專利名稱：紅外焦平面陣列自適應數字化方法及其電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于紅外熱像儀整機技術，特別是一種高性能紅外焦平面陣列驅動自適應數字化方法及其電路。
二
背景技術：
紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器在國防和民用中發(fā)揮著巨大的作用，紅外焦平面陣列整機性能的提升也是當前研究的重點和難點，為了進一步提高IRFPA的性能，除了不斷提高器件的研制水平，以提高探測單元和讀出電路的性能，設計高水平的圖像處理板，高效的算法之外還需要設計出相應的高性能驅動電路，使IRFPA器件處于最佳工作狀態(tài)，最大限度的發(fā)揮現有焦平面陣列的性能。
紅外焦平面陣列探測器正常工作需要數字驅動信號，模擬偏置電壓信號，其他控制信號以及穩(wěn)定的焦平面溫度。當前對紅外焦平面陣列驅動電路的一般做法是驅動電路板上的可編程邏輯器件提供紅外焦平面陣列探測器工作需要的數字驅動信號以及其他控制信號，并且提供串行D/A芯片需要的數字信號由串行D/A芯片提供紅外焦平面陣列探測器需要的模擬偏置電壓信號，溫度穩(wěn)定控制芯片穩(wěn)定焦平面的溫度(SuxiaXing，Chengyi Huang，Benkang Chang，etal.The miniaturized design for drive circuits of320×240 uncooled infrared focal plane array[A].Proc.SPIE，Vol.5204.)。紅外焦平面陣列探測器正常工作輸出的模擬信號經過濾波之后進入A/D器件，輸出的數字信號提供給后續(xù)圖像處理板使用。其中對焦平面陣列模擬輸出的數字化采用的一般方式是固定AD器件偏置電壓的范圍即固定AD器件的輸入模擬通道的輸入范圍，并將其模擬輸入范圍設為紅外焦平面陣列探測器的模擬輸出的最大范圍，以保證最大限度的發(fā)揮探測器的性能(賴睿，周銘，劉上乾.一種新的可編程紅外焦平面驅動電路系統(tǒng)設計[J].激光與外，2004，4(34)272-274.)。
然而焦平面陣列正常工作時，視場內的溫度峰峰值是經常變化的，傳統(tǒng)方法的根據焦平面的最大輸出范圍固定A/D輸入通道的輸入范圍，就造成了隨著場景的變化焦平面的有效模擬輸出范圍與設定的A/D的輸入模擬通道范圍并不一致，直接導致了數字化輸出部分高位部分的巨大浪費，這種浪費也便導致了圖像的細節(jié)分辨率的低下，極大的影響了圖像質量。
另外，還有方法是在圖像處理板上進行直方圖均衡等等方法，這些軟件算法雖然改變了圖像細節(jié)，但是這些細節(jié)是在犧牲其他灰度的情況下進行的，而非整個灰度范圍都能夠進行拉伸放大，這在實際應用中必然受到限制。
三

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種最大限度的利用驅動電路上的A/D器件的數字范圍，并提高圖像的細節(jié)分辨率的紅外焦平面陣列自適應數字化的方法及電路。
實現本發(fā)明目的的技術解決方案為一種紅外焦平面陣列自適應數字化方法，包括以下步驟 (1)當模擬偏置電壓信號提供焦平面探測器工作需要的偏置條件，數字驅動信號提供焦平面陣列探測器的增益、積分、同步數字信號，溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)穩(wěn)定焦平面的溫度時，焦平面陣列輸出隨視場溫度變化而變化的模擬信號； (2)該模擬信號經濾波消除無用的干擾信號后輸入A/D器件進行模擬信號數字化，該A/D器件的模擬輸入范圍由兩個偏置電壓控制； (3)該A/D器件將數字化的模擬信號及A/D器件的溢出檢測信號輸入FPGA器件，該FPGA器件同時控制串行配置D/A芯片，控制信號的不同使串行D/A芯片產生不同的電壓，該電壓連接到A/D器件的偏置電壓上，用以控制A/D芯片的模擬信號輸入范圍； (4)該FPGA器件隨時檢測A/D器件的數字信號和溢出檢測信號，并對數字信號和溢出檢測信號進行分析、計算，將分析計算的結果即焦平面陣列探測器的模擬輸出與A/D器件的輸入范圍做對比，如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過A/D器件的輸入范圍，則通過調整FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號調大A/D器件的輸入范圍；如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍小于A/D器件的輸入范圍，FPGA則同樣重新設定串行配置D/A芯片的數字信號以重新設定調小A/D器件的模擬信號輸入范圍，這樣經過FPGA器件對A/D器件的數字化輸出的隨時監(jiān)控、分析計算，以及通過串行配置D/A芯片的反控制A/D器件，完成焦平面陣列的自適應數字化。
