紫外焦平面阵列驱动时序生成装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电通信技术领域，更进一步涉及图像通信中一种紫外焦平面阵列驱动 时序生成装置及方法。本发明可用于火灾预警系统、电力检修系统、指纹识别等仪器和系统 中紫外焦平面阵列器件的驱动，实现复杂光照环境下精确成像。
【背景技术】
[0002] 继激光探测技术和红外探测技术之后，当今的光电子探测技术己经延伸到了波长 10nm-400mn的紫外光区域。紫外探测技术的开发研宄对现代国防和人民生活都有着极其 重要的意义。而紫外探测技术所依赖的紫外焦平面阵列器件需要有合适的驱动时序进行驱 动。因此，需要解决如何稳定高效地驱动紫外焦平面阵列器件的问题。
[0003] 中国科学院长春光学精密机械与物理研宄所提出的专利申请"一种基于背照CCD 的极紫外成像电路"（申请日：2011. 12. 29,申请号201110449544. 2,公告号CN102547154A) 中公开了一种基于背照C⑶的极紫外成像电路。该电路包括RS-422通讯电路、视频处理电 路、Cameral ink数据传输电路和电源电路，该电路采用RS-422通讯电路传输的控制命令控 制整个电路工作，采用FPGA生成符合背照(XD要求幅值的时序信号，驱动背照(XD正常工 作，采用Cameral ink数据传输电路接收FPGA整合处理后的数据，将数据发送给图像接收系 统。该专利申请的不足之处在于：第一，其驱动时序的生成没有考虑到外界光照变化对紫外 焦平面阵列器件成像质量的影响，修改积分时间需要操作人员参与，实时性低，不能满足复 杂光照环境下对高质量成像的要求。第二，其驱动时序生成装置中上传数据和接收数据分 别通过不同的接口完成，集成度低，成本高且不利于实际应用。
[0004] 胡开付，王双保发表的论文"基于FPGA的(XD光积分时间大范围实时自动调节系 统"（《大气与环境光学学报》2012年9月第7卷第5期）中公开了一种积分时间自动调整 方法。该方法为先求得整幅图像的平均灰度值，将其与预先设定的阈值进行比较，以此为依 据调整积分时间。该方法的不足之处在于：对图像特征的评价方法简单，在复杂光照条件下 难以得到高质量的图像。
[0005] 黄辉，任国强，孙健，雷雨发表的论文"基于图像直方图统计的CCD相机自动调光 算法"（《光电技术应用》2013年8月第34卷第4期）中公开了一种基于图像直方图统计 的CCD相机自动调光算法。该方法为根据图像的直方图特征、平均灰度值、边缘概率三个特 征对CCD积分时间经行调整，该方法能比较准确地反映图像特征，即使在复杂光照环境下 也能得到高质量的图像。但是，该方法存在的不足之处在于：对图像特征的评价方法过于复 杂，使用该方法调整紫外焦平面阵列的积分时间依赖于计算机，难以使用硬件实现，适用范 围小。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种紫外焦平面阵列驱动时 序生成装置及方法。使用基于硬件的紫外焦平面阵列积分时间自动调整方法，保证在外界 光照条件变化时，特别是在一些极端情况下，紫外焦平面阵列器件的成像质量。整套系统基 于硬件实现，保证其实时性和易用性，能满足紫外焦平面阵列的驱动时序设计和测试需要。
[0007] 本发明的装置包括紫外焦平面阵列模块、模数转换模块、驱动时序产生模块、积分 时间自动调整模块、图像接收模块、通用串行总线USB3. 0数据通信模块以及电源模块；所 述的紫外焦平面阵列模块与模数转换模块通过信号传输线连接；所述的驱动时序产生模 块、积分时间自动调整模块、图像接收模块均集成在现场可编程门阵列FPGA内部；所述的 模数转换模块与图像接收模块通过通用可编程接口 GPIO连接；所述的图像接收模块与通 用串行总线USB3.0数据通信模块通过通用可编程接口 GPIO连接；其中：
