专利名称：红外模拟探测器及其设计方法
技术领域：
本发明属于红外热成像技术领域，特别是一种红外模拟探测器及其设计方法。
背景技术：
凝视型制冷红外焦平面探测器是目前应用和发展非常广泛及迅速的一种红外探测器。其具有灵敏度高，可分辨温差小等优势，是目前军民两用中极为重要的红外探测装置。目前最主流的凝视型制冷探测器材料为HgCdTe材料，就目前的使用情况来看，这种材料的探测率最高，但是其也具有自身的制造技术难点。其中最大的问题就是在焦平面薄膜的生长过程中，HgCdTe材料中各元素的组分控制较为困难，同时其薄膜的生长方式的选择也决定了 HgCdTe材料晶格中存在位错，表面交叉，孪晶等现象，目前使用最多的生长方式分子外延生长术(MBE)已经能够较好的控制上述这些问题，但是这种生长方式需要在高温和长时间的人力监控下进行，且生长效率不高，成品率低。我国目前已经生产出首批凝视型中波制冷红外探测器，但是成品率低，数量很少；同时，国产探测器制冷机的工作寿命较短，不利于探测器的长时间工作，在实际使用过程中会出现明显的老化及性能下降现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外模拟探测器及其方法，能够通过参数的设置，完成对实际探测器功能和性能两方面的模拟，并且可以与实际探测器的成像电子学组件直接相连，以预先对电子学组件上的各种功能部件和内部的算法效果进行调试和验证，大大缩短项目的开发周期，同时又可以保护实际探测器。实现本发明目的的技术解决方案为一种红外模拟探测器，分为硬件架构和软件控制两部分，在硬件架构中，由DSP+FPGA芯片组成中央处理单元，由SRAM芯片构成数据存储模块，SDRAM、FLASH芯片构成程序执行模块，由外部总接口、A/D芯片构成接收外部驱动信号模块，接收外部驱动信号模块包括与红外成像电子学组件的驱动电路的接口、偏置电压过压监测模块、上电顺序检测模块，模拟信号输出模块包括将中央处理单元中输出的数字信号转换为模拟信号的D/A芯片和进行信号增强的放大电路，软件控制部分为一个上位机软件控制台，通过串口命令将上位机的指令直接发送给中央处理单元，从而完成对模拟探测器各种模型参数和功能参数的修改；系统开始工作时，首先将红外成像电子学组件和外部总接口相连，由接收外部驱动信号模块完成对外加信号的自检和接收，继而由用户对需要模拟的探测器类型及探测器性能特征进行设置，由中央处理单元生成模拟红外图像视频流，最终由模拟信号输出模块将该数字视频流转换为模拟信号，并增强放大后向外输出，该输出信号由与之连接红外成像电子学组件按照实际探测器的方式进行接收，完成模数转换及算法处理操作。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)能够通过上位机软件中的参数设置功能方便的对模拟探测器进行配置，可以自由的选择输出图像的格式以及各种图像特性在模拟探测器中所占的比重。(2)针对目前我国自主研发的凝视型制冷探测器成品率较低且成本较高的问题，本套系统可以在使用实际探测器之前预先完成对后端红外成像电子学组件功能和内部算法性能的调试，同时测试驱动电路提供的信号的正确性和安全性，可以避免出现驱动电路在长时间工作后出现不稳定现象而损坏探测器。(3)模拟探测器系统的设计和提出能够使得更多的科研人员在没有实际探测器的条件下也加入到该领域的研究中来，为我国红外热成像技术水平的提升具有重要的意义。(4)本套红外模拟探测器，能够通过参数的设置，完成对实际探测器功能和性能两方面的模拟，并且可以与实际探测器的成像电子学组件直接相连，以预先对电子学组件上的各种功能部件和内部的算法效果进行调试和验证，大大缩短项目的开发周期，同时又可以保护实际探测器。