本發(fā)明的紅外焦平面陣列自適應數字化方法中，當焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過或者小于A/D器件的輸入范圍，則FPGA芯片根據外部手動設定的閾值Δ，來重新設定A/D器件的輸入范圍，保證當前設定的A/D器件的模擬信號輸入范圍的最大值和最小值分別比當前計算出來的焦平面陣列的模擬輸出范圍的最大值m大閾值Δ和最小值n小閾值Δ，即當前的焦平面陣列的模擬輸出范圍為[m，n]，則A/D器件的模擬信號輸入范圍需要設為[m+Δ，n-Δ]；該A/D器件的模擬信號輸入范圍是通過FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號來完成的。
一種實現上述的紅外焦平面陣列自適應數字化方法的電路，包括在外加數字驅動信號、模擬偏置電壓信號和溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)信號控制下的焦平面陣列探測器，該焦平面陣列探測器、模擬信號濾波器、A/D芯片和現場可編程門陣列FPGA芯片依次連接，該FPGA芯片上設置數字信號輸出接口，所述的FPGA芯片連接一個串行配置D/A芯片，該串行配置D/A芯片與A/D芯片連接，即該FPGA芯片輸出的串行數字信號使串行配置D/A芯片產生兩個偏置電壓調整A/D芯片的模擬信號輸入范圍。
本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點為(1)A/D器件的數字位數被最大限度的占據，解決了數字部分高位浪費的問題，同時排除了盲元干擾，圖像的細節(jié)分辨率得到了很大的提高；(2)手動設定閾值Δ后，該閾值Δ既保證了紅外焦平面陣列自適應數字化方法實際應用時有著很大的應用范圍，同時又保證了該方法工作時圖像不致頻繁閃動。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
四


附圖是本發(fā)明紅外焦平面陣列自適應數字化電路結構圖。
五
具體實施例方式 結合附圖，本發(fā)明紅外焦平面陣列自適應數字化電路，包括在外加數字驅動信號、模擬偏置電壓信號和溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)信號控制下的焦平面陣列探測器，該焦平面陣列探測器、模擬信號濾波器、A/D芯片和現場可編程門陣列FPGA芯片依次連接，該FPGA芯片上設置數字信號輸出接口，所述的FPGA芯片連接一個串行配置D/A芯片，該串行配置D/A芯片與A/D芯片連接，即該FPGA芯片輸出的串行數字信號使串行配置D/A芯片產生兩個偏置電壓調整A/D芯片的模擬信號輸入范圍。上述紅外焦平面陣列自適應數字化電路是通過下列步驟實現最大限度的利用驅動電路上的A/D器件的數字范圍，并提高圖像的細節(jié)分辨率的，即 (1)當模擬偏置電壓信號提供焦平面探測器工作需要的偏置條件，數字驅動信號提供焦平面陣列探測器的增益、積分、同步數字信號，溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)穩(wěn)定焦平面的溫度時，焦平面陣列輸出隨視場溫度變化而變化的模擬信號； (2)該模擬信號經濾波消除無用的干擾信號后輸入A/D器件進行模擬信號數字化，該A/D器件的模擬輸入范圍由兩個偏置電壓控制； (3)該A/D器件將數字化的模擬信號及A/D器件的溢出檢測信號輸入FPGA器件，該FPGA器件同時控制串行配置D/A芯片，控制信號的不同使串行D/A芯片產生不同的電壓，該電壓連接到A/D器件的偏置電壓上，用以控制A/D芯片的模擬信號輸入范圍； (4)該FPGA器件隨時檢測A/D器件的數字信號和溢出檢測信號，并對數字信號和溢出檢測