专利名称：凝视型数字tdi短波红外微光成像仪及成像方法
技术领域：
本发明涉及一种红外成像仪，具体涉及一种凝视型数字TDI短波红外微光成像仪及成像方法，它应用于光电成像领域中的短波红外成像和微光成像领域。
背景技术：
微光成像技术在安全、工业、科学研究等领域有着广泛的应用需求。微光成像仪是利用月光、星光等夜空辉光，以及仪器自身补光，对目标的反射光信号进行采集、成像。短波红外成像仪的工作波段一般在O. 9 μ πΓ2· 5 μ m，其成像原理与人眼可见光成 像相同，都是捕捉目标反射光，因此相比捕捉目标热辐射成像的红外热像仪更接近目视成像效果，易于实时监控时的目标辨认。夜空辉光中，该波段的能量明显优于其他波段；且短波红外光不被人眼所见，仪器自带补光器进行照明仍能保持隐蔽，因此该波段非常适合夜间进行微光安防监控。微光条件下，入射光信号很弱，因此提高仪器的信噪比是微光成像仪的技术难点。除了采取补光、前置增强器等方法增加入射到探测器表面的能量以外，以探测器为核心的光电转换系统也需要特殊的高灵敏度设计。以往提高短波红外成像系统信噪比的手段有三一是优化电路设计，降低探测器读出电路以及电子学的噪声；二是选用大电荷增益探测器件；三是延长积分时间。目前，读出电路以及电子学的噪声在诸多产品当中已经得到良好的抑制，很多相机的电路噪声达到光子噪声限，接近设计极限。利用大电荷增益的探测器也可以有效提升微光条件下的信噪比，但该措施会牺牲一定的动态范围，因此电荷增益的增幅受其制约，不能无限扩大。延长积分时间获取有效信号的同时，系统结构的背景辐射也被短波红外探测器更多地捕捉到，占据了一定的动态范围，也带来了背景辐射噪声，尤其在弱信号探测中，背景辐射甚至会淹没有效信号。因此，通过增大积分时间来增大短波红外成像系统的信噪比，其效果在微光条件下也十分有限。时间延迟积分(Time Delay Integration)技术是增强小积分条件下信噪比的有效方法，它最早应用于可见光CCD器件，通过对同一目标的多次曝光、叠加，实现信号增强，提高信噪比。CCD器件的结构本身易于实现线列扫描TDI功能，而短波红外探测器的原理与之有所差别，要实现TDI功能只能在数字域进行叠加。以往的各种TDI方式，无论是探测器本身完成TDI还是数字域TDI，都属于线列扫描TDI，因此只能用于高速光机扫描成像，比如机载、星载遥感器。而本发明应用于地基观测平台的区域监控设备，此类设备一般采用结构简单、可靠性高的凝视成像，因此线列扫描TDI并不适用于这类仪器。
发明内容
本发明旨在提供一种利用数字整帧TDI技术获取高信噪比图像的凝视型短波红外微光成像仪。如附图1所示，系统包括短波红外镜头，短波红外LED灯，探测器组件及电子学，图像数据缓存器，带有数字整帧TDI模块的主控系统以及显示装置。所述探测器组件采用大电荷增益短波红外探测器。所述电子学包括探测器驱动电路和采集电路。所述图像数据缓存器可用高速大容量RAM实现。它分为原始图像数据乒乓存储区、叠加图像数据存储区和最终图像数据存储区3个存储分区。其数据位宽需要根据最高TDI级次以及A/D转换器位数进行计算，保证容量可以满足叠加图像数据存储要求。假设A/D转换器位数为X，最高TDI级数为n，则存储器数据宽度y需要满足y ^ x+log2 η。存储一帧图像数据需要的空间为存储器位宽与一帧像元数目的乘积。原始图像数据乒乓存储区的大小等同于两帧图像数据的大小，最终图像数据存储区和叠加图像数据存储区的大小等同于一帧图像数据的大小。 所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，可以是单片机、DSP、FPGA等逻辑控制芯片。它的主要职能包括控制短波红外LED灯的开关，控制探测器及电子学工作，实现图像存储与数字整帧TDI的逻辑控制，完成图像输出。主控系统控制各部分工作顺序如下1、主控系统控制打开一定数量的LED补光灯进行补光照明。