红外探测方法与流程

1.本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外探测方法。


背景技术：

2.红外探测与可见光探测相比，在某些方面具有不可替代的优势。首先，由于红外辐射来源于物体自身，不需要外加光源就能够探测。这种“被动”式探测，在夜视和某些无光照的极端场合是十分重要的。其次，地球大气中存在3个对红外辐射吸收和散射很小的“窗口”，红外辐射在这3个窗口波段是“透明的”，这种透明性使得红外辐射探测技术在自由空间通信联络、军事技术、遥感技术和天文学中获得了重要而广泛的应用。再次，在大气窗口之外的红外波段，红外辐射在许多其他介质中衰减也较小，利用这种性质发展许多非接触式、非破坏性的检测技术。最后，红外辐射直接来自于热源，它携带着使热源自身得以辨识的信息，探测红外辐射可以获知有关辐射源或吸收介质的大量信息。
3.随着科学技术的发展，红外探测在军事、民用和医学等各方面正得到越来越广泛和深入的应用。但现有红外探测器的像元输出信号噪声较高，导致输出图像的信噪比较低，对远距离目标探测产生严重影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提供一种红外探测方法，结合多种方式降低红外探测器的像元输出信号噪声，提高红外探测器输出图像的信噪比，进一步增加探测距离。
5.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
6.本发明提供的红外探测方法，包括如下步骤：
7.s1、对进入红外探测器内的光线进行像移补偿，保证在红外探测器的积分时间内待测目标始终在相同的像元上进行曝光，获得曝光信号；
8.s2、延时预设时间待曝光信号的输出电压稳定后，对输出电压进行过采样与均值滤波处理后转换为曝光信号的输出电压幅值，获得目标图像。
9.进一步地，在步骤s2中，对输出电压进行过采样与均值滤波处理的过程，包括如下步骤：
10.s201、通过模数转换器对曝光信号的输出电压进行m次采样并传输至fpga芯片；其中，m≥2；
11.s202、通过fpga芯片求取m次采样的输出电压的平均值，作为曝光信号的输出电压幅值。
12.进一步地，延时预设时间、红外探测器的积分时间与曝光信号的输出时间之和小于等于快速反射镜一个行程的时间。
13.进一步地，通过温度传感器对红外探测器的温度进行检测，当红外探测器的温度达到预设温度时，启动红外探测器。
14.进一步地，预设时间小于等于100ns。
15.进一步地，在启动红外探测器后，通过快速反射镜的反向匀速转动，对进入红外探测器内的光线进行反向像移补偿。
16.本发明取得的有益效果如下：
17.1、通过快速反射镜对进入红外探测器内的光线进行像移补偿，保证在红外探测器的积分时间内待测目标始终在相同像元上进行曝光，在实现高清晰度目标成像的同时，可提高目标图像的信噪比；
18.2、模数转换器在延时一段时间后进行曝光信号的输出电压采集，保证起始采样时刻曝光信号的输出电压已稳定；
19.3、对曝光信号的电压进行过采样与滤波处理，可以滤除曝光信号的噪声，提高曝光信号的信噪比。
附图说明
20.图1是本发明实施例的红外探测系统的结构框架示意图；
21.图2是本发明实施例的红外探测方法的流程示意图；
22.图3是本发明实施例的红外探测器曝光开始时刻的时序控制示意图；
23.图4是本发明实施例的曝光信号输出及过采样的时序关系示意图；
24.图5是本发明实施例的曝光信号的过采样的时序示意图；
25.图6是本发明实施例的过采样降低曝光信号噪声的原理示意图；
26.图7是本发明实施例的电压调理、滤波及全差分驱动电路的电路结构示意图；
27.图8是本发明实施例的电压调理、滤波及全差分驱动电路上升时间的仿真结果示意图；
28.图9是本发明实施例的电压调理、滤波及全差分驱动电路下降时间的仿真结果示意图。
