专利名称：光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法
技术领域：
本发明涉及一种提高光电系统中探测信号信噪比的方法，具体地说，是用于小动态范围探测器信号的提高信噪比的实时处理方法。
背景技术：
在光电系统中探测器输出信号的电子学处理对系统的信噪比有很大的影响。目前红外焦平面等新型光电探测器的使用对信号处理提出了新的要求。如图1所示，通常使用连续积分-采集方式，系统的对目标动态信号响应的高信噪比在输入功率一定的情况下，靠延长系统的积分时间来实现。虽然这种积分时间的延长会引起信号的混叠，但只要积分时间不大于系统的采样周期，这种程度的混叠是可以接受的。但对于目前类似红外焦平面一类的探测器，由于其动态范围较小，如果积分时间太长，系统中的直流偏置信号将使探测器饱和，使探测器无法探测系统中的动态信号，因此无法采用长的积分时间来提高信噪比。
因此，到目前为止，在采用红外焦平面的光电系统中，由于暗电流和背景辐射较大，探测器的饱和积分时间远比系统的采样周期短，如果没有特别的处理方法，将对系统的信噪比有很大的限制。
发明内容
如上所述，如何在采用红外焦平面的光电系统中提高其探测信号的信噪比乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的在于提供一种适合光电系统使用的电子学处理方法，使系统在采用这种小动态范围探测器的情况下，有效地提高信噪比。
本发明的过采样和信号累加的处理方法，包括把系统的一个采样周期细分成多个积分-采样-探测器复位小周期，并将每一小期的采样模拟量进行模数转换，然后对这些数字量进行数值累加，最后对量加数字量进行处理并予以输出。
进一步，所述细分成小周期包括将一幅图像细分成至少等于1的N个子帧和将每一个子帧细分成至少等于1的K个像元的步骤，所述N＝1，256或2048；所述K＝1，256或2048；所述对所有小周期之采样数字量的累加处理步骤是一个实时处理步骤或事后处理步骤。
本发明的优点是采用本发明的处理方法后，系统的信噪比有显著的提高，其提高程度与采用的多次采样次数有关，采样次数越多，信噪比提高越多。
同采用连续积分来提高信噪比的方法相比，本发明的处理方法并不对信号产生更多的混叠，并不降低系统的时间或空间分辨能力。
本发明的处理方法是一种实时处理方法，系统的输出可以保持和连续积分的方法一致。
由于本发明的处理方法是一种模拟和数字混合的处理方法，因此，有比较大的灵活性，可以方便地改变采样和累加的次数，包括使用遥控的方法实现，适合在空间应用。
特别是本发明的处理方法的数字累加可以由硬件实现，也可以由软件的方法实现，甚至可以采用事后处理的方法，即保存多次采样的数据，在需要的时候才做累加处理。
图1是已有的光电系统连续积分-采样方式的信号处理流程图。
图2是本发明的光电系统信号处理流程图。
图3是本发明的一个实施例结构示意图。
图4是图2所示的本发明的实施例的电路方块图。
图5是本发明的另一实施例的程序流程图。
图6是本发明的一个事后处理的实施例硬件机构示意图。
图7是本发明的一个事后处理的实施例流程图。
具体实施例方式下面结合图2～图5对本发明的具体实施方式
作详细介绍本发明采用图2中的过采样和信号累加方式，由于探测器的饱和积分时间远小于一个系统采样积分时间，因此，可以把这一个系统积分采样周期先细分成连续多个积分-采样-探测器复位过程(小周期)，每个过程完成后，探测器继续下一个过程。实际的积分时间在探测器饱和积分时间内尽可能取大。每一过程中的采样结果被转换成数字量，并进行累加，取适当的高位作为输出。和已有的连续积分-采样方式相比可以看出，过采样和信号累加方式将一个系统积分-采样周期进行了细分和累加处理。
针对带串行读出电路的多元探测器输出的信号处理的数学过程如图3所示。一次完整的串行读出构成一个数据子帧，其中可以包含K元数据，如果做N次累加，就是将此N个子帧的数据按列累加，得到包含K元数据的一帧数据。当然，K和N均应是大于等于1的整数，例如1、256或2048等。
一、硬件实现方式针对如图3所示的带串行读出电路的多元探测器输出的信号处理的硬件实现方式是以如图4所示的一个加法器10和缓存器20为核心来实现的。
在一个统一的时续电路11控制之下，模拟信号采集器12提供一个连续的模拟信号，由采样和模数转换单元13在一个正常的采样周期内进行连续多次的采样和转换，形成多个细分采样周期，得到多个有一定时间间隔的子帧数据，利用加法器10和缓存器20实现各个子帧数据的累加。每一个正常采样周期的启始，也就是一个正常采样周期中第一个子帧读取之前，将缓存器20清零，然后依次读取各个子帧数据，并和缓存器20中的数据按字相加，累加的结果重新存入缓存器20中，将此前的数据覆盖，子帧的长度和累加的次数由两个计数器(子帧字地址计算器21和累加次数控制循环计数器22)控制。当子帧累加的次数满后，将累加的结果作为帧数据通过图像数据存储器30缓存后输出。