2、主控系统配置参数，包括探测器工作参数以及TDI级数η和动态范围补偿系数m。如果探测器需要制冷则预先完成制冷。3、探测器开始工作，获取的图像信号经A/D转换后送入图像数据缓存器的原始图像数据乒乓存储区。4、按照下文所述的数字整帧TDI算法，完成η级TDI叠加运算。5、根据设置的动态范围补偿系数m，完成动态范围补偿，在图像数据缓存器的最终图像数据存储区获得最终图像数据。6、主控系统读取最终图像数据，转发至存储与显示设备，完成一次成像。所述整帧数字TDI功能的实现步骤如附图2所示步骤1:主控系统根据需求设置TDI级数为n，补偿系数为m。步骤2 :将图像数据缓存器中的所有数据赋值为“O”。步骤3 :探测器组件及电子学获得I帧图像，将全帧图像存入图像数据缓存器的原始图像数据乒乓存储区。步骤4 :主控系统读取图像数据缓存器中原始图像数据乒乓存储区以及叠加图像数据存储区中的数据，将对应像元的数据相加，再存入叠加图像数据存储区的相应位置。假设原始图像存储区每个像元的灰度值为A(i，j)，叠加图像存储区每个像元在进行该步骤前的灰度值为B (i，j)，完成该步骤后的灰度值为C(i，j)，其中i和j分别代表面阵探测器的行列号。则该步骤满足C(i, j)=A(i, j)+B(i, j)步骤5 :重复第3步和第4步，共η次，则此时全帧图像共进行了 η次叠加，存储在图像数据缓存器中的叠加图像数据存储区中。步骤6 :主控系统从图像数据缓存器的叠加图像数据存储区读取步骤5中得到的叠加图像，将每个像元的灰度值C(i，j)都除以补偿系数m，得到最终图像数据，存入图像数据缓存器中的最终图像数据存储区。
假设最终图像数据每个像元灰度值为D (i, j)，则本步骤满足D(i, j)=C(i, j)/m补偿系数的设置可以根据TDI级数及图像信号的强弱灵活调整。假设原始图像最强处灰度值为饱和值的+，则理想的m值应满足''《 。这样输出图像的有效位数与A/D转换器位宽一致，且动态范围经过线性拉伸。由于成像时图像数据源源不断地从A/D转换器进入图像数据缓存器，因此设置乒乓存储，如附图3所示。当奇数帧图像数据到来时，原始图像存入乒乓存储B区，而主控系 统读取A区图像进行TDI算法；当偶数帧图像数据到来时，原始图像存入乒乓存储A区，而主控系统读取B区图像进行TDI算法。经过上述整帧数字TDI步骤以后，可以实现与传统线列扫描数字TDI —样的效果。它与传统TDI —样，都是对目标进行η次曝光，叠加，最终实现信噪比提升的效果。不经TDI时，信噪比的计算方法是
NSNR= e ，其中分子凡为探测器光电转换后得到的信号电子数，分母
^iVe + JSread
^Ne +N2read为光子噪声和读出噪声NMad (包括电子学噪声)叠加而成的总等效噪声电子数。微光成像时，虽然入射能量弱，但选用的短波红外探测器电荷增益一般很大，按照现在电子学与探测器读出电路的设计水平，依然可以满足光子噪声#远大于读出噪声Nread的条件，因而信噪比接近^。经过η级TDI之后，信号增加η倍，噪声近似增加士倍，所以信噪比近似提升^倍。以往的线列扫描TDI以行为叠加单位，逐行叠加实现TDI，因此适用于扫描成像，例如机载、星载遥感器，借助高精度光机扫描系统获取二维图像。而数字整帧TDI以帧为单位，逐帧叠加实现TDI，适用于凝视成像，比如地基或车辆平台的安全监控。特别是微光夜视这样亟需利用TDI技术提高信噪比的场合，可以不用借助复杂笨重的光机扫描就完成凝视TDI成像，轻巧灵便，可靠性高。数字整帧TDI把全帧图像在电子学系统中进行多次叠加，叠加级次不受探测器行数限制，只要拍摄时间和存储容量允许，理论上可以实现无限级次的TDI，很大程地度提高图像信噪比。另外，数字整帧TDI在叠加时，图像数据缓存器中叠加图像数据存储区的数据存储位宽大于A/D转换器输出图像数据的位宽(具体位宽值由最高TDI级数计算)，保证叠加后的值不会溢出，这也就等效地提升了动态范围；同时，该方法带有动态范围补偿功能，叠加完毕后的存储值除以补偿系数m，保证输出图像数据不会饱和。因此，本发明中的整帧数字TDI可以满足多级次叠加而最终图像不会饱和。本发明适合夜间区域监控。短波红外光在夜空辉光中的能量明显高于其他波段，是夜间成像的理想波段。该波段成像原理与人眼可见光成像相同，易于实时监控时的目标辨认。使用的短波红外补光灯进行补光，光源不为人眼所见，使得监控设备不易被发现，隐蔽性好。
