷红外热成像系统

第11章微测辐射热计非制冷红外热成像系统内容纲要：11.1系统的根本组成11.2UL01011型微测辐射热计11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路11.4TEC温控电路11.5A/D数据转换电路11.6根本DSP和FPGA实时图像信号处理11.7非均匀性校正算法处理11.8红外图像增强11.9视频合成11.10红外热成像系统的质量评价11.1系统的根本组成图11.1研制的非制冷红外热成像组件的原理框图11.2UL01011型微测辐射热计组成：两维阻抗式微测辐射热计焦平面阵列硅读出集成电路(ROIC)热电温度稳定器(TEC)图11.2UL01011型微测辐射热计焦平面的外形图11.2UL01011型微测辐射热计焦平面：320列×240行的两维阵列每个像元的尺寸为45×45

m2敏感面积为14.4

10.8mm2填充因子>80%典型的热时间常数为4ms材料的TCR约为0.025K-1。11.2UL01011型微测辐射热计

红外窗口：用1mm厚的锗晶体材料制备的，窗口上的防反射膜层和光学过滤膜层使得8～14

m波段的红外辐射具有最大透过率，

整个器件用金属进行真空封装11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路读出电路结构图11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路图11.3单元读出电路结构图11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路〔1〕偏置电压1.驱动电路的性能参数要求：1)6个固定的外接偏置电压，即电源供给VDDA、VDDL和微测辐射热计偏置电压VDET、VBIAS-SUI、和VEBASAGE 2)2个可调的外接偏置电压VFID、VEB和2个地线VSSA(模拟电路地)、VSSL(数字电路地)；3)热电恒温器的电源；11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路3个脉冲电压：RESET、MC、INT它们用来驱动CMOS处理器的时序器(2)脉冲电压表11.1直流电压局部的技术指标要求电子功能偏置类型最优值@300K范围值最大电流最大RMS噪声VDDA固定3.3V±25mV50mA模拟供电VDDL固定3.3V±300mV5mA数字供电VBIAS_SUI固定2.05V±25mV1mA微测辐射热计偏置FID可调依据测试报告0.5

3.3V0.01mA微测辐射热计偏置VEBASAGE可调依据测试报告1mA盲微测辐射热计偏置VSSA固定0V(地)50mA模拟地VSSL固定0V(地)5mA数字地VDET固定=VSSA0V(地)1mA微测辐射热计偏置VEB固定=VSSA0V(地)0.01mA盲微测辐射热计偏置VGGOUT未连接(1)微测辐射热计偏置VPOL0V(地)微测辐射热计偏置常数表11.2脉冲信号源局部的技术指标要求名称功能输入负载引脚MC主时钟输入3INT积分时间调节（高电平＝积分）输入4RESET(*)复位探测器读出到焦平面的第一行输入5LIGNE1(*)高电平表示从IRFPA第一行的模拟输出有效输出阻抗≥10KΩ平行电容≤50pF6DATAVALID高电平表明模拟输出有效输出阻抗≥10KΩ平行电容≤50pF7图11.4脉冲信号的时序要求11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路2驱动电路的设计电压信号：采用Linear〔凌特〕公司的LT1762和LT1962等小封装、低噪声电源芯片可以很好地满足设计指标。脉冲信号：MC、INT和RESET等信号的产生一般由可编程逻辑器件〔FPGA或CPLD〕实现11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路(1)对来自石英晶振的信号进行倍频和分频，倍频可以通过FPGA中的锁相环实现，结合输入的RESETIN产生焦平面所需的脉冲驱动信号：MC、INT、RESET；(2)通过编码电路产生焦平面的增益控制信号：CALIBRE1、CALIBRE2、CALIBRE3；(3)必需对DATAVALID和帧同步信号LIGNE1这两个同步信号进行延时，以补偿数据信号经过A/D转换器后带来的时间延迟。11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路图11.5焦平面驱动电路实现的功能框图11.3UL01011型微测辐射热计的驱动电路11.4TEC温控电路TEC简介：TEC是一个半导体P-N结器件，利用塞贝克效应来制冷或加热。当TEC两端施加直流电压时，TEC的一端就会发热，而另外一端制冷。发热的一端称为“热端〞，制冷的一端称为“冷端〞。11.4TEC温控电路控制TEC的根本功能框图11.4TEC温控电路TEC温控电路的解决方案有很多种，完全的TEC控制器解决方案需要：一个精密输入放大器，正确地测量物体实际温度和目标温度之间的不同。一个补偿网络，得到最优的稳定性和时间特性。一个高的输出电流水平。因为高的输出电流时，TEC控制器有较高的效率，将除TEC以外的器件产生的热量减到最小。11.4TEC温控电路模拟器件公司〔AD〕的ADN8830、MAXIM公司的MAX1968和MAX1978均可以实现此功能以AD公司的ADN8830控制芯片为例.11.4TEC温控电路图11.6ADN8830温控电路原理图11.5A/D数据转换电路信号的幅值：