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是模拟探测器硬件设计结构图。图2是模拟探测器系统工作总流程图。图3是实际探测器的条纹非均勻性与模拟图像条纹非均勻性效果对比，其中(a)，(b)为两种不同的实际探测器的条纹非均勻性特征，(b) (d)为本发明中的模型计算产生的条纹非均勻性特征效果对比。图4是加入了列通道增益非均勻性和未加入列通道增益非均勻性的模拟图象的对比，其中(a)为加入了列通道增益非均勻性的模拟图像，(b)为未加入列通道增益非均勻性的模拟图象。图5是加入噪声模型的图像，其中(a)为加入了一种噪声特征的图像，(b)为加入了两种噪声特征的图像，(c)为加入了三种噪声特征的图像，(d)为加入了四种噪声特征的图像。图6是加入了盲元模型的图像，其中(a) (b) (c) (d)为不同的盲元等级设置下的含有盲元的模拟图像。图7是模拟探测器红外图像模拟流程图。
具体实施例方式本发明红外模拟探测器分为硬件架构和软件控制两部分，在硬件架构中，由DSP+FPGA芯片组成中央处理单元，由SRAM芯片构成数据存储模块，SDRAM、FLASH芯片构成程序执行模块，由外部总接口、A/D芯片构成接收外部驱动信号模块，接收外部驱动信号模块包括与红外成像电子学组件的驱动电路的接口、偏置电压过压监测模块、上电顺序检测模块，模拟信号输出模块包括将中央处理单元中输出的数字信号转换为模拟信号的D/A芯片和进行信号增强的放大电路，软件控制部分为一个上位机软件控制台，通过串口命令将上位机的指令直接发送给中央处理单元，从而完成对模拟探测器各种模型参数和功能参数的修改；系统开始工作时，首先将红外成像电子学组件和外部总接口相连，由接收外部驱动信号模块完成对外加信号的自检和接收，继而由用户对需要模拟的探测器类型及探测器性能特征进行设置，由中央处理单元生成模拟红外图像视频流，最终由模拟信号输出模块将该数字视频流转换为模拟信号，并增强放大后向外输出，该输出信号由与之连接红外成像电子学组件按照实际探测器的方式进行接收，完成模数转换及算法处理操作。
本发明红外模拟探测器结构如图1所示，包括上位机、DSP芯片、FPGA芯片、A/D芯片、SDRAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片、电源管理系统、D/A芯片、外部总接口，上位机与DSP芯片连接，电源管理系统为整个系统供电，DSP芯片通过VP 口和EMIF 口连接到FPGA芯片上的IO 口，实现实时数据流的交换与采集，SRAM芯片通过数据线与地址线连接到FPGA芯片的IO 口上，用于存储在系统运行过程中各个模型的计算参数以及图像缓存，SDRAM芯片和FLASH芯片通过地址线与数据线和DSP芯片相连，用于存储DSP芯片中的程序以及在系统上电工作时将FLASH芯片内的程序快速读入SDRAM芯片中，使DSP芯片正常运行；A/D芯片为模数转换芯片，其上的模拟输入口与外部接口相连，用以将用户制作的驱动电路中的偏置电压模拟信号接收并转换为数字信号，同时其数字输出口与FPGA芯片相连，将偏置电压转换成的数字信号送入FPGA芯片中由FPGA芯片进行实时检测；D/A芯片为数模转换芯片，其上的数字口与FPGA芯片连接，将DSP芯片、FPGA芯片送出的数字视频流转换为模拟视频流，同时其上的模拟口与外部总接口连接，将该模拟视频流输出，以供用户采集使用；外部总接口直接与FPGA、A/D、D/A芯片连接，实现用户与模拟探测器系统的视频流数据交换以及偏置电压采集；上位机通过串口与DSP芯片的UART 口连接，将用户命令发送至DSP芯片中来对本系统进行参数设置和其他控制方式。