成像仪选用高增益的探测器件，优化设计的电子学来降低等效噪声，成像方式采用简单可靠的凝视成像。但由于短波红外成像仪受到系统结构背景辐射的影响，凝视积分时间不可过长，因此采用整帧数字TDI技术提高仪器信噪比。特别是一般的LED补光灯功率小，能量不集中，照明效果随距离增加迅速衰减，利用该技术可以延长有效观测距离，提高照明不足区域和阴暗区域的成像质量。本发明也可用作车载或手持式夜间巡视仪器。
附图1为本发明的总框图。附图2为本发明的数字整帧TDI工作流程图。附图3为本发明的乒乓缓存示意图。
具体实施例方式按照本发明附图1展示的系统框图，本发明包括短波红外镜头选用小F数镜头增强聚光，其他参数根据所需分辨率和观测距离选取。本实施例采用意大利OPTEC公司的0B-SWIR200/2. 4，焦距200mm，F数2. 4。短波红外LED及驱动电路(2):若干补光照明LED灯安置于镜头四周，发光朝向与镜头观测方向一致，LED个数根据观测环境可灵活增减。所用LED灯的波长可以覆盖短波红外的各个波段，观测目标时信息相对完整。驱动电路根据需要选择恒压或恒流源驱动。本实施例使用选用俄国IBSG公司生产的各个波长的短波红外LED。探测器组件及电子学(3):短波红外探测器选用大电荷增益面阵探测器，提高微光条件下观测性能。本实施例选用法国Sofradir公司的500X256MCT探测器。电子学包括偏压供给、探测器驱动、模拟信号采集以及A/D转换。本实施例的A/D转换器采用IObit位宽，速率和采集路数根据探测器确定。本例采用2路读出，每路8MpixelS/S，帧频90Hz，积分时间最大11ms。图像数据缓存器该存储器采用高速大容量RAM，其数据宽度根据需要的最高TDI级数以及A/D转换器位数求得。根据发明内容中的算法，假设A/D转换器位数为X，最高TDI级数为n，则存储器数据宽度y需要满足y彡x+log2 η,以保证图像在叠加过程中不会饱和。本实施例中，A/D转换器为10位，设最高TDI级数为64，则需要选用16位RAM作为图像数据缓存器。RAM容量需要能够存满4幅整帧图像，其中2帧图像数据的空间作为原始图像数据乒乓存储区，I帧图像数据的空间作为叠加图像数据存储区，I帧图像数据的空间作为最终图像数据存储区。存储速度要匹配探测器输出速率。本例中，RAM容量需大于500X256X16bitX4=8. 2Mbit，存储读写速率为 8Mpixels/sX 2=16MHz (16bit 位宽)。主控系统本实施例采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA。主控系统控制补光灯开关，向探测器及电子学提供驱动和采集时序，配合图像缓存器控制数字整帧TDI时序，并完成向存储及显示设备传输图像数据。存储与显示设备可选用配有高速数据接口的PC机、工控机；便携场合使用高速闪存以及嵌入式系统配合液晶显示屏完成。数据通信速率需满足最低TDI级数下(I级TDI，即无TDI计算，直接图像输出，此时输出速率最快)的图像输出速率要求。本例中假设帧频90Hz，则最快数据速率为500X256X16bitX90Hz=185Mbit/s。该数据速率用高速PCI板卡或LVDS接口来实现。本发明一次完整成像时间为探测器帧频倒数与TDI级数的乘积，假设TDI级数设置为8，帧频90Hz，则一次成像时间为O. 09s。本发明还包括电源管理、计算机参数配置软件、计算机数据传输与显示软件等环节。本实施例中，输入电源为直流28V，通过DC-DC分供各个部分，有主控系统操作继电器，控制各个部分的通断电。参数配置软件在PC机上实现，采用VC6. O编写，通过RS422通信接口由PC机连接至主控系统，负责控制探测器、制冷机的开关，以及配置数字整帧TDI的级数以及动态范围补偿系数。采集软件采用LabView编写，数传接口为高速PCI接口。便携 场合的电源可由蓄电池提供，软件由嵌入式系统直接编写。