29.其中的附图标记包括：系统电源1、偏置电压驱动电路2、红外探测器3、电压调理、滤波及全差分驱动电路4、模数转换器5、fpga芯片6、温度传感器7、cameralink接口8。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明提供的红外探测方法基于红外探测系统实现，在介绍红外探测方法之前，先对红外探测系统的组成架构进行说明。
32.图1示出了本发明实施例的红外探测系统的结构框架。
33.如图1所示，本发明实施例的红外探测系统，包括：快速反射镜、系统电源1、偏置电压驱动电路2、红外探测器3、电压调理、滤波及全差分驱动电路4、模数转换器5、fpga芯片6、温度传感器7和cameralink接口8。
34.系统电源1与偏置电压驱动电路2连接，偏置电压驱动电路2与红外探测器3连接，
系统电源1向偏置电压驱动电路2提供电源电压，偏置电压驱动电路2将电源电压转换为红外探测器3所需的偏置电压，为红外探测器3供电。
35.本发明的一个示例中，偏置电压驱动电路2采用基准电压输出芯片与精密运算放大器设计红外探测器3所需的多路偏置电压。更为具体地，高精度基准电压源ltc6655芯片输出1.25v基准电压，应用精密运算放大器ada4523对该1.25v基准电压进行电平转换，1.25v电压信号输入运放同向输入端，采用滑动变阻器进行输出电压调节，运放匹配电阻值应尽可能小，避免引入更多的电阻热噪声，提高输出电压精度。
36.温度传感器7与fpga芯片6连接，fpga芯片6与系统电源1连接，温度传感器7用于实时感应红外探测器3的温度，当红外探测器3的温度达到预设温度后，向系统电源1发送控制信号，驱动系统电源1向红外探测器3供电并进行时序控制。在fpga芯片6内设计逻辑程序，生成红外探测器3所需的时序控制信号，实现对红外探测器3的时序驱动。
37.红外探测器3用于对成像目标进行曝光，获得曝光信号，形成目标图像。
38.快速反射镜用于在目标曝光成像过程中对目标进行反向的像移补偿，具体地，在红外探测器3曝光过程中的积分时间内，快速反射镜对进入红外探测器3的光线进行反向的像移补偿，保证成像目标一直在相同的像元上进行曝光。
39.电压调理、滤波及全差分驱动电路4用于接收曝光信号的输出电压，控制该输出电压的稳定时间。
40.模数转换器5与fpga芯片6连接，用于对曝光信号的输出电压进行过采样，并将采样数据传输至fpga芯片6，通过fpga芯片6进行均值滤波处理后形成目标图像，存储于fpga芯片6的外接存储器中，最后通过cameralink接口8输出目标图像。
41.本发明的另一个示例中，模数转换器5选型adi公司的ltc2387
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18芯片完成电压信号的采集，该芯片最高采样速率为15msps，18bit的模数转换分辨率，与16bit分辨率的adc芯片相比，其可进一步降低模数转换过程带来的量化噪声，提高图像的动态范围，输出码值通过lvds接口连接进入fpga芯片6，完成数据的驱动与信号采集。adc芯片外围采用了基准电压芯片输出adc芯片参考电压、多种噪声滤波电路以及抖动抑制的采样触发电路来进一步降低adc芯片噪声，实现高速、低噪声的数据采集功能。
42.下面结合红外探测系统对本发明提供的红外探测方法进行详细说明。
43.图2示出了本发明实施例红外探测方法的流程。
44.如图2所示，本发明实施例提供的红外探测方法，包括如下步骤：
45.s1、对进入红外探测器内的光线进行像移补偿，保证在红外探测器的积分时间内待测目标始终在相同像元上进行曝光，获得曝光信号。
