专利名称：一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法
技术领域：
本发明属于微测辐射热计读出电路硬件定标技术，特别是一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法。
背景技术：
红外辐射能够被探测是由于物质内部的相互作用，通过光子间交换的加热效应，或是通过直接电子吸收/内部光电子效应。前者，吸收辐射而加热，使温度升高，因此，测量出探测器随温度变化的参数，这样的器件称为平方律器件；后者，带隙半导体中的价带电子由于直接吸取光子而跃迁到导带上，因此能够检测出导带内电子数的增加，这类器件称为量子探测器，平方律和量子探测器之间最突出的差别就是后者必须制冷到低温才能工作。
对于不需要进行制冷的微测辐射热计，其工作状态受环境温度影响特别大，表现在整机结构中为各电路板上的IC器件的工作状态会随着外界环境温度的变化而发生些许的改变，特别是一些分立元件的电学特性，导致部分提供给探测器工作所需的偏置电压在一个平均值范围内发生上下微小的波动，形成一定的噪声，即如下式所示:
其中K 为随时间变化的偏置电压实际值K为理论上应当输出的偏置电压标准值，vm为受环境温度影响的电压波动噪声。这种波动噪声会影响到探测器进行图像行积分时所采到的有效信号的大小，导致即使是观察均匀的背景，其图像上每行之间也存在明显的差异，这种差异就以条纹的形式表现出来，又因为是行积分，所以条纹会在图像上不停的滚动，大大降低了图像质量及信噪比(SNR)。目前应用最广泛的去除这种由于偏置电压波动而引起的条纹噪声的办法是对于得到的每一行的数字信号进行多帧累加取均值的算法，即连续采集多帧内各行的数据并分别取其平均值，然后用各行数据减去该平均值的方法来抑制条纹的形成，这样做的结果虽然能够在一定程度上抑制条纹，但是对于外界照度很强时各行的均值差异较大，很多时候并不能完全去除该种条纹噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，针对外界输出微测辐射热计焦平面的偏置电压上存在随时间变化波动的噪声而导致的图像行积分采样时列通道输出的不均匀带来的滚动条纹问题，能够有效的去除图像上的滚动条纹。实现本发明目的的技术解决方案为:一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，步骤如下: 第一步，外界辐射入射到改进的探测器焦平面上由焦平面的光电转换效应将光能转换成电流的形式，即在标准的AFxM象元的探测器焦平面阵列基础上做n的列延拓，位于ATxM象元阵列周围，使原有的阵列大小NxM变为(況+b)xM ,将蓝宝石作为列延拓背景象元的材料，整个象元阵列与读出电路连接，AT、Μ, η的取值是根据现有的焦平面来选取，其中Μ, n为整数，N最大为1024，M最大为1024，η小于N;
第二步，读出电路按照时序要求对每一帧的图像按行积分:读出电路是将探测器阵列所采集的电信号，按时序输出，并对输出信号进行处理，输出Ν*Μ像素的图像；
第三步，对电压信号进行处理:
(1)读出电路计算延拓出来的η列背景象元上当前的入射辐射所引起的温度一电压信号的平均值；
(2)对一行上的所有N个像素积分完成后，将每个像素的积分值减去η列背景象元的电压平均值；
(3)通过探测器焦平面输出端口上的采样电路对减去“背景象元”平均值的信号进行采样并输出即得到了均匀的每一行像素的电压值，从而达到消除条纹的目标。
本发明与现有技术相比，其显著优点:通过采用对环境辐射温度不敏感的蓝宝石材料制作的背景象元来对读出电路做η元列延拓，通过对η列背景象元求和取均值的方式计算出标准值，并在输出前将各采样值与标准背景值取差，使得最后的实际输出都保持在一个均匀的程度，从而有效的去除图像上的滚动条纹。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是探测器焦平面结构图。图2是单个象元结构图。图3是读出电路结构简图。图4是读出电路时序要求。图5是输出信号的采样波形。图6是H元延拓方式。图7是偏置电压噪声引起的含有滚动条纹的图像。图8是列输出不均匀性被抑制的无滚动条纹的图像。
