像元信号输出方法及红外焦平面探测器的读出电路与流程

1.本技术涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种像元信号输出方法及红外焦平面探测器的读出电路。


背景技术：

2.红外焦平面探测器是将不可见的红外辐射转换成可测量的信号(如电压、电流)的器件，其具有低发现率、强抗干扰力、高度环境适应能力、较强的目标辨认能力以及体积小重量轻等优点，因此广泛应用于地质资源勘探、天文探测、医疗等领域。近年来，随着红外技术应用越来越广泛，当前的应用背景对红外焦平面探测器提出高分辨率、高灵敏度、超大电荷处理能力、智能化小型化的探测要求，这就促使红外焦平面探测器不断地发展。
3.数字化红外焦平面探测器作为典型的三代红外焦平面产品，其特点在于利用数字化红外读出电路，将输入的光电流信号在探测器的输入源头即被转化为抗干扰能力强的数字域信号，读出电路对数字域信号进行运算传递，最终仍然以数字格式将探测信号输出，从而能够减少信号从红外焦平面探测器到电路板级的复杂处理过程，避免了外部电路带来噪声的可能性。其次，数字化红外读出电路受像元面积限制小，探测器可以在长积分时间下实现超大电荷处理能力，这对提高探测器灵敏度有显著的作用。另外，数字域信号参与片上功能运算更加灵活，在数字化红外焦平面读出电路上更容易实现大量的片上信号处理功能，实现红外焦平面探测器智能化小型化，同时利用长积分时间，焦平面探测器的电荷处理量、信噪比、灵敏度等性能也得到了极大的提高。目前对像素级数字化红外探测器的研制已经进入白热化。像素级数字化读出电路的实现，得力于不断进步日趋成熟的cmos集成电路制造工艺及不断缩小的工艺特征尺寸也为像素级数字化读出电路的大电荷处理能力、高分辨率、高集成度提供了实现的可能。
4.小像元面积数字化红外探测器，光电流较小，需要通过延长积分时间来获取更多的电荷信号进而获得更高的探测灵敏度；但针对有特定帧频要求而无法通过延长积分时间来获取更多电荷信号和高灵敏度的小像元面积数字化红外焦平面探测器则无法适用。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种像元信号输出方法及红外焦平面探测器的读出电路，以解决有特定帧频要求无法通过延长积分时间来获取更多电荷信号和高灵敏度的小像元面积数字化红外焦平面探测器的电荷处理能力和探测灵敏度较差的技术问题。
6.第一方面，本技术提供了一种像元信号输出方法，所述方法包括：
7.将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；
8.在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；
9.在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；
10.根据所述合并积分获得对应的合并积分信号，根据所述独立积分获得对应的独立积分信号；
11.根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号。
12.在一实施例中，在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分之前，所述方法还包括：
13.将相邻的2*2个像元作为一个像元块。
14.在一实施例中，所述根据所述合并积分获得对应的合并积分信号包括:
15.根据所述合并积分利用模数转换器获得对应的合并积分信号。
16.在一实施例中，所述根据所述独立积分获得对应的独立积分信号包括:
17.根据所述独立积分利用模数转换器获得对应的独立积分信号。
18.在一实施例中，所述根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号包括：
19.将每个像元块的合并积分信号作为基准信号；
20.将每个像元块内每个像元的独立积分信号作为差异信号；
21.对所述基准信号和所述差异信号进行运算，输出每个像元的像元数字信号。
22.在一实施例中，输出像元数字信号之后，所述方法还包括：
23.对所述像元数字信号进行盲元替代和非均匀性校正算法设计，输出替代和校正后的像元数字信号。
24.在一实施例中，所述盲元替代算法设计包括相邻像元替换方法。
25.在一实施例中，所述非均匀性校正算法设计包括增益补偿方法。
26.第二方面，本技术提供了一种红外焦平面探测器的读出电路，所述红外焦平面探测器的读出电路包括：
27.划分电路，用于将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；
28.合并电路，用于在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；
29.独立电路，用于在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；
30.获得电路，用于根据所述合并积分获得对应的合并积分信号，根据所述独立积分获得对应的独立积分信号；
31.输出电路，用于根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号。
32.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
33.本技术实施例提供的该方法，能提高小像元面积红外焦平面探测器的电荷处理能力和探测灵敏度。
附图说明
34.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术实施例提供的一种像元信号输出方法的流程示意图；
