微測輻射熱計非制冷紅外熱成像系統(tǒng)

第11章微測輻射熱計非制冷紅外熱成像系統(tǒng)內(nèi)容綱要：11.1系統(tǒng)的根本組成11.2UL01011型微測輻射熱計11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路11.4TEC溫控電路11.5A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路11.6根本DSP和FPGA實時圖像信號處理11.7非均勻性校正算法處理11.8紅外圖像增強11.9視頻合成11.10紅外熱成像系統(tǒng)的質(zhì)量評價11.1系統(tǒng)的根本組成圖11.1研制的非制冷紅外熱成像組件的原理框圖11.2UL01011型微測輻射熱計組成：兩維阻抗式微測輻射熱計焦平面陣列硅讀出集成電路(ROIC)熱電溫度穩(wěn)定器(TEC)圖11.2UL01011型微測輻射熱計焦平面的外形圖11.2UL01011型微測輻射熱計焦平面：320列×240行的兩維陣列每個像元的尺寸為45×45

m2敏感面積為14.4

10.8mm2填充因子>80%典型的熱時間常數(shù)為4ms材料的TCR約為0.025K-1。11.2UL01011型微測輻射熱計

紅外窗口：用1mm厚的鍺晶體材料制備的，窗口上的防反射膜層和光學過濾膜層使得8～14

m波段的紅外輻射具有最大透過率，

整個器件用金屬進行真空封裝11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路讀出電路結(jié)構(gòu)圖11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路圖11.3單元讀出電路結(jié)構(gòu)圖11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路〔1〕偏置電壓1.驅(qū)動電路的性能參數(shù)要求：1)6個固定的外接偏置電壓，即電源供給VDDA、VDDL和微測輻射熱計偏置電壓VDET、VBIAS-SUI、和VEBASAGE 2)2個可調(diào)的外接偏置電壓VFID、VEB和2個地線VSSA(模擬電路地)、VSSL(數(shù)字電路地)；3)熱電恒溫器的電源；11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路3個脈沖電壓：RESET、MC、INT它們用來驅(qū)動CMOS處理器的時序器(2)脈沖電壓表11.1直流電壓局部的技術(shù)指標要求電子功能偏置類型最優(yōu)值@300K范圍值最大電流最大RMS噪聲VDDA固定3.3V±25mV50mA模擬供電VDDL固定3.3V±300mV5mA數(shù)字供電VBIAS_SUI固定2.05V±25mV1mA微測輻射熱計偏置FID可調(diào)依據(jù)測試報告0.5