信號進行分析、計算，將分析計算的結果即焦平面陣列探測器的模擬輸出與A/D器件的輸入范圍做對比，如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過A/D器件的輸入范圍，則通過調整FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號調大A/D器件的輸入范圍；如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍小于A/D器件的輸入范圍，FPGA則同樣重新設定串行配置D/A芯片的數字信號以重新設定調小A/D器件的模擬信號輸入范圍，這樣經過FPGA器件對A/D器件的數字化輸出的隨時監(jiān)控、分析計算，以及通過串行配置D/A芯片的反控制A/D器件，完成焦平面陣列的自適應數字化。其中，當焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過或者小于A/D器件的輸入范圍，則FPGA芯片根據外部手動設定的閾值Δ，來重新設定A/D器件的輸入范圍，保證當前設定的A/D器件的模擬信號輸入范圍的最大值和最小值分別比當前計算出來的焦平面陣列的模擬輸出范圍的最大值m大閾值Δ和最小值n小閾值Δ，即當前的焦平面陣列的模擬輸出范圍為[m，n]，則A/D器件的模擬信號輸入范圍需要設為[m+Δ，n-Δ]；該A/D器件的模擬信號輸入范圍是通過FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號來完成的。
下面以ADI公司的A/D芯片AD9240和國內某單位生產的HgTeCd材料掃描型576×6制冷探測器為例，具體描述紅外焦平面陣列自適應數字化方法。
該A/D芯片可以調節(jié)輸入通道的輸入范圍 VCORE＝VINA-VINB (VINA，VINA∈
)(1) -VREF≤VCORE≤VREF(VREF∈
) (2) 其中VCOREAD9240的核心電壓； VINA，VINBAD9240的兩個模擬輸入通道； VREFAD9240的參考電壓。

表1 AD9240數據輸出格式 Table 1 AD9240 data output format 根據(1)，(2)以及表1可以得到以下公式 其中CODE表示AD9240輸出的14位數字信號。
將VINB，VREF作為偏置電壓信號，VINA接收焦平面陣列的模擬信號輸出，這樣VINA與CODE便可以由公式(3)互相求得。
根據表1，AD9240的最大輸入范圍由如下公式確定 VINB-VREF＝VINAad min(4) VINB+VREF＝VINAad max(5) 其中VINAad min表示通道A所能接受的模擬輸入信號的最小電壓； VINAad max表示通道A所能接受的模擬輸入信號的最大電壓。
所用的焦平面陣列探測器為6級TDI，正常工作時形成的圖像格式為768×576，其模擬端輸出(SORTIE)動態(tài)輸出范圍為0～5V，即0≤VINA′≤5(其中VINA′表示焦平面陣列的模擬輸出)，探測器輸出端經過濾波以及信號處理后與AD9240的第一通道VINA相連，根據公式(4)(5)，通過串行D/A芯片設定VINB以及VREF可以設定AD9240的數字信號輸出范圍。
576×6焦平面陣列工作的某一時刻t，焦平面陣列對其視場內場景產生的模擬輸出的范圍為 這里m＝min(pix1，pix2，...，pix(768×576))， (6) 表示一幀576×768圖像中最小像素電壓； n＝max(pix1，pix2，...，pix(768×576))(7) 表示一幀768×576圖像中最大像素電壓； FPGA芯片每幀均檢測AD9240的14位數字信號以及溢出信號OTR。
理想情況下其工作過程分為兩種情況 1、焦平面陣列模擬輸出范圍超出AD9240所能接收的模擬信號范圍 FPGA檢測到一幀圖像中有OTR信號為1時，根據表1可知焦平面陣列模擬輸出范圍超過AD9240所能接收的模擬信號范圍，立即通過串行DA芯片設定VINB，VREF均為2.5V，根據公式(1)，(2)可得出當前AD9240的最大輸入(VINA)范圍為
V，這保證了焦平面陣列輸出VINA′不會超過AD9240的最大輸入范圍。這時候根據公式(3)的推導 其中CODEmin，VINAmin表示一幀圖像中最小像元電壓對應的數字信號，模擬信號； CODEmax，VINAmax表示一幀圖像中最大像元電壓對應的數字信號，模擬信號。