权利要求
1.一种凝视型数字TDI短波红外微光成像仪，包括短波红外镜头，短波红外LED灯，探测器组件及电子学，图像数据缓存器，带有数字整帧TDI模块的主控系统以及存储与显示装置，其特征在于 所述图像数据缓存器分为原始图像数据乒乓存储区、叠加图像数据存储区和最终图像数据存储区3个存储分区，其数据位宽需要根据最高TDI级次进行计算，保证容量可以满足叠加图像数据存储要求，存储一帧图像数据需要的空间为存储器位宽与一帧像元数目的乘积，原始图像数据乒乓存储区的大小等同于两帧图像数据的大小，最终图像数据存储区和叠加图像数据存储区的大小等同于一帧图像数据的大小； 所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，采用单片机、DSP或FPGA逻辑控制芯片，它的主要职能包括控制短波红外LED灯的开关，控制探测器及电子学工作，实现图像存储与数字整帧TDI的逻辑控制，完成图像输出； 系统工作时，主控系统根据需要控制短波红外LED灯进行补光，目标光信号通过短波红外镜头、探测器组件及电子学完成成像，获取原始图像数据；图像数据由缓存器保存，经数字整帧TDI模块与图像数据缓存器的共同工作后，完成整帧TDI，再经由主控系统将最终图像数据输出至存储与显示设备。
2.一种基于权利要求1所述的凝视型数字TDI短波红外微光成像仪的成像方法，其特征在于包括以下步骤 1):主控系统根据需求设置TDI级数n，补偿系数m； 2):将图像数据缓存器中的所有数据赋值为“0”； 3):探测器组件及电子学获得I帧图像，将全帧图像存入图像数据缓存器的原始图像数据乒乓存储区； 4):主控系统读取图像数据缓存器中原始图像数据乒乓存储区以及叠加图像数据存储区中的数据，将对应像元的数据相加，再存入叠加图像数据存储区的相应位置，假设原始图像存储区每个像元的灰度值为A (i，j)，叠加图像存储区每个像元在进行该步骤前的灰度值为B(i，j)，完成该步骤后的灰度值为C (i，j)，其中i和j分别代表面阵探测器的行列号，该步骤满足C(i, j)=A(i, j)+B(i, j)； 5):重复步骤3)和步骤4)共n次，则此时全帧图像共进行了n次叠加，存储在图像数据缓存器中的叠加图像数据存储区中； 6):主控系统从图像数据缓存器的叠加图像数据存储区读取步骤5)中得到的叠加图像，将每个像元的灰度值都除以补偿系数m，得到最终图像数据，存入图像数据缓存器中的最终图像数据存储区。
全文摘要
本发明公开了一种凝视型数字TDI短波红外微光成像仪及成像方法。该仪器包括短波红外镜头，短波红外LED灯，探测器组件及驱动采集电路，图像数据缓存器，带有数字整帧TDI模块的主控系统以及存储与显示装置。数字整帧TDI模块将探测器输出的图像数据实时地在数字域进行整帧时间延迟积分计算。地基平台的夜间监控大多为简单可靠的凝视成像，因此不能采用以往的线列扫描TDI技术来提高信噪比。本发明提出的数字整帧TDI技术适于凝视成像，它可以实现很高的TDI级数，显著提高微光成像质量，并能灵活调整图像动态范围。本发明适用于需要一定隐蔽性的夜间安防监控，以及危险区域的车载或手持式夜间巡逻应用。
文档编号H04N5/355GK103024299SQ20121050623
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者郎均慰, 王跃明, 庄晓琼, 王晟玮, 鲍智康, 肖喜中, 陈杨 申请人:中国科学院上海技术物理研究所