本发明红外模拟探测器的工作流程如图2所示。(1)模拟探测器工作时，首先给模拟探测器通电，连接上位机与DSP芯片之间的通讯端口，在上位机的用户界面中选择需要外驱动或内驱动的工作模式，当内驱动工作模式被选中后，模拟探测器自行工作，当外驱动工作模式被选中后，通过外部总接口连接外部驱动电路和模拟探测器，此时DSP芯片内部会先进行保护探测器功能，即上电顺序检查，数字时序检查以及偏置电压过压检查，若其中任何一项不能够正确执行，则认为此次上电未能通过，需要重新检查外部驱动电路的输出，若三项检查均没有问题则认为此次上电通过；
(2)上电通过后，DSP芯片会向上位机发送数据请求，向上位机获取用户设置的模拟探测器各项参数，包括用户预设的模拟黑体辐射温度、非均勻性水平、各项探测器固有噪声参数、盲元水平，同时DSP+FPGA芯片还会根据接收到的外部驱动电路中提供的偏置电压计算出其方均根值，并将该值的大小作为噪声标准参数加入到红外图像仿真生成中；
(3)DSP芯片收到了用户设定的各项参数后利用探测器条纹非均勻性模型、列通道非均勻性模型、盲元统计规律模型、总噪声模型来计算并产生仿真图像；
(4)当DSP+FPGA芯片完成了图像的生成就开始按照预设的输出时序将图像通过数字图像和D/A芯片转换后的模拟图像方式一起输出，其中，数字图像直接被后端的图像处理电路接收，模拟图像信号进入外部驱动电路来验证其性能的好坏；
(5)上位机会在DSP芯片的运行过程中等待用户对各项参数的值进行修改，当用户修改某一或某几个参数后，上位机向DSP芯片发送新的数据，DSP芯片接收到这些数据后会在下一帧图像发送之前根据修改后的数据产生新的图像，并将其送出。本发明中，最重要的就是与产生红外模拟图像密切相关的几种模型。由于焦平面制作工艺和材料的关系，对于红外成像器件来说，非均勻性问题在相当长的一段时间内无法得到很好的解决，其已经作为探测器的一项重要特征而存在。非均勻性是可以描述为一种性质稳定，在空间上具有一定结构特征的空间噪声。不同的制作方法，不同的材料所生产出来的探测器其焦平面非均勻性都各不相同，但总体来说都可以理解为是行列方向上的横竖条纹组成的网格状图案，有些焦平面的非均勻性在某一方向上的条纹重，有些则两者兼有。通过二维傅里叶变换将实际探测器的条纹非均勻性特征在频率域内显示出来，如图3(a) (c)，对该条纹非均勻性的形状进行分析，利用其数学特征，通过下式在频率域内为图像上的行列条纹非均勻性建模，即利用探测器条纹非均勻性模型来计算得到红外模拟图像的步骤如下在条纹非均勻性模块中，将用户选择好维度大小的一副初始化图像中的每个像素点按顺序带入条纹非均勻性模型中进行计算，得出每个点的模拟响应值大小，这时，该模型就会为均勻图像加上不同程度的行列条纹非均勻性，行方向和列方向上的条纹幅度由用户设定，DSP+FPGA芯片根据用户配置的参数大小决定何种方向的条纹更加明显；其中，在频率域内为图像上的行列条纹非均勻性模型为
权利要求