37.图2为本技术应用实施例提供的一种焦平面全阵列2
×
2像元块组合分配示意图；
38.图3为本技术应用实施例提供的一种相邻2
×
2像元块积分工作的原理示意图；
39.图4为本技术实施例提供的一种红外焦平面探测器的结构示意图。
具体实施方式
40.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.图1为本技术实施例提供的一种像元信号输出方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括：
42.步骤101：将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；
43.步骤102：在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；
44.步骤103：在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；
45.步骤104：根据所述合并积分获得对应的合并积分信号，根据所述独立积分获得对应的独立积分信号；
46.步骤105：根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号。
47.本实施例方法可适用于因帧频固定而无法延长积分时间的小像元面积红外焦平面读出电路。
48.具体地，本实施例将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；通过合并积分和独立积分实现像元的像元数字信号输出。
49.这里，像元合并积分时间和像元独立积分时间的分配，可基于焦平面探测器的实际应用条件进行设定，例如探测器光电流信号大小、噪声电子数、探测器灵敏度等。
50.具体地，在一实施例中，在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分之前，所述方法还包括：
51.将相邻的2*2个像元作为一个像元块。
52.当然，实际应用时，像元块的大小可基情况进行设定，可不限定于相邻的2*2个像元的规模大小。
53.在一实施例中，所述根据所述合并积分获得对应的合并积分信号包括:
54.根据所述合并积分利用模数转换器获得对应的合并积分信号。
55.这里，可选用电荷计数型adc完成数字化信号转换。每个像元块连接一个电荷计数型adc，每个像元块的合并积分信号存储于该电荷计数型adc中。
56.在一实施例中，所述根据所述独立积分获得对应的独立积分信号包括:
57.根据所述独立积分利用模数转换器获得对应的独立积分信号。
58.这你，可选用电荷计数型adc完成数字化信号转换。每个像元连接一个电荷计数型adc，每个像元的独立积分信号存储于该电荷计数型adc中。
59.在一实施例中，所述根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号包括：
60.将每个像元块的合并积分信号作为基准信号；
61.将每个像元块内每个像元的独立积分信号作为差异信号；
62.对所述基准信号和所述差异信号进行运算，输出每个像元的像元数字信号。
63.实际应用时，为实现在有限的积分时间内每个像元具备超大电荷处理能力，可将所述基准信号分别与所述差异信号进行相加，将相加后的信号作为每个像元的像元数字信号。在输出时，可按顺序依次将像元块内每个像元的像元数字信号进行输出。输出时，可通过输出总线进行输出。
64.在一实施例中，输出像元数字信号之后，所述方法还包括：
65.对所述像元数字信号进行盲元替代和非均匀性校正算法设计，输出替代和校正后的像元数字信号。
66.具体地，所述盲元替代算法设计包括相邻像元替换方法。
67.以相邻像元替换方法对盲元进行信号替换，盲元定位通过串行外设接口(spi)实现。通过串行外部接口(spi)实现盲元替代，可降低电路物理实现版图的面积消耗。
68.另外，所述非均匀性校正算法设计包括增益补偿方法。进行非均匀性校正的算法设计，将全阵列所有像元的数字化积分信号通过算法处理后输出，采用非均匀性校正算法可以有效地提高红外探测器各像元积分信号的一致性。
69.本实施例提供的方法能在有限的积分时间内进一步提高小像元面积红外焦平面探测器的电荷处理能力和探测灵敏度。
70.本技术实施例提供的像元信号输出方法，将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；根据所述合并积分获得对应的合并积分信号，根据所述独立积分获得对应的独立积分信号；根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号。本技术实施例提供的方案能提高小像元面积红外焦平面探测器的电荷处理能力和探测灵敏度。
71.下面，将结合应用实施例对本技术进行详细说明。
72.本实施例提供一种小像元面积数字化红外焦平面读出电路实现方法。本实施例方法采用像元分时复用合并-独立积分的像元积分方式，并通过电荷包计数型adc完成像元ad转化，最后结合片上信号处理技术实现了超大电荷处理量、高灵敏度、高集成度的红外焦平面探测器读出电路设计。这种设计方法不仅在原理上容易理解，在后期的版图设计上也更加简单，实现起来非常容易
73.具体地，小像元面积数字化红外焦平面读出电路的实现方法，可包括下列步骤：
74.步骤a：将红外焦平面探测器(即每个像元)积分时间合理分配为两个部分，像元合并积分与独立积分的积分时间；
75.步骤b：在合并积分时间内，将2
×
2像元块内相邻的4个像元进行合并积分并完成数字化转换；
76.步骤c：合并积分后，在独立积分时间内，焦平面各像元单独积分并完成数字化转换；