3.3V0.01mA微測輻射熱計偏置VEBASAGE可調(diào)依據(jù)測試報告1mA盲微測輻射熱計偏置VSSA固定0V(地)50mA模擬地VSSL固定0V(地)5mA數(shù)字地VDET固定=VSSA0V(地)1mA微測輻射熱計偏置VEB固定=VSSA0V(地)0.01mA盲微測輻射熱計偏置VGGOUT未連接(1)微測輻射熱計偏置VPOL0V(地)微測輻射熱計偏置常數(shù)表11.2脈沖信號源局部的技術(shù)指標要求名稱功能輸入負載引腳MC主時鐘輸入3INT積分時間調(diào)節(jié)（高電平＝積分）輸入4RESET(*)復位探測器讀出到焦平面的第一行輸入5LIGNE1(*)高電平表示從IRFPA第一行的模擬輸出有效輸出阻抗≥10KΩ平行電容≤50pF6DATAVALID高電平表明模擬輸出有效輸出阻抗≥10KΩ平行電容≤50pF7圖11.4脈沖信號的時序要求11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路2驅(qū)動電路的設(shè)計電壓信號：采用Linear〔凌特〕公司的LT1762和LT1962等小封裝、低噪聲電源芯片可以很好地滿足設(shè)計指標。脈沖信號：MC、INT和RESET等信號的產(chǎn)生一般由可編程邏輯器件〔FPGA或CPLD〕實現(xiàn)11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路(1)對來自石英晶振的信號進行倍頻和分頻，倍頻可以通過FPGA中的鎖相環(huán)實現(xiàn)，結(jié)合輸入的RESETIN產(chǎn)生焦平面所需的脈沖驅(qū)動信號：MC、INT、RESET；(2)通過編碼電路產(chǎn)生焦平面的增益控制信號：CALIBRE1、CALIBRE2、CALIBRE3；(3)必需對DATAVALID和幀同步信號LIGNE1這兩個同步信號進行延時，以補償數(shù)據(jù)信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后帶來的時間延遲。11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路圖11.5焦平面驅(qū)動電路實現(xiàn)的功能框圖11.3UL01011型微測輻射熱計的驅(qū)動電路11.4TEC溫控電路TEC簡介：TEC是一個半導體P-N結(jié)器件，利用塞貝克效應(yīng)來制冷或加熱。當TEC兩端施加直流電壓時，TEC的一端就會發(fā)熱，而另外一端制冷。發(fā)熱的一端稱為“熱端〞，制冷的一端稱為“冷端〞。11.4TEC溫控電路控制TEC的根本功能框圖11.4TEC溫控電路TEC溫控電路的解決方案有很多種，完全的TEC控制器解決方案需要：一個精密輸入放大器，正確地測量物體實際溫度和目標溫度之間的不同。一個補償網(wǎng)絡(luò)，得到最優(yōu)的穩(wěn)定性和時間特性。一個高的輸出電流水平。因為高的輸出電流時，TEC控制器有較高的效率，將除TEC以外的器件產(chǎn)生的熱量減到最小。11.4TEC溫控電路模擬器件公司〔AD〕的ADN8830、MAXIM公司的MAX1968和MAX1978均可以實現(xiàn)此功能以AD公司的ADN8830控制芯片為例.11.4TEC溫控電路圖11.6ADN8830溫控電路原理圖11.5A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路信號的幅值：

0.4~2.1V

圖11.7紅外焦平面的輸出信號

輸出頻率：5MHz

11.5A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路A/D芯片選擇：采樣率

>5MHz分辨率

UL01011的NETD一般為80~120mk>14bit11.5A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路例：AD公司的型號為AD9240的模數(shù)轉(zhuǎn)換器1)有可在內(nèi)部采樣保持的14位分級型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、并行輸出接口和數(shù)據(jù)緩沖器；2)轉(zhuǎn)換速率為10MHz；3)信噪比SNR為77.5dB；4)功耗僅為285mW；5)雜散動態(tài)范圍為90dB6)積分線性誤差為2.5LSB；11.6基于DSP和FPGA實時圖像信號處理

圖11.8FPGA完成功能圖

11.7非均勻校正處理算法1概述為什么要進行非均勻性校正？？11.7非均勻校正處理算法探測器響應(yīng)度的非均勻性〔PRUN〕定義：探測單元在二分之一飽和輻射量下所輸出的原始響應(yīng)信號與其平均值之比：式中Vsi為探測器單元原始輸出信號；為探測器單元原始輸出信號的平均值。

1概述11.7非均勻校正處理算法算法分類：溫度定標校正算法非線性校正算法一點溫度定標算法兩點溫度定標算法多點溫度定標算法分段線性算法自適應(yīng)算法濾波算法1概述2溫度定標校正算法

假定焦平面的單元的響應(yīng)為線性：11.7非均勻校正處理算法

為入射到第(i,j)個焦平面單元的輻照度；Vij()為第(i,j)個焦平面單元的輸出信號；Aij為直線的斜率；Bij為直線的截距。

11.7非均勻校正處理算法2溫度定標校正算法

V()

S1S2(1)一點溫度定標算法

2溫度定標校正算法

入射輻照度為定標點

1,所有單元的輸出信號Vij()進行平均得

N為焦平面單元總數(shù)

