专利名称：一种可实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实时去背景的非制冷红外焦平面阵列成像系统，尤其是一种利用红外传感器部分像元实时监测背景、噪声信号，用以实时修正红外图像的非制冷红外焦平面阵列成像系统。
背景技术：
传统的红外热成像系统受成本、体积、重量、功耗等问题的影响，在工程应用推广的过程中受到很大的限制。近年来兴起的基于MOEMS技术的微悬臂梁焦平面阵列(focal plane array, FPA)热成像系统，是一种非制冷红外焦平面成像系统，该系统不需要制冷，不需要扫描，在体积、重量、功耗各方面有较大的优势，往工程应用方面有较好的应用前景，目前受到了很多研究机构的重视。基于MOEMS技术的微悬臂梁焦平面阵列(focal plane array, FPA)热成像系统， 采用焦平面阵列器件FPA作为红外图像传感器，该器件是一种由热膨胀系数相差较大的两种材料组成的梁构成的阵列。当微悬臂梁吸收红外辐射温度上升，双材料层之间达到热平衡后，由于两种材料的热膨胀系数差别较大，它们之间的应力将使梁产生弯曲，弯曲量与微悬臂梁吸收的热量成正比。探测每个梁的变形程度并组成阵列，即可以得到FPA探测到得外界红外辐射场的分布。1996年，Oak Ridge National Lab 的 Thomas Thundat 等人验证了双材料微悬臂梁用于红外探测器的可行性；1997年美国加州大学伯克利分校的Majumdar研究小组开展了基于光学干涉读出方式和非制冷双材料微悬臂梁焦平面阵列，并在2001年首次获得了 an 远处人体的热图像。之后许多研究机构开展了系统研究。有文献表明，目前有样机的NETD 已经达到了 IOOmk以下。稳定性、可靠性是非制冷红外焦平面成像系统能否得到工程应用推广的关键指标之一。影响非制冷红外焦平面成像系统稳定性、可靠性的因素主要有两个方面，一方面是器件性能的制约，另一方面是系统整体设计水平。在器件性能无法得到进一步提升的情况下， 如何利用系统整体设计提高非制冷红外焦平面阵列成像系统工作稳定性和可靠性，是的非制冷红外焦平面成像技术的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是针对提高光读出非制冷红外焦平面阵列成像系统工作稳定性、可靠性的问题，提供一种可实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统方案，可以有效去除背景、噪声、环境振动等因素对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性。本发明的目的是由以下技术方案来实现①本发明的可实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，包括红外成像光路、 FPA、FPA变形读出系统、图像采集及处理系统。②该系统的成像特点是红外成像系统将外界红外辐射聚焦成像在FPA上，FPA阵列像元产生相应的变化；其变形量被FPA变形读出系统测量并以灰度图的形式传递给图像采集与处理系统；图像采集与处理系统对接收到的灰度图进行处理，输出图像。③该系统的FPA以及图像采集与处理系统中的CCD，其不同的区域分别实时接收背景信号与红外辐射信号。④在图像处理过程中，用背景信号的变化量实时修正红外辐射信号形成的图像， 从而去除背景、噪声、环境振动等因素对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性。有益效果采用本发明可以实现对红外图像的实时修正，去除背景、噪声、环境振动等因素对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性和灵敏度。较之早前的非制冷红外焦平面成像系统，在同等条件下，其成像性能得到提高，并且对使用环境要求、系统器件要求也相应降低。
图1是非制冷红外焦平面成像系统组成示意图；图2(a)是本发明的FPA对外界辐射的实时响应区域划分；图2 (b)是本发明的图像采集与处理系统中CXD对FPA图像的响应。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例。1.系统组成如图1所示，本发明的实时扣背景的非制冷红外焦平面成像系统，包括红外成像光路、FPA、FPA变形读出系统、图像采集与处理系统。2.成像过程如图1所示，红外成像系统将外界红外辐射聚焦成像在FPA上，FPA阵列像元产生相应的变化；其变形量被FPA变形读出系统测量并以灰度图的形式传递给图像采集与处理系统；图像采集与处理系统对接收到的灰度图进行处理，输出图像。3.