FPGA隨后監(jiān)測下一幀圖像CODEmin以及CODEmax，并根據公式(8)，(9)計算出VINAmin，VINAmax，根據公式(4)，(5)計算出合適的VINB，VREF并將該偏置電壓信號施加于AD9240芯片上，完成焦平面陣列模擬輸出的自適應數字化。
2、焦平面陣列模擬輸出范圍超出AD9240所能接收的模擬信號范圍 如果檢測OTR信號為0即輸入范圍并沒有超過目前所設定的AD9240的輸入范圍，則此時FPGA只監(jiān)測每幀圖像CODEmin以及CODEmax，并根據公式(8)，(9)計算出VINAmin，VINAmax根據公式(4)，(5)計算出合適的VINB，VREF并將該偏置電壓信號施加于AD9240芯片上，完成焦平面陣列模擬輸出的自適應數字化。
根據上述的原理，焦平面陣列驅動電路可以隨場景溫度峰峰值的不同動態(tài)的調整AD9240的偏置電壓，進而保證AD9240數字化后的盡量“滿幅”輸出，完成基于場景的焦平面陣列自適應化輸出。
根據以上算法理論上可以完成基于場景的焦平面陣列自適應數字化輸出，然而實際上上述方法因為下述的幾種原因必須要經過修正才能真正的引用于實際系統(tǒng)中。因為焦平面陣列本身存在盲元，盲元包括死像元和過熱像元，其中，死像元指像元響應率小于平均響應率的1/10的像元，過熱像元指像元噪聲電壓大于平均噪聲電壓10倍的像元，因此如果自適應數字化過程中不將這些死像元和過熱像元去掉，焦平面陣列輸出的模擬信號的VINAmin，VINAmax將分別被死像元以及過熱像元占據而不隨場景真正的溫度變化而變化，并不能真正達到自適應數字化的目的。根據國標對盲元的定義以及標定方法對選定的576×6焦平面陣列進行標定，剔除這些盲元信號。剔除的方法為FPGA在檢測AD9240的數字信號以及OTR信號時，忽略已經被標定為盲元的像元的數字化輸出和OTR信號，這樣公式(8)，(9)將被修正，其中的CODEmin(CODEmax)將被分別解釋為去除了盲元的一幀圖像像元中最小(最大)像元電壓對應的數字信號。由此，盲元干擾將被去除。
同時，考慮到焦平面陣列視場內的溫度峰峰值是經常變化的，如果完全按照上述方法執(zhí)行將很可能出現焦平面陣列的數字輸出隨時都在自適應調整，造成焦平面陣列輸出圖像整體頻繁閃動無法正常觀察圖像，這時需要設定AD9240偏置電壓調整的閾值，即并不是在視場內溫度峰峰值稍有變化的時候便調整AD9240的偏置電壓，而是當超過某一設定的閾值Δ時才進行調整。FPGA同樣隨時監(jiān)控AD9240的數字化輸出以及OTR信號，當第一種情況(排除盲元干擾后OTR信號為高)出現時，仍然按照上述算法進行，只是需要對公式(4)，(5)值重新進行修正。即，根據公式(8)，(9)計算出VINAmin，VINAmax之后并不是直接賦予公式(4)，(5)進行計算而是將公式(4)，(5)修正為下式 其中Δ是設定的閾值。
這樣可以保證將AD9240的輸入范圍調為[VINA′min-Δ，VINA′max+Δ]，其中[VINA′min，VINA′max]為排除了盲元干擾的焦平面陣列的輸出范圍。
而當第二種情況(排除盲元干擾后OTR為0)出現時，說明焦平面陣列輸出的范圍沒有超過AD9240的最大輸入范圍，然而同樣需要防止焦平面陣列輸出的范圍遠小于設定的AD9240的最大輸入范圍，對此同樣設定閾值Δ，此時FPGA監(jiān)測CODEmin，CODEmax，并根據公式(8)，(9)計算出當前模擬信號的最小信號VINA′min，以及最大信號VINA′max，如果 VINB-VREF＜VINA′min-2Δ(12) 或者 VINB+VREF＞VINA′max+2Δ(13) 則說明，FPGA重新設定AD9240的兩個偏置電壓，并考慮需要的閾值，即，根據公式(8)，(9)，(10)，(11)進行計算，否則FPGA并不改變AD9240的輸入通道的輸入范圍，這既保證了焦平面在一定范圍內的自適應數字化輸出，同時又防止了輸出圖像的過于頻繁的跳動。因為閾值Δ隨場景目標的不同而不同，因此并不固定它，而是用一個控制按鈕通過FPGA進行手動控制，這也便保證了焦平面陣列可以適應不同的場景，使之自適應數字化后應用范圍并不受到影響。
權利要求
1. 一種紅外焦平面陣列自適應數字化方法，包括以下步驟
