程 瑤

（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400050）

引言

熱釋電紅外探測器具有室溫下工作，不需要致冷、頻譜響應(yīng)寬、體積小、質(zhì)量輕、反應(yīng)快、易與微電子技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)［1］。由于熱釋電材料的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了熱釋電效應(yīng)及其應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)了一些重要的熱釋電材料，使其廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)和空間技術(shù)等輻射計(jì)、紅外激光探測和熱成像等方面。因此熱釋電型IRFPA頗受國內(nèi)外重視，發(fā)展十分迅速。熱釋電型非制冷紅外探測器應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)研究以及改善探測器成像質(zhì)量的研究等，對(duì)于提高國家國防實(shí)力具有十分重大的意義。而這些問題的研究工作都需要一個(gè)圖像采集系統(tǒng)來支持［2］。為了得到分辨率高清晰的圖像，紅外探測器向大面陣和長線列方向發(fā)展［3］，探測元的規(guī)模有了很大的提高，對(duì)相應(yīng)的圖像采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力也有了較高的要求。焦平面的工作條件及模擬輸出也發(fā)生了變化［4］，因此急需設(shè)計(jì)出適合該探測器的圖像采集系統(tǒng)。

1 熱釋電IRFPA多通道讀出設(shè)計(jì)原理

目前主流的大規(guī)模IRFPA探測器設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是多路通道輸出，以此來增大積分時(shí)間，輸出動(dòng)態(tài)范圍會(huì)變大，響應(yīng)率也會(huì)隨之變大。其設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 多通道熱釋電讀出電路框圖Fig.1 Diagram of multi-channel pyroelectric readout circuit

多通道讀出電路由n組單元電路陣列、n組信號(hào)處理及輸出電路、n組并行工作的列掃描電路、行掃描電路以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)源電路等構(gòu)成［5］。其中信號(hào)處理及輸出電路包含了放大器陣列、相關(guān)雙采樣電路及輸出級(jí)。讀出電路內(nèi)部的各種驅(qū)動(dòng)信號(hào)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)源電路產(chǎn)生。

熱釋電探測器陣列探測的n組電信號(hào)先由放大器放大，再經(jīng)相關(guān)雙采樣電路及多路開關(guān)輸出級(jí)，最后同時(shí)串行輸出信號(hào)。n組輸出電路分別輸出V1，V2，…，Vn，這n組信號(hào)通過拼接處理即可形成完整的探測器陣列信號(hào)。

根據(jù)熱釋電IRFPA成像原理，探測器僅對(duì)于交變的熱輻射產(chǎn)生響應(yīng)，能探測引起溫度變化的輻射。所以熱釋電探測器在探測時(shí)需附加一個(gè)調(diào)制器，對(duì)于凝視型成像一般采用斬波調(diào)制方式［6］。IRFPA探測器放在斬波器后面，斬波器透光區(qū)域可以接受對(duì)應(yīng)紅外輻射，此時(shí)輸出信號(hào)稱為亮場信號(hào)；而被斬波器遮擋的不透光區(qū)域則不能接受紅外輻射，此時(shí)輸出信號(hào)稱為暗場信號(hào)［6］。當(dāng)斬波器旋轉(zhuǎn)時(shí)亮暗場信號(hào)交替輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外入射輻射信號(hào)的調(diào)制，隨著斬波器的旋轉(zhuǎn)，在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)探測器面陣的推掃［7］，使探測器上各像元分時(shí)完成連續(xù)的曝光，從而實(shí)現(xiàn)把紅外光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。

每組輸出電路輸出的信號(hào)均分別輸出亮場及暗場2路信號(hào)，即V1（1）、V1（2）和V2（1）、V2（2）信號(hào)等。因此在采集圖像信號(hào)時(shí)，必須區(qū)分判斷亮場輸出信號(hào)及暗場輸出信號(hào)，同時(shí)要將相鄰亮場和暗場對(duì)應(yīng)像素的輸出信號(hào)進(jìn)行同步的采集，對(duì)應(yīng)幀要進(jìn)行相減運(yùn)算才可成像［8］。