1.一种红外模拟探测器，其特征在于分为硬件架构和软件控制两部分，在硬件架构中，由DSP+FPGA芯片组成中央处理单元，由SRAM芯片构成数据存储模块，SDRAM、FLASH芯片构成程序执行模块，由外部总接口、A/D芯片构成接收外部驱动信号模块，接收外部驱动信号模块包括与红外成像电子学组件的驱动电路的接口、偏置电压过压监测模块、上电顺序检测模块，模拟信号输出模块包括将中央处理单元中输出的数字信号转换为模拟信号的D/A芯片和进行信号增强的放大电路，软件控制部分为一个上位机软件控制台，通过串口命令将上位机的指令直接发送给中央处理单元，从而完成对模拟探测器各种模型参数和功能参数的修改；系统开始工作时，首先将红外成像电子学组件和外部总接口相连，由接收外部驱动信号模块完成对外加信号的自检和接收，继而由用户对需要模拟的探测器类型及探测器性能特征进行设置，由中央处理单元生成模拟红外图像视频流，最终由模拟信号输出模块将该数字视频流转换为模拟信号，并增强放大后向外输出，该输出信号由与之连接红外成像电子学组件按照实际探测器的方式进行接收，完成模数转换及算法处理操作。
2.根据权利要求1所述的红外模拟探测器，其特征在于包括上位机、DSP芯片、FPGA芯片、A/D芯片、SDRAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片、电源管理系统、D/A芯片、外部总接口，上位机与DSP芯片连接，电源管理系统为整个系统供电，DSP芯片通过VP 口和EMIF 口连接到FPGA芯片上的IO 口，实现实时数据流的交换与采集，SRAM芯片通过数据线与地址线连接到FPGA芯片的IO 口上，用于存储在系统运行过程中各个模型的计算参数以及图像缓存，SDRAM芯片和FLASH芯片通过地址线与数据线和DSP芯片相连，用于存储DSP芯片中的程序以及在系统上电工作时将FLASH芯片内的程序快速读入SDRAM芯片中，使DSP芯片正常运行；A/D芯片为模数转换芯片，其上的模拟输入口与外部接口相连，用以将用户制作的驱动电路中的偏置电压模拟信号接收并转换为数字信号，同时其数字输出口与FPGA芯片相连，将偏置电压转换成的数字信号送入FPGA芯片中由FPGA芯片进行实时检测；D/A芯片为数模转换芯片，其上的数字口与FPGA芯片连接，将DSP芯片、FPGA芯片送出的数字视频流转换为模拟视频流，同时其上的模拟口与外部总接口连接，将该模拟视频流输出，以供用户采集使用；外部总接口直接与FPGA、A/D、D/A芯片连接，实现用户与模拟探测器系统的视频流数据交换以及偏置电压采集；上位机通过串口与DSP芯片的UART 口连接，将用户命令发送至DSP芯片中来对本系统进行参数设置和其他控制方式。
3.一种利用权利要求1或2所述的红外模拟探测器实现的模拟探测方法，其特征在于步骤如下(1)模拟探测器工作时，首先给模拟探测器通电，连接上位机与DSP芯片之间的通讯端口，在上位机的用户界面中选择需要外驱动或内驱动的工作模式，当内驱动工作模式被选中后，模拟探测器自行工作，当外驱动工作模式被选中后，通过外部总接口连接外部驱动电路和模拟探测器，此时DSP芯片内部会先进行保护探测器功能，即上电顺序检查，数字时序检查以及偏置电压过压检查，若其中任何一项不能够正确执行，则认为此次上电未能通过，需要重新检查外部驱动电路的输出，若三项检查均没有问题则认为此次上电通过；(2)上电通过后，DSP芯片会向上位机发送数据请求，向上位机获取用户设置的模拟探测器各项参数，包括用户预设的模拟黑体辐射温度、非均勻性水平、各项探测器固有噪声参数、盲元水平，同时DSP+FPGA芯片还会根据接收到的外部驱动电路中提供的偏置电压计算出其方均根值，并将该值的大小作为噪声标准参数加入到红外图像仿真生成中；(3)DSP芯片收到了用户设定的各项参数后利用探测器条纹非均勻性模型、列通道非均勻性模型、盲元统计规律模型、总噪声模型来计算并产生仿真图像；(4)当DSP+FPGA芯片完成了图像的生成就开始按照预设的输出时序将图像通过数字图像和D/A芯片转换后的模拟图像方式一起输出，其中，数字图像直接被后端的图像处理电路接收，模拟图像信号进入外部驱动电路来验证其性能的好坏；(5)上位机会在DSP芯片的运行过程中等待用户对各项参数的值进行修改，当用户修改某一或某几个参数后，上位机向DSP芯片发送新的数据，DSP芯片接收到这些数据后会在下一帧图像发送之前根据修改后的数据产生新的图像，并将其送出。
