本发明专利技术公开了一种应用于红外焦平面成像系统的像元增益控制方法。对于串行信号输出的面阵或线列红外焦平面器件，在模数转化之前，通过像元级增益控制的方法可以达到实时调整单个像元响应的目的。该方法大大提高了红外焦平面系统输出信号的均匀性，而且可以一定程度上扩大仪器的动态范围。本发明专利技术可以应用在航天对地观测，预警卫星等一些对红外焦平面系统输出信号实时性和信号质量要求较高的场合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到红外焦平面器件信号处理技术，具体指一种应用于红外焦平 面成像系统的像元增益控制方法，它应用于红外遥感仪器或军事侦察仪器的设 计。
技术介绍
在航空航天领域，由红外焦平面器件为核心构成的光电仪器是对地观测、 军事侦察等卫星的重要载荷。这些载荷通过红外焦平面器件获得目标的红外辐 射信息，然后通过信息处理模块对该信息进行处理，信息处理模块的设计将直 接关系到仪器的整机性能。由于工艺上的限制和红外背景辐射的影响，红外焦平面器件的各像元输出 信号之间均匀性很差，传统的信号处理部分在模数转换之前仅仅包括信号的整 体幅度调整和滤波电路，对各个像元之间的差异调整是在数字电路处理部分或 是事后软件处理，这种处理方法的实时性往往较差，而且一定程度上影响了仪 器的动态范围。
技术实现思路
基于上述方法存在的问题，本专利技术提出了一种应用于红外焦平面成像系统 的像元增益控制方法，这种方法应用在红外焦平面成像系统的模拟信号处理部 分，可以实时调整各个像元之间响应的非均匀性。本专利技术的像元增加控制方法说明如下所说的红外焦平面成像系统指的是一种利用红外焦平面器件设计的仪器。红外焦平面器件是由探测器和读出电路组成的组件，由于像元规模较大，其信 号输出一般采用串行模式。由于制造工艺的限制和红外背景辐射的影响，红外 焦平面成像系统各像元的响应均匀性较差。所说的像元增益控制指的是在红外焦平面成像系统的模拟信号处理端增加 的一种控制单个像元增益的方法。传统的红外焦平面系统的信息处理方法如图1所示，图中1为红外焦平面器件，2为模拟信号调理部分，3为数字信号调整 部分，4为数据采集和软件后处理部分。图2给出了增加了像元增益控制方法 后的红外焦平面系统信息处理，图中的l、 2、 3、 4和图1中的1、 2、 3、 4所 代表的模块一致，5为增加的像元增益控制模块，该模块位于数字信号调整的 模数转换之前，是一种模拟信号处理方法。焦平面器件像元信号是串行读出的， 改变模拟信号处理部分放大电路的反馈电阻只是对所有探测元的增益一样调 整，只有通过在各探测元串行信号输出期间的增益切换才能达到各像元增益实 时控制的目的，由于焦平面的响应速度很快，给实时的增益调整带来一定的压 力。用来实现像元增益控制的电路结构形式如图3所示，图中两个运算放大器 用来是实现射级跟随功能，17个电阻R广Rn和8个模拟开关SoD() S7D7组成 的无源电阻网络来实现像元增益调整功能。探测元的响应信号共有28=64种通 断状态，在每种通断状态下按照电路原理的方法计算R2 R17总共16个电阻 的等效电阻值，再根据电阻R1和这个等效电阻值的分压关系计算得到64个不 同的增益值。8个模拟开关SoD() S7D7模拟开关通断状态控制采用可编程逻辑 器件FPGA和只读存储器ROM实现。FPGA用来实现像元切换时ROM的时 序控制，而ROM中的数据M 、 M21......M^n是各探测元与图4中组成的电阻网络的64个增益值中最佳匹配所对应的8个模拟开关通断状态所代表的2进 制值。红外焦平面成像系统的像元增益控制方法具体实施步骤如下 A采用图1的传统红外焦平面成像系统信息处理方法，使系统的探测目标 为标准黑体，调整黑体温度，使得焦平面探测器中响应最大的探测元刚刚达到饱和，记录下此时焦平面成像系统所有探测元的响应信号N 、 N21......Nmn (mxn为焦平面探测器的规模)。找出这些响应信号中的最小值Njk，计算得到 Njk/N 、 N/N21......N/N^的值并存储下来。B根据步骤A取得的探测元的响应信号的比值，确定与之匹配的增益值所 对应的8个模拟开关的通断状态，建立各像元的模拟开关通断状态所代表的2 进制值编码表。C将步骤A、 B获得的2进制值编码表中的数据输入只读存储器ROM中。 D采用具有像元增益控制方法的红外焦平面成像系统信息处理方法，每个像元信号输入期间通过控制模拟开关的通断状态达到实时调整电路增益的目的，调整后的信号经过右边的射级跟随电路输出。 本专利技术有如下有益效果-1. 本专利技术的电路形式结构简单，原理通俗易懂。