具体实施例方式本发明抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，步骤如下:
第一步，外界辐射入射到改进的探测器焦平面上由焦平面的光电转换效应将光能转
换成电流的形式，即在标准的ΛΤχΜ象元的探测器焦平面阵列基础上做《的列延拓，位于ATxM象元阵列周围，使原有的阵列大小if Xlf变为,将蓝宝石作为η列延拓背景象元的材料，整个象元阵列与读出电路连接；从M' 的取值是根据现有的焦平面来选取，其中N、Μ、η为整数，N最大为1024，M最大为1024，η 一般小于N，取其二分之一较为合适。下面内容，取N为320，M为240，η为160为例。第二步，读出电路按照时序要求对每一帧的图像按行积分，
(O读出电路:读出电路是将探测器阵列所采集的电信号，按如图4的时序输出，并对输出信号进行处理，读出电路包含与红外探测器阵列相应的单元传输电流阵列，每个单元传输电流阵列由偏置电路10、水平增益电路11、积分电路12、采样电路13、多路开关14依次连接组成，电流输入端9与每个单元传输电流阵列连接，电流信号从电流输入端9处输入，依次经过240个并联的偏置电路10进行调整，然后由水平增益电路11调整，再按行信号积分电路12进行积分，由采样电路13进行采样和多路开关14的选择，输出N*M像素的图像，如图3所示。(2)时序要求，其中，MC为探测器主时钟，RESET为复位信号，INT为积分信号，SORTIE为视频信号，DATAVALID是数据有效信号，LIGNEl是第一行读出信号。探测器主时钟MC的最高频率为5.5 MHz和50%的占空比，是整个电路的操作同步的基础。像素寻址是由主时钟控制的静态同步移位寄存器执行的。像素信息是在每一个主时钟周期率的读出。积分信号INT允许来自一行的焦平面的信号积分，当它是高水平的时候，于纹波操作模式，在INT阶段必须在每个发送行积分，每帧240次。积分信号INT在主时钟的上升沿必须改变状态。它的周期必须大于340主时钟周期。积分时间等于INT为高水平的持续时间减去2个主时钟周期。最低积分时间是主时钟周期。最大积分时间为318个主时钟周期。复位信号RESET，通过迫使焦平面第一行的信号积分，使读出电路的操作复位。在主时钟的上升沿过程中，复位信号必须改变其状态。每帧不得重复一次以上。数据有效信号DATAVALID，为了获得读出信息，是在积分结束后自动设置到一个高电平。第一行读出信号LIGNE1，自动设置在高电平，以获得来自第一行的FPA的信号输出。第三步，对电压信号进行处理:
(1)读出电路计算延拓出来的η列背景象元上当前的入射辐射所引起的温度一电压信号的平均值；
(2)对一行上的所有N个像素积分完成后，将每个像素的积分值减去η列背景象元的电压平均值；
(3)通过探测器焦平面输出端口上的采样电路对减去“背景象元”平均值的信号进行采样并输出即得到了均匀的每一行像素的电压值，从而达到消除条纹的目标。本发明从读出电路结构上来对探测器图像行积分时由于工作偏置电压的波动带来的条纹噪声进行抑制的方法，原理清晰，结构简单，且不占用后端的资源以及功耗。红外辐射的光能要转变为电能继而以电压的形式输出，并能被后端的处理电路接收并进行处理需要经过光电转换一电流电压转换两个过程，对于探测器来说，这两个过程分别发生在探测器内部的焦平面和读出电路中，焦平面接收外界辐射的光能，将其转变为电流的形式，并通过读出电路的积分过程将电流转变为电压形式输出，附图1、2为探测器焦平面及读出电路的结构图。图1所示为整个焦平面的结构分布，红外辐射I辐照在焦平面2上，焦平面2通过铟柱3与下面的读出电路4连接，将吸收到的红外辐射转变为电流后通过读出电路4进行信号输出5。
图2是单一象元的结构图，对于J^xM个象元的焦平面阵列，就是由JfxM个图2中示意的结构组成了整个焦平面。红外辐射I透过衬底6依次辐照在焦平面N沟道7和焦平面P沟道8上，焦平面P沟道8通过铟柱3与下面的读出电路4连接，将吸收到的红外辐射转变为电流后通过读出电路4进行信号输出5。本发明的方法是针对JVxM象元的微测辐射热计焦平面阵列做B列延拓，用受辐射照射温度变化十分小的半导体材料作为“背景象元”，该背景象元搭载在读出电路上，位于标准的JVxM大小阵列周围，使原有的阵列大小变为，用图6表示。本发明的工作原理是:首先分析了该条纹产生的原因，是由于每个像素工作时偏置电压上微小的波动导致采样值无法保持相等，而是在一个统计平均值的周围上下波动，从图5中得到:
权利要求
1.一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，其特征在于步骤如下:第一步，外界辐射入射到改进的探测器焦平面上由焦平面的光电转换效应将光能转换成电流的形式，即在标准的JVxli象元的探测器焦平面阵列基础上做Ii的列延拓，位于NxM象元阵列周围，使原有的阵列大小ATxM变为(iV+n)xJ/ ,将蓝宝石作为》列延拓背景象元的材料，整个象元阵列与读出电路连接，N, m的取值是根据现有的焦平面来选取，其中Λ Μ, n为整数，N最大为1024，M最大为1024，η小于N; 第二步，读出电路按照时序要求对每一帧的图像按行积分:读出电路是将探测器阵列所采集的电信号，按时序输出，并对输出信号进行处理，输出N^M像素的图像； 第三步，对电压信号进行处理: (1)读出电路计算延拓出来的η列背景象元上当前的入射辐射所引起的温度一电压信号的平均值； (2)对一行上的所有N个像素积分完成后，将每个像素的积分值减去η列背景象元的电压平均值； (3)通过探测器焦平面输出端口上的采样电路对减去“背景象元”平均值的信号进行采样并输出即得到了均匀的每一行像素的电压值，从而达到消除条纹的目标。
2.根据权利要求1所述的抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，其特征在于第二步中的读出电路包含与红外探测器阵列相应的单元传输电流阵列，电流输入端(9)与每个单元传输电流阵列连接，电流信号从电流输入端(9)处输入，依次经过240个并联的偏置电路(10)进行调整，然后由水平增益电路(11)调整，再按行信号积分电路(12)进行积分，由采样电路(13)进行采样和多路开关(14)的选择，输出ATxM像素的图像。
3.根据权利要求1所述的抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，其特征在于第二步的时序要求中，MC为探测器主时钟，RESET为复位信号，INT为积分信号，SORTIE为视频信号，DATAVALID是数据有效信号，LIGNEl是第一行读出信号: 探测器主时钟MC的最高频率为5.5 MHz和50%的占空比，是整个电路的操作同步的基础，像素寻址是由主时钟控制的静态同步移位寄存器执行的，像素信息是在每一个主时钟周期率的读出； 积分信号INT允许来自一行的焦平面的信号积分，当它是高电平的时候，在INT阶段必须在逐个发送行积分，每帧240次； 积分信号INT在探测器主时钟MC的上升沿改变状态，它的周期大于340个主时钟周期，积分时间等于INT为高电平的持续时间减去2个主时钟周期，最低积分时间是主时钟周期,最大积分时间为318个主时钟周期； 复位信号RESET，通过迫使焦平面第一行的信号积分，使读出电路的操作复位，在探测器主时钟MC的上升沿过程中，复位信号改变其状态，每帧不得重复一次以上； 数据有效信号DATAVALID在积分结束后自动设置到一个高电平； 第一行读出信号LIGNEl自 动设置在高电平，以获得来自第一行的FPA的信号输出。
全文摘要
本发明公开了一种抑制偏置电压纹波和列输出放大器通道不均匀的方法，外界辐射入射到改进的探测器焦平面上由焦平面的光电转换效应将光能转换成电流的形式，即在标准的象元的探测器焦平面阵列基础上做的列延拓，位于象元阵列周围，使原有的阵列大小变为，将蓝宝石作为列延拓背景象元的材料，整个象元阵列与读出电路连接；读出电路按照时序要求对每一帧的图像按行积分，对电压信号进行处理，使得最后的实际输出都保持在一个均匀的程度，从而有效的去除图像上的滚动条纹。
文档编号G01R31/28GK103076552SQ201210080080
公开日2013年5月1日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者陈钱, 许轰烈, 顾国华, 隋修宝, 刘宁, 季尔优, 钱惟贤, 路东明, 于雪莲, 张闻文, 何伟基, 毛义伟, 王士绅, 陈明杰 申请人:南京理工大学