(1)當模擬偏置電壓信號提供焦平面探測器工作需要的偏置條件，數字驅動信號提供焦平面陣列探測器的增益、積分、同步數字信號，溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)穩(wěn)定焦平面的溫度時，焦平面陣列輸出隨視場溫度變化而變化的模擬信號；
(2)該模擬信號經濾波消除無用的干擾信號后輸入A/D器件進行模擬信號數字化，該A/D器件的模擬輸入范圍由兩個偏置電壓控制；
(3)該A/D器件將數字化的模擬信號及A/D器件的溢出檢測信號輸入FPGA器件，該FPGA器件同時控制串行配置D/A芯片，控制信號的不同使串行D/A芯片產生不同的電壓，該電壓連接到A/D器件的偏置電壓上，用以控制A/D芯片的模擬信號輸入范圍；
(4)該FPGA器件隨時檢測A/D器件的數字信號和溢出檢測信號，并對數字信號和溢出檢測信號進行分析、計算，將分析計算的結果即焦平面陣列探測器的模擬輸出與A/D器件的輸入范圍做對比，如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過A/D器件的輸入范圍，則通過調整FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號調大A/D器件的輸入范圍；如果焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍小于A/D器件的輸入范圍，FPGA則同樣重新設定串行配置D/A芯片的數字信號以重新設定調小A/D器件的模擬信號輸入范圍，這樣經過FPGA器件對A/D器件的數字化輸出的隨時監(jiān)控、分析計算，以及通過串行配置D/A芯片的反控制A/D器件，完成焦平面陣列的自適應數字化。
2. 根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列自適應數字化方法，其特征在于當焦平面陣列探測器的模擬輸出范圍超過或者小于A/D器件的輸入范圍，則FPGA芯片根據外部手動設定的閾值Δ，來重新設定A/D器件的輸入范圍，保證當前設定的A/D器件的模擬信號輸入范圍的最大值和最小值分別比當前計算出來的焦平面陣列的模擬輸出范圍的最大值m大閾值Δ和最小值n小閾值Δ，即當前的焦平面陣列的模擬輸出范圍為[m，n]，則A/D器件的模擬信號輸入范圍需要設為[m+Δ，n-Δ]；該A/D器件的模擬信號輸入范圍是通過FPGA器件提供給串行配置D/A芯片的數字信號來完成的。
3. 一種實現權利要求1所述的紅外焦平面陣列自適應數字化方法的電路，包括在外加數字驅動信號、模擬偏置電壓信號和溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)信號控制下的焦平面陣列探測器，該焦平面陣列探測器、模擬信號濾波器、A/D芯片和現場可編程門陣列FPGA芯片依次連接，該FPGA芯片上設置數字信號輸出接口，其特征在于FPGA芯片連接一個串行配置D/A芯片，該串行配置D/A芯片與A/D芯片連接，即該FPGA芯片輸出的串行數字信號使串行配置D/A芯片產生兩個偏置電壓調整A/D芯片的模擬信號輸入范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外焦平面陣列自適應數字化方法及其電路。該方法的焦平面陣列輸出隨場景變化而變化的模擬信號，該模擬信號經過濾波之后進入可調輸入范圍的A/D芯片，FPGA芯片隨時監(jiān)控A/D芯片的數字化輸出，并對該輸出進行判斷；根據判斷的結果對串行配置D/A芯片重新配置，以提供不同的偏置電壓給A/D芯片，調整A/D芯片的模擬信號的輸入范圍，因此便調整了A/D芯片的數字輸出范圍，完成焦平面陣列的自適應數字化。本發(fā)明的A/D器件的數字位數被最大限度的占據，同時排除了盲元干擾，圖像的細節(jié)分辨率得到了很大的提高；手動設定閾值Δ后，該閾值Δ既保證了紅外焦平面陣列自適應數字化方法實際應用時有著很大的應用范圍，同時保證了該方法工作時圖像不致頻繁閃動。
文檔編號G01J5/02GK101242495SQ200710020008
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月7日 優(yōu)先權日2007年2月7日
發(fā)明者錢 陳, 顧國華, 隋修寶, 錢惟賢, 王利平, 王慶寶, 于雪蓮, 毅 張, 路東明, 屈惠明, 白俊奇 申請人:南京理工大學