2 圖像采集時(shí)序

熱釋電IRFPA要正常工作，必須由外部提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)和工作電壓。驅(qū)動(dòng)電路為熱釋電探測器讀出電路提供所必需的各個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以便使其掃描電路以及信號(hào)處理、輸出電路能正常工作，輸出相應(yīng)的紅外視頻信號(hào)。這些信號(hào)的波形、前后沿時(shí)間、高低電平等等都會(huì)對(duì)器件工作的好壞有影響。驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序如圖2所示。CHOP為外部斬波信號(hào)，它是外面斬波器發(fā)出的外同步信號(hào)。這個(gè)信號(hào)具有隨機(jī)性，器件在CHOP信號(hào)正脈寬和負(fù)脈寬包容下采集圖像信息。為了使IRFPA與斬波器同步，利用CHOP信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與CP時(shí)鐘信號(hào)同步的信號(hào)SYNC。

圖2 熱釋電IRFPA工作時(shí)序示意圖Fig.2 Time sequence of pyroelectric IRFPA

SX為行起始信號(hào)，SY為場起始信號(hào)。掃描電路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘包括垂直方向的Y1、Y2信號(hào)和水平方向的X1、X2信號(hào)。FR為掃描所需的復(fù)位信號(hào)，使對(duì)應(yīng)的行像元能夠同時(shí)復(fù)位。SH2和SH1信號(hào)為處理電路所需的采樣控制信號(hào)，用于控制讀出電路的相關(guān)雙采樣。SH2在紅外圖像信號(hào)最強(qiáng)時(shí)采樣，而SH1在復(fù)位后采樣，如此兩次采樣經(jīng)過差分運(yùn)算即可消除和抑制噪聲。因此在時(shí)序上，應(yīng)先讓SH2信號(hào)有效去采樣，然后FR信號(hào)有效使其復(fù)位，緊接著讓SH1信號(hào)有效進(jìn)行再采樣。

依據(jù)熱釋電IRFPA驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求，SYNC信號(hào)為高電平則表示為熱釋電IRFPA接受紅外輻射的亮場，SYNC信號(hào)為低電平則表示為熱釋電IRFPA未接受輻射的暗場。因此可以SYNC信號(hào)來作為圖像采集的亮暗場同步判斷信號(hào)。

利用場起始信號(hào)SY作為采樣的起始信號(hào)，用于觸發(fā)采集卡開始信號(hào)的采樣，用IRFPA的像元個(gè)數(shù)來控制采樣的個(gè)數(shù)，從而來控制采集卡結(jié)束采樣，采集一次即是采集一幀數(shù)據(jù)。利用掃描時(shí)鐘信號(hào)X1、X2產(chǎn)生圖像采集的采樣時(shí)鐘信號(hào)，控制A／D采集的采樣時(shí)序，保證在各個(gè)像元輸出的平頂部分進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣［8］。

3 圖像拼接采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大規(guī)模探測器因?yàn)椴捎昧硕嗤ǖ垒敵觯孕枰獙?duì)多路輸出圖像信號(hào)進(jìn)行拼接成像。因此對(duì)多通道輸出的熱釋電IRFPA進(jìn)行圖像的拼接采集具有非常重要的意義。同時(shí)由熱釋電IRFPA的成像原理，需要對(duì)每一路輸出的圖像信號(hào)進(jìn)行亮場、暗場信號(hào)的判斷及差分處理。

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建PC-DAQ采集系統(tǒng)［9］，PCI數(shù)據(jù)采集卡采集每個(gè)像元對(duì)應(yīng)輸出的電壓信號(hào)，通過差分以及拼接處理后得到一幀完整數(shù)據(jù)，經(jīng)過灰度變換將電壓值映射成灰度值，最終在軟件平臺(tái)上顯示圖像。利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集的控制、圖像數(shù)據(jù)的處理以及圖像的顯示編碼。該P(yáng)C-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。多通道熱釋電IRFPA輸出的多路圖像數(shù)據(jù)由NI公司的PCI-DAQ卡來實(shí)現(xiàn)多路并行采集。實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI公司的PCI-6115數(shù)據(jù)采集卡，此采集卡內(nèi)部有4個(gè)12位的ADC，可以實(shí)現(xiàn)4路并行采集工作。動(dòng)態(tài)范圍可以從±50V調(diào)整到±200mV，可檢測到的信號(hào)的最小幅度值可以從24.4mV調(diào)整到97.7μV，其最大采樣速率可以達(dá)到10×106信道／s［10］。

圖3 熱釋電IRFPA拼接圖像采集系統(tǒng)框圖Fig.3 Structure diagram of pyroelectric IRFPA mosaic image acquisition system