46.由于在扫描探测目标的同时进行红外探测器成像，在红外探测器的积分时间内成像目标将在红外探测器的多个像元上产生曝光信号，成像目标投射到红外探测器上的能量将被多个像元均分，导致目标图像的信噪比显著下降，因此本方法在启动红外探测器对成像目标进行探测时采用快速反射镜反向追踪成像目标，在红外探测器曝光时的积分时间内对进入红外探测器的光线进行反向的像移补偿，保证在积分时间内成像目标一直在相同的像元上进行曝光，使成像目标的能量集中在几个特定像元上而不被分散，在实现高清晰度目标成像的同时，进一步提高目标图像的信噪比。
47.当曝光结束后快速反射镜需回到初始位置，进行下一次成像的像移补偿。由于快
速反射镜需要完成反向加速、均速像移补偿、反向减速、正向加速等运动过程，因此上述成像探测过程的图像输出频率主要由快速反射镜的工作频率决定，在快速反射镜的工作频率的制约下，红外探测系统的图像输出频率最高频率为125hz，本发明将红外探测系统的图像输出频率设定在125hz。需要说明的是，红外探测系统的图像输出频率可以向下调整。
48.在红外探测器对成像目标曝光后，需要输出曝光信号，以进行模数转换，由于快速反射镜的工作频率较低，而像元曝光时间很快，为了等待快速反射镜回到初始位置，曝光信号具有较长的输出时间，如图3所示。
49.本发明的核心改进之处在于，利用曝光信号充足的输出时间，采用延时 过采样与均值滤波处理，来降低曝光信号的噪声，提高曝光信号的信噪比，达到提高目标图像信噪比的目的，从而增加探测距离。
50.在本发明中的一个具体示例中，采用分辨率为320
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256(81920像元)、可8通道同时输出曝光信号的红外探测器。由于受到快速反射镜工作频率的限制，单帧曝光及曝光信号输出时间为8ms，根据上述时间周期，本发明采用1.5mhz的探测器驱动信号(mc)对红外探测器进行时序驱动，设定红外探测器的最长积分时间为1724mc(1.15ms)，积分时间可向下任意调整。红外探测器需要10240mc(6.83ms)时间完成全部曝光信号的输出，具体的时序关系如图4所示。上述设计的主要目的为尽可能采用更低频率的探测器驱动信号完成积分时间、曝光信号输出的时序控制，保证在8ms时间内可以完成单帧图像的输出，而低频率的探测器驱动信号的应用有以下两点好处：
51.1、低频率的探测器驱动信号可以降低红外探测器的功耗，减少探测器芯片的发热，对于维持相同的低温环境，制冷机功耗也将进一步降低；
52.2、单个mc时间可实现一个曝光信号的输出，低频率的探测器驱动信号使曝光信号的输出时间变长，因此可在更长的曝光信号的输出时间内实现对曝光信号的多次采样，通过过采样方式降低曝光信号的噪声，提高红外探测系统的信噪比与探测距离。
53.需要说明的是，积分时间的调整方式为通过调整积分时间持续的主时钟周期数(1724周期)来调整积分时间，在125hz图像输出频率的情况下，积分时间只能向下调整，如果图像输出频率降低，则积分时间可以向上调整。
54.s2、延时预设时间待曝光信号的输出电压稳定后，对输出电压进行过采样与均值滤波处理后转换为曝光信号的输出电压幅值，获得目标图像。
55.在步骤s2中，对输出电压进行过采样与均值滤波处理的过程，包括如下步骤：
56.s201、通过模数转换器对曝光信号的输出电压进行m次采样并传输至fpga芯片；其中，m≥2。
57.红外探测器对成像目标曝光后产生的曝光信号先被电压调理、滤波及全差分驱动电路接收，通过电压调理、滤波及全差分驱动电路使曝光信号的输出电压在预定时间内稳定下来，再传输至模数转换器进行模数转换。
58.延时预设时间是指模数转换器延时一定时间后进行电压采样，曝光信号的输出电压的稳定时间即为模数转换器的延时采样时间，模数转换器的延时采样时间还可以长于曝光信号输出电压的稳定时间。
59.模数转换器的延时采样时间、红外探测器的积分时间与曝光信号的输出时间之和要小于或等于快速反射镜一个行程的时间。
60.作为优选地实施方式，模数转换器的延时采样时间、红外探测器的积分时间与曝光信号的输出时间之和等于快速反射镜一个行程的时间，在曝光信号输出完成后，快速反射镜刚好回到初始位置，进行下一次成像的像移补偿。
