專利名稱：一種焦平面探測器讀出信號的數(shù)字信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字信號處理方法，尤其涉及一種焦平面探測器讀出信號的數(shù)字 信號處理方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的焦平面探測器讀出電路主要是普通放大器結(jié)構(gòu)。如源極跟隨器結(jié)構(gòu)，直接 注入結(jié)構(gòu)等。這些普通的放大器結(jié)構(gòu)只能將信號放大，不僅不能對信號進行去噪聲處理，更 加會帶來較多的電子器件噪聲。因此，為了解決上述普通放大器無法降低噪聲的問題，人們設(shè)計出了帶有初步去 噪功能的電容跨阻抗放大器等，并在放大器后面加上一個相關(guān)雙采樣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是通過 相關(guān)雙采樣的差分結(jié)構(gòu)將信號中的KTC噪聲去掉，同時也可以去除一些Ι/f噪聲。但是由于 讀出電路中增加了電容，使得集成的面積變大，功耗增加，且?guī)砹穗娮悠骷逃械脑肼暎?這就是它的不足之處。目前焦平面紅外讀出電路在相關(guān)雙采樣的基礎(chǔ)上采用了一些結(jié)構(gòu)上的改進。如 相關(guān)四采樣，差分平均法，雙復(fù)位法等，但是這種使用電路的方法降噪實際上還存在一定得 缺陷第一，電路的面積會增大，功耗會增加，顯然在探測器上的應(yīng)用就會有功耗和面積的 限制作用；第二，電路中元器件數(shù)量的增加會增加更多的噪聲，在不使用其他方法降噪的情 況下反而會增加讀出信號的噪聲含量。在電路無法更好的降低探測器噪聲的情況下，人們期望采用信號處理的方法來消 除信號中的噪聲，小波變換作為一種新的正交多尺度自適應(yīng)信號分析工具在各個領(lǐng)域中引 起了廣泛的興趣，本發(fā)明采用小波變換的方式來消除焦平面探測器讀出信號中的噪聲。在探測器讀出信號的噪聲中，占主要地位的有熱噪聲、Ι/f噪聲、散粒噪聲，和其他
一些噪聲。熱噪聲傳感器材料中的熱噪聲是由于溫度變換引起的晶體表面電子不規(guī)則運動 而產(chǎn)生的電壓噪聲。熱噪聲電壓功率譜密度表達式為Sv (f) = 4kTR(1)式中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為材料的溫度，R為電阻?？梢钥闯雠c頻率無關(guān)，即屬 于白噪聲。散粒噪聲由于載流子各自獨立而隨機地通過勢壘所引起的噪聲。其功率譜密度 為S^f) = 2ql(2)式中q為載流子電量，I為通過器件的電流。由式(2)可知散粒噪聲功率譜密度 與頻率無關(guān)，屬于白噪聲。然而，該式僅在中低頻范圍內(nèi)有效，在高頻區(qū)，散粒噪聲也將隨頻 率的上升而增加。但是結(jié)合本文的實際應(yīng)用，焦平面紅外讀出信號在IOHz ΙΟΚΗζ，屬低頻 區(qū)，即在處理的過程中可直接把散粒噪聲歸為白噪聲處理。Ι/f噪聲存在于所有有源器件中，對于半導(dǎo)體器件，它與載流子散射幾率的漲落有關(guān)。它是一種低頻噪聲，主要出現(xiàn)在IKHz以下。Ι/f噪聲是一類具有長程相關(guān)性、自相似 性以及非平穩(wěn)性的隨機噪聲。其功率譜密度為Sv (f) = AI0/fY(3)式中，I為通過器件的電流，f為頻率；參數(shù)A由器件結(jié)構(gòu)特性決定；常數(shù)γ = 0.8 1.2，典型值為1.0;β =2.0(均勻材料)或1.0 2.0 (結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的器件)。1/ f噪聲具有兩個基本特征在一個相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)，Ι/f噪聲的功率譜密度與頻率成反 比；Ι/f噪聲電壓或電流的功率譜密度與通過器件的電流的平方成正比。小波變換給定平方可積的信號x(t)，即x(t) e L2(R)，貝IJx(t)的小波變換 (wavelet transform, WT)定義為
權(quán)利要求