任一單元的輸出信號與平均輸出信號的差值為：

2溫度定標校正算法

(1)一點溫度定標算法

校正后任一單元的信號輸出為：

2溫度定標校正算法

(1)一點溫度定標算法

V()

S1S2定標曲線只對探測元的暗電流作了補償，未對增益作校正，當目標的輻照度偏離定標點時，空間噪聲很大，校正范圍很小。

2溫度定標校正算法

V()

S1S2(2)兩點溫度定標算法

1

2V()

S2S12溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

V()

S2S12溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

選擇兩個定標點

1、2：2溫度定標校正算法

2溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

2溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

兩點定標校正后的信號輸出為：2溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

采用最小二乘線性回歸求取參數(shù)最小二乘法線性回歸由參數(shù)擬合公式：2溫度定標校正算法

(2)兩點溫度定標算法

圖11.9基于增益補償?shù)母咄V波校正法3高通濾波校正算法(THPFC)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法采用一個隱含層計算某像素的鄰域輸出的平均值，并作為給定像素的期望的理想輸出，反響給線性校正神經(jīng)元計算非均勻校正的系數(shù)。4人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NNC)設(shè)f為空間鄰域期望輸出的估計的平均值計算鄰域的平均值：令(略去下標ij)：4人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NNC)誤差函數(shù)寫為：利用此函數(shù)的梯度函數(shù)和最陡下降法或者LMS算法，對該像元的后繼輸入計算出適宜的G,O值，即其遞歸估計：對后繼各幀重復以下迭代，即對校正系數(shù)進行自適應(yīng)修正：4人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NNC)

為下降步長，也稱作學習速度量，的取值直接影響算法的穩(wěn)定性和收斂速度。利用線性校正算法進行運算：11.8紅外圖像增強圖像增強方法：

時間域處理

空間域處理

變換域處理時間延遲積分幀間比較點處理鄰域處理比照度拉伸直方圖處理中值濾波均值濾波離散傅立葉變換濾波小波變換等濾波11.8紅外圖像增強11.8.1直方圖一維直方圖定義：對于數(shù)字圖像f(i,j)，設(shè)圖像灰度值為a0,a1,…,ak-1，那么概率密度函數(shù)P(ai)為：且有：11.8紅外圖像增強圖11.10紅外圖像直方圖圖11.11可見光圖像的直方圖11.8紅外圖像增強11.9.2自適應(yīng)分段線性變換

其中：11.8紅外圖像增強[灰度最頻值]直方圖中具有最大像素數(shù)的灰度級；[頻數(shù)]灰度值重復次數(shù)，即圖像中具有某灰度值的像素總數(shù)；11.9.2自適應(yīng)分段線性變換

令：11.8紅外圖像增強{a0，n0}:灰度最頻值，及最頻值對應(yīng)的頻數(shù)

自適應(yīng)分段線性變換算法的實現(xiàn)過程如下：1〕統(tǒng)計灰度直方圖，找到灰度最頻值，和對應(yīng)的頻數(shù)；2〕令nT=n0p；3〕從直方圖的0灰度級開始向右搜尋，直到找到aL，滿足其對應(yīng)的nL>nT，且nL-1<nT,記下aL；

11.8紅外圖像增強4〕從直方圖的255灰度級開始向左搜尋，直到找到aR，滿足其對應(yīng)的nR>nT且nR+1<nT，記下aR；5〕根據(jù)公式建立查找表；6〕根據(jù)(5)中建立的查找表，對原始圖像中的像素逐點進行灰度變換，到達圖像增強的目的。11.8紅外圖像增強自適應(yīng)分段線性變換算法具有以下特點1〕運算量小，可以保證實現(xiàn)的實時性；2〕通過搜尋目標灰度范圍，保證了信號的大局部能量，并通過拉伸，增加了信號局部的比照度；同時去除了大局部的圖像噪聲，克服了根本線性變換增加噪聲比照度的問題；3〕閾值中采用了可調(diào)比例因子p，增加了算法的靈活性。11.