77.步骤d：以2
×
2个像元作为运算处理单元，将各像元合并积分与独立积分的数字化信号进行累加运算处理；
78.步骤e：对像元进行盲元替代、非均匀性校正算法设计，并将替代后以及校正后的像元数字信号依次输出。
79.其中，在所述步骤a中，将焦平面有限的积分时间合理地分为两部分，第一部分为由相邻4个像元组成的2
×
2像元块合并积分时间，第二部分为各像元独立积分时间。两部分时间分配时，应充分考虑焦平面探测器的实际应用条件，探测器光电流信号大小、噪声电子数、探测器灵敏度等因素。另外，具体设计时可根据探测器规模、像元间距、探测目标特性等因素改变像元块的规模，像元块规模不局限与2
×
2。
80.其中，在所述步骤b中，在合并积分时间内，将2
×
2像元块内的相邻4个像元进行合并积分，并将每2
×
2像元块内4个像元的合并积分信号通过1个电荷计数型adc完成数字化信号转换。
81.其中，在所述步骤c中，在独立积分时间内，各像元分别独立积分，并将各自的积分信号通过电荷计数型adc中的多位计数器完成数字化信号转换，此步骤中每个像元单独有一套adc。
82.另外，在所述步骤d中，以步骤b中进行合并积分的2
×
2个像元为单位，将相邻4个像元合并积分的数字化信号作为4个像元公共的基准信号，将4个像元独立积分的数字化信号作为差异信号，将基准信号与每个像元的差异信号进行运算后，作为每个像元的像元数字化输出信号。
83.另外，在所述步骤e中，进行盲元替代算法设计，将以相邻像元替换方法对盲元进行信号替换，盲元定位通过串行外设接口(spi)实现。在所述步骤e中，还需要进行非均匀性校正的算法设计，将全阵列所有像元的数字化积分信号通过算法处理后输出，采用非均匀性校正算法可以有效地提高红外探测器各像元积分信号的一致性。
84.依照本设计发明的小像元面积数字化红外焦平面读出电路实现方法，在有限的积分时间内实现了各像元分时复用合并-独立积分，各像元积分信号在像元单元内完成低噪声、高线性度的ad转换及合并信号与独立信号的累加运算，通过算法设计实现盲元替代、非均匀性校正功能，进一步提高了小像元面积红外探测器的电荷处理能力、灵敏度和集成度，在有限的积分时间内，为甚高灵敏度红外焦平面探测器的实现提供了可能性。
85.另外，参见图2和图3，图2为焦平面全阵列2
×
2像元块组合分配框图；图3为本发明设计的相邻2
×
2像元块积分工作的原理示意框图。
86.如图2所示，相邻行/列的4个像元组成一个2
×
2像元块，合并积分以2
×
2像元块为积分单位，合并积分的数字信号作为该像元块中4个像元的基准信号，独立积分的数字信号作为每个独立像元的差异信号，设计时应根据具体的应用背景考虑基准信号与差异信号之间的权重分配。
87.如图3所示，为实现在有限的积分时间内提高每个像元的电荷处理能力，保证读出电路芯片具有超大电荷处理能力以及高的灵敏度，设计中采取以下具体措施：
88.首先，将有限的积分时间分为两个部分，合并积分时间与独立积分时间。
89.其次，将相邻的2
×
2规模像元作为一个像元块合并积分，合并积分时4个像元积分信号通过同一个低噪声、高线性度的电荷计数型adc，将模拟域电流信号转化为数字域信
号，并将合并积分数字化信号存储在多位寄存器m中作为4个像元的基准信号。
90.再次，在独立积分时间内，每个像元单独积分，每个像元积分信号通过各自的低噪声、高线性度的电荷计数型adc，将独立积分时间内的模拟域电流信号转化为数字域信号，并将各自的独立积分信号分别存储在多位寄存器n1～n4中。
91.然后，为实现在有限的积分时间内每个像元具备超大电荷处理能力，将寄存器m中的数字域信号分别与寄存器n1～n4中的数字域信号相加，相加后的信号作为4个像元的输出信号按顺序从输出总线中输出。
92.最后，通过算法设计结合串行外部接口(spi)实现盲元替代以及非均匀性校正功能；为降低电路物理实现版图的面积消耗，盲元替代功能采用相邻像元替换的方法、非均匀性校正算法采用增益补偿的方法实现。
93.本实施例中的一种小像元面积数字化红外焦平面读出电路实现方法，在小像元面积内实现各像元分时合并-独立积分同时完成ad转换以及数字化积分信号整合；利用集成电路片上信号处理算法实现盲元替代和非均匀性校正功能。大大提高了在有限的积分时间内红外焦平面探测器的电荷处理能力、信噪比，使得小像元面积红外焦平面探测器具有更高灵敏度，集成度更大。同时，该设计方法理解简单且容易操作和实现。
94.本实施例提供了一种红外焦平面探测器的读出电路，所述红外焦平面探测器的读出电路包括：
95.划分电路，用于将像元的积分时间划分为像元合并积分时间和像元独立积分时间；
96.合并电路，用于在像元合并积分时间内，完成每个像元块内所有像元的合并积分；
97.独立电路，用于在像元独立积分时间内，完成每个像元块内每个像元的独立积分；
98.获得电路，用于根据所述合并积分获得对应的合并积分信号，根据所述独立积分获得对应的独立积分信号；
99.输出电路，用于根据所述合并积分信号和所述独立积分信号进行算法运算，输出像元数字信号。
100.如图4所示，本技术实施例提供了一种红外焦平面探测器，包括处理器111、通信接口112、存储器113和通信总线114，其中，处理器111，通信接口112，存储器113通过通信总线114完成相互间的通信，
101.在本技术一个实施例中，处理器111实现前述任意一个方法实施例提供的方法的步骤。
102.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
103.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。