一種焦平面探測器讀出信號的數(shù)字信號處理方法，其特征在于根據(jù)讀出信號中噪聲信號的組成成分和特點，對焦平面探測器讀出信號進行小波分解，將帶噪聲信號分解為各層低頻系數(shù)與高頻系數(shù)，然后采用小波軟閾值算法處理小波分解得到的高頻系數(shù)，降低讀出信號中噪聲能量以實現(xiàn)降噪，最后根據(jù)由軟閾值算法濾波后的系數(shù)進行小波重構(gòu)以恢復(fù)信號；其中，利用小波變換對讀出信號進行降噪具體包括以下步驟(1).選取合適的小波基ψ(t)和分解尺度j；ψ(t)具體選用db4正交小波基，對信號進行j＝7層正交小波分解，得到各尺度上的小波細(xì)節(jié)系數(shù)；(2).選取合適的閾值對分解得到的小波系數(shù)進行軟閾值量化，選取第j個尺度的軟閾值的公式為 <mrow><msub> <mi>th</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mi>γ</mi><mo>*</mo><msqrt> <mi>median</mi> <mrow><mo>(</mo><mo>|</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>0.6745</mn></msqrt><mo>*</mo><msqrt> <mn>2</mn> <mi>log</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>length</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>d</mi><mi>j</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow></msqrt><mo>/</mo><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>其中γ為噪聲功率譜參數(shù)，dj(k)為各層小波細(xì)節(jié)系數(shù)，median(|dj(k)|)/0.6745為噪聲的估計方差，其中，估計方差通過以下方法得到，取小波系數(shù)在各個尺度下絕對值的中值median(|dj(k)|)，然后將該中值除以常數(shù)0.6745作為該尺度下小波系數(shù)中噪聲強度的估計，即 <mrow><msup> <mover><mi>σ</mi><mo>^</mo> </mover> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mi>median</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <msub><mi>d</mi><mi>j</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>0.6745</mn><mo>;</mo> </mrow>上述軟閾值在固定閾值的基礎(chǔ)上，對不同的分解尺度選取不同的閾值，隨著尺度j的增大，閾值逐漸減小，使得與噪聲在小波變換各尺度上的傳播特性相一致；使用軟閾值法對各層小波細(xì)節(jié)系數(shù)進行修正，其公式為gj(k)＝sgn(dj(k))*(|dj(k)| thj)，其中g(shù)j(k)為濾波后的系數(shù)，sgn為符號函數(shù)；(3).小波重構(gòu)。根據(jù)閾值濾波以后的細(xì)節(jié)系數(shù)進行小波重構(gòu)，得到降噪后的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字信號處理方法，其特征在于用數(shù)字信號處理的方法降低 探測器讀出電路的噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字信號處理方法，其特征在于在熱釋電紅外傳感器讀出信 號中的噪聲主要由熱噪聲、散粒噪聲、Ι/f噪聲組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字信號處理方法，其特征在于當(dāng)有用信號以正弦調(diào)制輸 入，在傳感器接收到信號以后其輸出信號也是與之頻率相同的正弦信號，令輸入的有用信 號模型為s(t) =Asin (2π*ω* )，可得到經(jīng)過焦平面讀出電路放大以后的信號為x(t)= BSin(2Ji*co*t)+W(t)+f(t)，式中w(t)表示均值為零的高斯白噪聲，f(t)表示Ι/f噪聲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對焦平面讀出信號進行去噪聲的方法，首先，根據(jù)焦平面探測器讀出信號中的噪聲組成及特點，對讀出信號進行小波分解，小波分解將探測器讀出信號分解成各個能量不同的頻帶，然后根據(jù)信號中的噪聲特點，對各層分解得到的系數(shù)采用相應(yīng)的閾值進行處理，以達到衰減噪聲能量的目的。
文檔編號G01J5/02GK101968382SQ20101000493
公開日2011年2月9日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者丁俊民, 景為平, 李言謹(jǐn), 殷曉敏, 顧勇, 魯華祥 申請人:南通大學(xué)