采集卡的采集時(shí)序由驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制，SYNC作為亮暗場判斷的同步控制信號(hào)，SY作為采集卡的采集觸發(fā)信號(hào)，ADclk作為采集卡ADC的采樣時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IRFPA各個(gè)像元的準(zhǔn)確采樣，并實(shí)現(xiàn)亮暗場的同步判斷。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

該采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，由軟件來控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該軟件系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)如圖4所示。系統(tǒng)包括采集控制模塊、波形顯示模塊、圖像處理模塊以及圖像顯示模塊。采集控制模塊要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的采集時(shí)序進(jìn)行正確控制，保證各個(gè)像元的準(zhǔn)確采集，同時(shí)對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行同步采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱釋電信號(hào)的亮、暗場判斷。波形顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的波形顯示，分別對(duì)亮場信號(hào)、暗場信號(hào)、差分信號(hào)、多路輸出信號(hào)進(jìn)行波形顯示，方便實(shí)驗(yàn)調(diào)試用。圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的每一路圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行亮、暗場判斷及差分處理，同時(shí)對(duì)多路差分后的信號(hào)進(jìn)行拼接處理，保證第一路輸出的末端與第二路輸出的首端拼接相連，以此類推。同時(shí)圖像處理模塊還要實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓數(shù)據(jù)的灰度變換處理。圖像顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信號(hào)的灰度編碼，實(shí)現(xiàn)在軟件平臺(tái)對(duì)紅外圖像的顯示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of software system construction

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。為了能采集同步，系統(tǒng)通過采集斬波器的同步信號(hào)SYNC，根據(jù)軟件來判斷信號(hào)的高低電平從而來判斷亮、暗場。因此采集卡需要采集數(shù)字信號(hào)SYNC，同時(shí)也要并行采集圖像電壓信號(hào)。在配置采集卡時(shí)，需要對(duì)模擬輸入通道及數(shù)字輸入通道依據(jù)硬件連線情況進(jìn)行設(shè)置。為了能與像元的輸出同步，數(shù)字輸入通道的時(shí)鐘DI Scan Start設(shè)置為模擬輸入通道的采樣信號(hào)AI Scan Start，保證在采集模擬信號(hào)的同時(shí)采集數(shù)字信號(hào)。

根據(jù)IRFPA像元的個(gè)數(shù)來控制采集卡的結(jié)束，當(dāng)結(jié)束采樣時(shí)，各路采集到的信號(hào)通過SYNC同步信號(hào)的高低電平來對(duì)亮場信號(hào)及暗場信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)亮場信號(hào)與暗場信號(hào)的差分處理。差分后的各路信號(hào)通過軟件拼接算法合并成一幅完整的紅外圖像電壓數(shù)據(jù)。由灰度變換算法，對(duì)電壓值進(jìn)行線性映射，實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度值變換。由灰度編碼算法即可在軟件平臺(tái)上顯示紅外圖像。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Flow chart of software program

4 圖像采集結(jié)果

采用拼接成像采集系統(tǒng)對(duì)熱釋電讀出電路（ROIC）進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。圖6是對(duì)雙通道ROIC拼接前以及拼接后的波形顯示，圖7是對(duì)雙通道并行采集而拼接成的160列×120行的圖像。圖8是對(duì)四通道ROIC并行采集而拼接成的320列×120行的圖像。

圖6 雙通道拼接前后信號(hào)輸出波形Fig.6 Output waveform of two channels'signal before and after mosaic

圖7 160列×120行雙通道拼接成像結(jié)果Fig.7 Mosaic image of 160×120 two-channels

圖8 320列×120行四通道拼接成像結(jié)果Fig.8 Mosaic image of 320×120 four-channels

5 結(jié)論

通過對(duì)雙通道、四通道型熱釋電IRFPA讀出電路進(jìn)行圖像采集實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采集系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)能對(duì)多通道輸出的熱釋電圖像信號(hào)進(jìn)行差分解調(diào)及拼接，最終在軟件平臺(tái)上顯示完整的圖像。改進(jìn)單通道讀出型熱釋電IRFPA的采集方式，通過設(shè)計(jì)多通道讀出結(jié)構(gòu)，采用軟件解調(diào)、拼接方式對(duì)多通道熱釋電IRFPA進(jìn)行采集成像，雙通道熱釋電IRFPA讀出速度提高1倍，四通道熱釋電IRFPA讀出速度提高3倍。

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