在模拟信号处理端就提 高了系统输出信号的均匀性，增加了系统的动态范围，具有良好的实时性。2. 本专利技术所提出的方法可应用在各种类型和用途的红外焦平面成像系统。 附图说明图1传统红外焦平面系统的信息处理模块图，图中1为红外焦平面器件， 2为模拟信号调理部分，3为数字信号调整部分，4为数据采集和软件后处理部 分。图2改进后的红外焦平面系统的信息处理模块图，图中5为像元增益控 制模块。图3像元增益控制方法的电路实现图。 图4利用24元焦平面器件实验获取的数据图。 图5该方法对系统动态范围的影响分析图。具体实施方式作者利用中国科学院上海技术物理研究所自行研制的24元近红外焦平面 器件验证了该专利技术的实际效果。采集下来的数据如图4所示，图4中坐标轴中 上边的曲线表示步骤A利用常规的红外焦平面成像系统处理方法得到的各个 像元的响应值；由步骤B获得的各像元的模拟开关通断状态所代表的2进制值 编码表如表1所示；将表1中的数据输入只读存储器ROM中，完成步骤C工 作；图4中下边的一条曲线表示的是经步骤D增加了像元增益控制方法后系统 得到的各个像元的响应值。系统中采用的是12位的模数转换芯片，输入范围 是-5V +5V。通过像元增益控制方法，焦平面器件的信号在送入模拟转换之前 由8%左右的非均匀性降低到1%左右，。实验表明该专利技术具有良好的可实现性， 如果要进一步扩大系统的动态范围，可以适当增加模拟开关的数目。表1<table>table see original document page 7</column></row><table>12im ooiioiii im131111 10110111 1111141111 11010111 1111151111 1011oiii mi161111 11010111 1111171111 10110111 1111181111 1101om mi191111 1011om mi200111 1011om im211U001110111 1111220111 10110111 111123mi oiii0111 111124111001110111 1111这里简要分析一下应用该专利技术后如何增加系统的动态范围。首先可以通过图5来解释由于各像元的响应非均匀性引起的动态范围损失。图5中横坐标① 表示到达红外焦平面成像系统各个像元的辐射能量，V表示探测器像元的响应 电压值。由于像元之间的响应差异，各个像元在同一辐射通量下的响应电压值 并不是一样的。假设在入射辐射通量为A时响应电压值最小的探测元C输出电压值为Vmta，响应最大的探测元A输出电压值为Vp当入射辐射通量为0)2时响应最大的探测元B输出电压值为Vmax，响应最小的探测元D输出电压值为V2。如果V^-Vm^是系统所能够接受的模拟电压输入范围，通过上面的假设可以知道只有入射辐射通量在0广02之间时焦平面器件的所有像元才都能正常响应，所以这时系统的动态范围是0广①2。焦平面器件探测元的响应函数在不考虑非线性的情况下是一系列本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于红外焦平面成像系统的像元增益控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：Ａ．采用传统红外焦平面成像系统信息处理方法，使系统的探测目标为标准黑体，调整黑体温度，使得焦平面探测器中响应最大的探测元刚刚达到饱和，记录下此时焦平面成像系统所有探测元的响应信号Ｎ↓［１１］、Ｎ↓［２１］……Ｎ↓［ｍｎ］，找出这些响应信号中的最小值Ｎ↓［ｊｋ］，计算得到Ｎ↓［ｊｋ］／Ｎ↓［１１］、Ｎ↓［ｊ］／Ｎ↓［２１］……Ｎ↓［ｊ］／Ｎ↓［ｍｎ］的值并存储下来；Ｂ．根据步骤Ａ获得的各探测元的响应信号的比值，确定与之匹配的最佳增益值所对应的８个模拟开关的通断状态，建立各探测元的以模拟开关通断状态所代表的２进制值编码表；Ｃ．将从步骤Ａ、Ｂ获得的２进制值编码表中的数据输入只读存储器ＲＯＭ中；Ｄ．采用具有像元增益控制模块（５）的红外焦平面成像系统信息处理系统，在每个像元信号输入期间通过控制模拟开关的通断状态达到实时调整电路增益的目的，调整后的信号经过右边的射级跟随电路输出。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘银年，李春来，陈小文，孙德新，张明涛，谢仁飚，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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