[0008] 所述的紫外焦平面阵列模块，用于将环境中的紫外光转换为模拟电信号；
[0009] 所述的模数转换模块，包括模数转换芯片及其外围电路，用于将紫外焦平面阵列 模块输出的模拟电信号转换为可供现场可编程门阵列FPGA处理的数字图像信号；
[0010] 所述的驱动时序产生模块，用于根据驱动时序参数，控制现场可编程门阵列FPGA， 产生紫外焦平面阵列驱动时序信号；
[0011] 所述的积分时间自动调整模块，采用基于灰度直方图的紫外焦平面阵列积分时间 调整方法，用于统计图像灰度密度、累加灰度数量和灰度级、判断是否停止累加、计算紫外 焦平面阵列产生的图像灰度特征值、计算紫外焦平面阵列产生的下一帧图像的积分时间；
[0012] 所述的图像接收模块，用于将模数转换模块输出的数字图像信号传递给积分时间 自动调整模块以及通用串行总线USB3. 0数据通信模块；
[0013] 所述的通用串行总线USB3. 0数据通信模块，用于接收上位机发送的参数与命令、 将图像接收模块接收到的紫外焦平面阵列产生的图像数据上传至上位机；
[0014] 所述的电源模块，用于产生紫外焦平面阵列模块与模数转换模块所需的参考电压 以及为各模块供电。
[0015] 本发明的方法具体步骤如下：
[0016] (1)接收驱动时序产生参数：
[0017] 通用串行总线USB3. 0数据通信模块接收上位机发送的参数与命令；
[0018] (2)产生紫外焦平面阵列驱动时序：
[0019] 驱动时序产生模块根据驱动时序参数，控制现场可编程门阵列FPGA，产生紫外焦 平面阵列驱动时序信号；
[0020] (3)采集图像：
[0021] 紫外焦平面阵列模块将环境中的紫外光转换为模拟电信号，模数转换模块将紫外 焦平面阵列模块输出的模拟电信号转换为可供现场可编程门阵列FPGA处理的数字图像信 号，图像接收模块将模数转换模块输出的数字图像信号传递给积分时间自动调整模块以及 通用串行总线USB3. 0数据通信模块；
[0022] (4)上传图像数据：
[0023] 通用串行总线USB3.0数据通信模块，将图像接收模块接收到的紫外焦平面阵列 产生的图像数据上传至上位机；
[0024] (5)统计图像灰度密度：
[0025] (5a)统计图像接收模块接收到的紫外焦平面阵列产生的图像的各灰度级对应的 灰度数量；
[0026] (5b)按照灰度数量从多到少对灰度级进行排序，得到递减的灰度数量序列及各灰 度数量对应的灰度级序列；
[0027] (6)累加灰度数量和灰度级：
[0028] (6a)按照灰度数量序列的顺序，依次对灰度数量进行累加得到灰度数量之和；
[0029] (6b)按照各灰度数量对应的灰度级序列的顺序，依次对灰度级进行累加，得到灰 度级之和；
[0030] (6c)统计参与累加的灰度级的数量，得到参与累加的灰度级数量；
[0031] (7)判断是否满足停止累加条件，若是，执行步骤（8)，否则，执行步骤（6);
[0032] (8)按照下式，计算紫外焦平面阵列产生的图像灰度特征值：
[0033]
【主权项】
1. 一种紫外焦平面阵列驱动时序产生装置，包括紫外焦平面阵列模块、模数转换模块、 驱动时序产生模块、积分时间自动调整模块、图像接收模块、通用串行总线USB3. O数据通 信模块以及电源模块；所述的紫外焦平面阵列模块与模数转换模块通过信号传输线连接； 所述的驱动时序产生模块、积分时间自动调整模块、图像接收模块均集成在现场可编程门 阵列FPGA内部；所述的模数转换模块与图像接收模块通过通用可编程接口 GPIO连接；所 述的图像接收模块与通用串行总线USB3. 0数据通信模块通过通用可编程接口 GPIO连接； 其中： 所述的紫外焦平面阵列模块，用于将环境中的紫外光转换为模拟电信号； 所述的模数转换模块，包括模数转换芯片及其外围电路，用于将紫外焦平面阵列模块 输出的模拟电信号转换为可供现场