61.s202、通过fpga芯片求取m次采样的输出电压的平均值，作为曝光信号的输出电压幅值。
62.过采样与均值滤波是指对在单个曝光信号输出时，对其进行多次采样，然后取平均值，以滤除曝光信号的噪声。
63.单个曝光信号的输出及过采样的时序关系如图5所示，将延时的预定时间设为100ns，曝光信号在其驱动信号的下降沿时刻开始输出，延时100ns后应用采样频率为15mhz的模数转换器完成对该曝光信号的多次采集。采用频率是曝光信号输出频率10倍的模数转换器延时100ns后仍可对该曝光信号进行9次采样，将上述9次采样的数据在fpga芯片内进行均值运算，将9次采样的数据加合求平均后的计算结果作为曝光信号的输出电压幅值。上述操作依次进行，可以对所有像元曝光后产生的曝光信号进行过采样与均值滤波的操作，将所有像元的曝光信号对应的模数转换码值存储于fpga芯片的外接存储器中，通过cameralink接口输出当前帧图像数据。
64.本发明提供的红外探测器在无光线照射的情况下，曝光信号的幅值为4.8v，而当照射到红外探测器上的光线产生的电子充满红外探测器的积分电容时，曝光信号的幅值为1.6v，如图6所示，曝光信号的输出电压接近满量程1.6v，同时在曝光信号输出之前该输出接口的电平为4.8v，上述电压变化范围代表了曝光信号的输出电压在切换过程中的最大电压变化范围，因此设定在最大电压变化范围的情况下，电压达到预定输出值的下降时间小于100ns。在稳定于特定输出电压值时，模拟信号必然叠加多种噪声信号，使其输出幅值一直处于电压波动状态，因此本发明设计采用10倍于曝光信号输出频率的adc芯片进行模拟数字转换，对曝光信号的输出电压进行多次采样求均值，进而滤除曝光信号的噪声，提高曝光信号信噪比。
65.当然，本发明也可以采用采样频率是曝光信号输出频率其它倍数的模数转换器对曝光信号进行多次采样，过采样的次数在本发明中不做具体限定。
66.在multisim软件中建立如图7所示的电压调理、滤波及全差分驱动电路的仿真模型，并在模拟信号输入端接入1.6v～4.8v与4.8v～1.6v的阶跃仿真波形，通过合理选型运算放大器通频带与设置低通滤波器通频带，保证在模拟信号输入端接入阶跃幅值最大的输出电压情况下，曝光信号的输出电压的稳定时间小于100ns，保证模数转换器在开始采样时，曝光信号的输出电压已维持稳定。
67.如图8所示，输入电压由1.6v跳变到4.8v时，该电路的输出电压由
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4.0v跳变到 4.0v且电压跳变过程的稳定时间小于100ns，满足电压稳定要求。
68.图9所示，输入电压由4.8v跳变到1.6v时，该电路的输出电压由 4.0v跳变到
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4.0v且电压跳变过程的稳定时间小于100ns，也满足电压稳定要求。通过上述电压调理、滤波及全差分驱动电路的仿真结果可以证明电压调理、滤波及全差分驱动电路满足电压幅值调理、低通滤波以及全差分驱动的设计要求，输出电压范围为
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4.0v～ 4.0v，满足后续模数转换器对输入电压范围的要求，且可在曝光信号输出电压100ns后对该电压进行多次采样。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
70.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
71.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。