二、软件实现方式上述的数学过程也可以利用软件实时完成，主要操作是数据的读写和加法。
在一个统一的时续电路控制之下，对于一个连续的模拟信号，在一个正常的采样周期内连续多次的采样和A/D转换，形成多个细分采样周期，得到多个有一定时间间隔的子帧数据，将这些子帧数据累加后作为正常的图像帧数据。软件实现的主要功能在子帧数据的累加，在此之前的子帧数据的形成还是有硬件来完成。完成子帧数据的累加需要的操作如下首先需要设置子帧的长度(步骤101)和累加的次数(步骤102)作为循环计数控制的初值。然后根据子帧长度和累加后的数据位数开辟数据的缓存区。在帧数据的开始须将此数据缓存区清零(步骤103)。每个子帧数据按字的顺序依次写入寄存器(步骤104)，和缓存区中相应的字的数据相加(步聚105)，然后将相加的结果刷新缓存区(步骤106)。执行步骤107，判断一个子帧的数据的写入是否结束，若未结束，返回步骤104。若结束，则执行步骤108和步骤109，判断累加次数是否满？若未满，返回执行步骤104，直至累加次数满后，执步骤1010将缓存区的数据作为帧数据存入图像数据存储器，并返回执行步骤103，重复前述步骤。
三、事后处理方式通过图像存储后的处理方法可以将上述的各个子帧的数据全部存储下来，然后在需要的时候对数据做处理。这种事后处理方式当然也可以是软件或硬件，实现的框图或流程图可以参考图6、图7，这样处理的优点是处理更加灵活，可以随时随意调整累加次数，但需要更多的数据存储空间。
图像存储后的处理首先按子帧存储的数据读出送加法器，然后按字累加。累加的子帧数随时反复设定。累加的操作和上述实时处理一样。但整个处理可以根据效果，反复进行。
参照图4和图6可知，事后硬件处理方式与实时硬件处理方式，硬件的结构差异主要是把连续模拟信号采集器12改用子帧数据存储器14；把细周期采集和模拟转换器13改用子帧数据读取单元15，其余结构均无需更动，这是显然的，因为事后处理是对储存信息的处理。
参照图5和图7可知，事后软件处理方式与上述实时软件处理方式，软件的程序差异主要是事后的软件处理增加了步骤1011，即图像显示，步骤1012，即对图像的质量予以判断，若不满意，返回执行步骤102，设置或修改累加次数N，若满意，则执行步骤1013，程序执行结束。
权利要求
1.一种光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法，其步骤包括将一个系统积分-采样周期细分成多个积分-采样-探测器复位小周期，并将每一小周期的采样模拟量进行模数转换，然后将一个系统积分采样周期内的所有小周期的采样的数字量累加，最后对累加数字量进行处理并予以输出。
2.根据权利要求1所述的光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法，其特征在于所述将一个系统积分-采样周期细分成多个积分-采样-周期细分成多个积分-采样-探测器复位小周期的步骤包括将一幅图像细分成至少等于1的N个子帧的步骤和将每一个子帧细分成至少等于1的K个像元的步骤。
3.根据权利要求1所述的光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法，其特征在于所述K个像元，K＝1或256或2048。
4.根据权利要求1所述的光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法，其特征在于所述N个子帧，N＝1或256或2048。
5.根据权利要求1所述的光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法，其特征在于所述对所有小周期采样数字量的累加处理步骤是实时处理步骤或事后处理步骤。
全文摘要
本发明公开了一种光电探测器小动态范围信号的过采样和累加的处理方法。该方法适用于小动态范围或短积分时间的探测器的信号处理，该方法在不损失系统的时间或空间分辨能力的前提下可以有效地提高系统的信噪比。该方法将一个系统积分－采样周期细分成多个积分—采样—探测器复小周期，并对每一小周期的采样的模拟量进行A/D转换和对数字量进行累加。本发明的优点是采用模拟数字混合处理的方法提高信噪比，处理方法灵活。
文档编号G08C13/00GK1588469SQ20041006622
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月9日 优先权日2004年9月9日
发明者傅雨田, 张滢清 申请人:中国科学院上海技术物理研究所