0.4~2.1V

图11.7红外焦平面的输出信号

输出频率：5MHz

11.5A/D数据转换电路A/D芯片选择：采样率

>5MHz分辨率

UL01011的NETD一般为80~120mk>14bit11.5A/D数据转换电路例：AD公司的型号为AD9240的模数转换器1)有可在内部采样保持的14位分级型模／数转换器、并行输出接口和数据缓冲器；2)转换速率为10MHz；3)信噪比SNR为77.5dB；4)功耗仅为285mW；5)杂散动态范围为90dB6)积分线性误差为2.5LSB；11.6基于DSP和FPGA实时图像信号处理

图11.8FPGA完成功能图

11.7非均匀校正处理算法1概述为什么要进行非均匀性校正？？11.7非均匀校正处理算法探测器响应度的非均匀性〔PRUN〕定义：探测单元在二分之一饱和辐射量下所输出的原始响应信号与其平均值之比：式中Vsi为探测器单元原始输出信号；为探测器单元原始输出信号的平均值。

1概述11.7非均匀校正处理算法算法分类：温度定标校正算法非线性校正算法一点温度定标算法两点温度定标算法多点温度定标算法分段线性算法自适应算法滤波算法1概述2温度定标校正算法

假定焦平面的单元的响应为线性：11.7非均匀校正处理算法

为入射到第(i,j)个焦平面单元的辐照度；Vij()为第(i,j)个焦平面单元的输出信号；Aij为直线的斜率；Bij为直线的截距。

11.7非均匀校正处理算法2温度定标校正算法

V()

S1S2(1)一点温度定标算法

2温度定标校正算法

入射辐照度为定标点

1,所有单元的输出信号Vij()进行平均得

N为焦平面单元总数

任一单元的输出信号与平均输出信号的差值为：

2温度定标校正算法

(1)一点温度定标算法

校正后任一单元的信号输出为：

2温度定标校正算法

(1)一点温度定标算法

V()

S1S2定标曲线只对探测元的暗电流作了补偿，未对增益作校正，当目标的辐照度偏离定标点时，空间噪声很大，校正范围很小。

2温度定标校正算法

V()

S1S2(2)两点温度定标算法

1

2V()

S2S12温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

V()

S2S12温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

选择两个定标点

1、2：2温度定标校正算法

2温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

2温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

两点定标校正后的信号输出为：2温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

采用最小二乘线性回归求取参数最小二乘法线性回归由参数拟合公式：2温度定标校正算法

(2)两点温度定标算法

图11.9基于增益补偿的高通滤波校正法3高通滤波校正算法(THPFC)

神经网络法采用一个隐含层计算某像素的邻域输出的平均值，并作为给定像素的期望的理想输出，反响给线性校正神经元计算非均匀校正的系数。4人工神经网络法(NNC)设f为空间邻域期望输出的估计的平均值计算邻域的平均值：令(略去下标ij)：4人工神经网络法(NNC)误差函数写为：利用此函数的梯度函数和最陡下降法或者LMS算法，对该像元的后继输入计算出适宜的G,O值，即其递归估计：对后继各帧重复以下迭代，即对校正系数进行自适应修正：4人工神经网络法(NNC)

为下降步长，也称作学习速度量，的取值直接影响算法的稳定性和收敛速度。利用线性校正算法进行运算：11.8红外图像增强图像增强方法：

时间域处理

空间域处理

变换域处理时间延迟积分帧间比较点处理邻域处理比照度拉伸直方图处理中值滤波均值滤波离散傅立叶变换滤波小波变换等滤波11.8红外图像增强11.8.1直方图一维直方图定义：对于数字图像f(i,j)，设图像灰度值为a0,a1,…,ak-1，那么概率密度函数P(ai)为：且有：11.8红外图像增强图11.10红外图像直方图图11.11可见光图像的直方图11.8红外图像增强11.9.2自适应分段线性变换

其中：11.8红外图像增强[灰度最频值]直方图中具有最大像素数的灰度级；[频数]灰度值重复次数，即图像中具有某灰度值的像素总数；11.9.2自适应分段线性变换

令：11.8红外图像增强{a0，n0}:灰度最频值，及最频值对应的频数

自适应分段线性变换算法的实现过程如下：1〕统计灰度直方图，找到灰度最频值，和对应的频数；2〕令nT=n0p；3〕从直方图的0灰度级开始向右搜寻，直到找到aL，满足其对应的nL>nT，且nL-1<nT,记下aL；

11.8红外图像增强4〕从直方图的255灰度级开始向左搜寻，直到找到aR，满足其对应的nR>nT且nR+1<nT，记下aR；5〕根据公式建立查找表；6〕根据(5)中建立的查找表，对原始图像中的像素逐点进行灰度变换，到达图像增强的目的。11.8红外图像增强自适应分段线性变换算法具有以下特点1〕运算量小，可以保证实现的实时性；2〕通过搜寻目标灰度范围，保证了信号的大局部能量，并通过拉伸，增加了信号局部的比照度；同时去除了大局部的图像噪声，克服了根本线性变换增加噪声比照度的问题；3〕阈值中采用了可调比例因子p，增加了算法的灵活性。11.