4.根据权利要求3所述的红外模拟探测实现的方法，其特征在于步骤(3)中，利用探测器条纹非均勻性模型来计算得到红外模拟图像的步骤如下在条纹非均勻性模块中，将用户选择好维度大小的一副初始化图像中的每个像素点按顺序带入条纹非均勻性模型中进行计算，得出每个点的模拟响应值大小，这时，该模型就会为均勻图像加上不同程度的行列条纹非均勻性，行方向和列方向上的条纹幅度由用户设定，DSP+FPGA芯片根据用户配置的参数大小决定何种方向的条纹更加明显；其中，在频率域内为图像上的行列条纹非均勻性模型为
5.根据权利要求3所述的红外模拟探测实现的方法，其特征在于步骤(3)中，利用盲元统计规律模型来计算得到红外模拟图像的步骤如下在条纹非均勻性模型计算完成之后，图像上的每个像素点的值已经发生的改变，所有的像素被加入了一个偏置值，此时便通过盲元模型来为图像增加盲元，当用户在外界选择需要计算盲元时，在该模型中会根据传递进来的图像的分布情况以及偏压的噪声分布情况，利用“3￡Γ”选择方式，将处于“3 CT分布之外的像素点的模拟值线性增大，提高其亮度，使这些点在图像上看起来更像盲元；其中，利用盲元模型来进行盲元的判断并叠加
6.根据权利要求3所述的红外模拟探测实现的方法，其特征在于步骤(3)中，利用探测器列通道非均勻性模型来计算得到红外模拟图像的步骤如下含有非均勻性和盲元的图像进入列通道增益非均勻性模型后，该列通道非均勻性模型根据用户设置的列通道增益非均勻性等级参数以及FLASH芯片中预先存储好的多项式曲线系数来计算出当前的每一列通道的增益大小，并将该值叠加到图像的维度信息中去，这样刚才的图像中就会以列为单位将其数字值乘以计算出来的增益，从而使模拟的红外图像按照实际探测器的列通道读出行为产生通道之间的差异，更加接近实际的情况；其中，列通道非均勻性模型来对该曲线进行描述
7.根据权利要求3所述的红外模拟探测实现的方法，其特征在于步骤(3)中，利用探測 器总噪声模型来计算得到红外模拟图像的步骤如下利用各种噪声的单边功率谱密度函数 万Gri构造以积分时间为主要參量的各种时间噪声模型如下光子噪声
全文摘要
本发明公开了一种红外模拟探测器及其方法，分为硬件架构和软件控制两部分，由DSP+FPGA芯片组成中央处理单元，由SRAM芯片构成数据存储模块，SDRAM、FLASH芯片构成程序执行模块，由外部总接口、A/D芯片构成接收外部驱动信号模块，接收外部驱动信号模块包括与红外成像电子学组件的驱动电路的接口、偏置电压过压监测模块、上电顺序检测模块，模拟信号输出模块包括将中央处理单元中输出的数字信号转换为模拟信号的D/A芯片和进行信号增强的放大电路，软件控制部分为一个上位机软件控制台，通过串口命令将上位机的指令直接发送给中央处理单元，从而完成对模拟探测器各种模型参数和功能参数的修改。本发明可以自由的选择输出图像的格式以及各种图像特性在模拟探测器中所占的比重。
文档编号G01J5/00GK102564597SQ20111045661
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者于雪莲, 何伟基, 刘宁, 季尔优, 左超, 张桥舟, 张闻文, 樊晓青, 毛义伟, 王士绅, 路东明, 钱惟贤, 陈钱, 隋修宝, 顾国华 申请人:南京理工大学