背景信号与红外辐射图像信号的获取图2(a)是本发明的FPA对外界辐射的实时响应区域划分。其中，外框为FPA的机械外框，网格区域为微悬臂梁像元阵列区域，该区域的所有像元均可对外界辐射、噪声、振动发生响应，且响应程度基本一致。考虑到红外成像系统的成像区域一般都为圆形，将其与FPA响应区域匹配如图2 (a)所示，由图可以看出，圆区域内的网格区域的像元变形，是外界红外辐射、噪声、振动共同引起的，而圆区域外网格区域的像元变形，是由噪声、振动引起的。同理可知，图2(b)中，中心圆区域内的网格区域的灰度图像，是外界红外辐射、噪声、振动共同引起的，而圆区域外网格区域的灰度图像，是由噪声、振动引起的。4.用背景信号修正红外图像本发明的实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，用背景信号修正红外图像如下
(1)红外图像的获取按照图1，非制冷红外焦平面成像系统的红外图像采集过程首先系统对参考物成像，默认此时外界环境对FPA的像元无影响，则图像采集与处理装置各像元获得一个能量；然后系统对外界红外辐射成像，则FPA的像元产生相应的变形，图像采集与处理装置的CXD各像元获得能量Et。Et与的差异，即t时刻外界红外热图像，即红外热图像E = ^rEt...........................(1)实质上，式(1)中的民相对来讲，不仅仅包含了外界红外辐射信号，而且还包含噪声、振动因素，从而导致式(1)的计算结果失真。(2)背景信号修正红外图像图2(a)、(b)中圆区域外的网格区域，仅仅对噪声、振动产生响应Ettl，而对外界红外辐射不产生响应，可以用作对式(1)的修正信号，即红外热图像E = &-Et+Et。 ...........................(2)式(2)可以实时去除背景、噪声、环境振动等因素对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性。
权利要求
1.一种实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，包括红外成像镜头、FPA、FPA变形读出系统、图像采集及处理系统，其特征在于红外成像镜头将外界红外辐射、聚焦成像在 FPA上，使FPA阵列像元产生相应的变化，同时，环境背景噪声、环境振动也会引起FPA阵列像元的变化，因此，在红外成像镜头成像范围内的FPA像元的变形量由外界红外热图像、环境背景噪声和环境振动共同作用产生，而红外成像镜头成像范围外的FPA像元的变形量仅由环境背景噪声和环境振动的作用引起；FPA阵列像元的变形量被变形读出系统测量，并以灰度图的形式传递给图像采集与处理系统；图像采集与处理系统利用红外成像镜头成像范围外的FPA像元对应图像区域的灰度值，对红外成像镜头成像范围内的FPA像元对应图像区域的灰度值进行修正，去除环境背景噪声、环境振动对图像质量的影响，输出经过实时修正以后的红外热图像。
2.根据权利要求1所述的实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，特征在于该系统的FPA成像面分为背景信号区域和目标辐射信号区域，实时接收环境背景信号与目标物体的红外辐射信号。
3.根据权利要求1所述的实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，特征在于该系统中的CCD成像面分为背景信号区域和图像信号区域，对应FPA的背景信号区域和目标辐射信号区域，实时接收来自于FPA的背景信号和目标信号。
4.根据权利要求1所述的实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，其特征在于在图像处理过程中，用背景信号的变化量实时修正红外辐射信号形成的图像，从而去除噪声、环境振动对系统成像质量的影响。
全文摘要
本发明提供一种可实时去背景的非制冷红外焦平面成像系统，包括收集聚焦外界红外辐射的红外成像系统，响应红外辐射的FPA，探测FPA变形量的FPA变形读出系统和图像采集与处理系统，其特点是该系统的FPA，以及图像采集与处理系统中的CCD，其不同的响应区域分别实时接收背景信号与红外辐射信号，在图像处理过程中，用背景信号的变化量实时修正红外辐射信号形成的图像，从而去除背景、噪声、环境振动等因素对系统成像质量的影响，提高系统工作稳定性、可靠性。
文档编号G01J5/02GK102519603SQ20121000668
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者于晓梅, 刘小华, 惠梅, 武红, 董立泉, 褚旭红, 赵跃进, 龚诚 申请人:北京理工大学