CN103245418A - 非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法 - Google Patents

非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法 Download PDF

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Abstract

非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法，其技术方案为非制冷焦平面热像仪内的探测器光敏面固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，对于调制盘的曝光扇叶或调制盘的遮挡扇叶的任意一条扇叶边缘，在其扫过探测器光敏面中心的时刻，该条扇叶边缘与探测器光敏面的两个长对边同时相交。当调制盘的扇叶边缘的曲线给定后，探测器光敏面要尽量远离调制盘圆心而与调制盘的外圆内接；斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘曝光扇叶的两条扇叶边缘尽量平行地扫过探测器光敏面的两条短边的中点。该发明能使热像仪信号平均调制损失率、最大调制损失率减小近一半，大幅提高平均信号响应及信号响应均匀性，从而改善图像均匀性。

Description

非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法
技术领域
本发明属于盘式斩波器调制技术领域，具体涉及一种用于非制冷焦平面热像仪的盘式斩波器逐列推扫调制方法。
技术背景
调制式非制冷焦平面热像仪因其使用的探测器光敏材料的工作机理特性，要求其工作时在成像镜头和探测器光敏面之间使用光学斩波器对入射光进行调制。相比其他形式的斩波器，盘式斩波器因其体积小、重量轻、转动惯量小，工艺技术成熟、转速控制技术成熟稳定易实现而在量产热像仪中得到广泛应用。而经其调制后采样得到的探测器图像的平均信号大小，与读出电路的读出顺序、斩波器的调制模式、叶形、光敏面的摆放位置以及场同步时刻的选取，有相当大的关系。因此，斩波器的设计，成为调制式非制冷焦平面热像仪的关键技术之一。
现有的非制冷焦平面热像仪盘式斩波器旋转调制时，均采用扇叶边缘接***行于探测器光敏面长边、沿探测器光敏面短边方向逐行推扫调制模式。例如图1、图3、图5 所示的直边扇形斩波器、阿基米德螺旋线斩波器及渐开线斩波器。究其原因：1)以前热电管式热释电热像仪为适应电视按行显示制式而采用按行逐行推扫调制模式，而新的焦平面式热释电热像仪继续采用按行逐行推扫调制模式；2)几何直观上，当光敏面宽、高给定，调制盘半径一定时，光敏面横放时直边扇叶的直边与光敏面上下两边的交角（附图1中α）比光敏面竖放时直边扇叶的直边与光敏面上下两边的交角（附图2中α）更小；或者光敏面横放时比光敏面竖放时曲线形的扇叶边缘的曲率更小，因没有简单有效的调制性能评价方法而估计逐行推扫调制模式的调制性能更好；3)因为非制冷焦平面探测器读出电路的图像读出顺序是按行逐行采样读出的，因此斩波器只能采用按行逐行推扫调制模式。
但是，采用按行逐行推扫调制模式盘式斩波器的非制冷焦平面热像仪，存在因较大的调制相差造成的热像仪平均信号响应损失大、图像均匀性差的问题。
发明内容
针对非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐行推扫调制因较大的调制相差造成的热像仪平均信号响应损失大、图像均匀性差的问题，本发明提供一种用于非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法，以降低热像仪平均信号响应损失率，改善图像均匀性。
本发明所述的非制冷焦平面热像仪的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其技术方案为：非制冷焦平面热像仪内的探测器光敏面固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，对于调制盘的曝光扇叶或调制盘的遮挡扇叶的任意一条扇叶边缘，在其扫过探测器光敏面中心的时刻，该条扇叶边缘与探测器光敏面的两个长对边同时相交。换言之，该条扇叶边缘接***行于探测器光敏面的短边、沿探测器光敏面长边方向逐列推扫调制。
当调制盘的扇叶边缘的曲线类型给定后，盘式斩波器的设计优化策略为：探测器光敏面要尽量远离调制盘圆心而与调制盘的外圆内接。斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘曝光扇叶的两条扇叶边缘尽量平行地扫过探测器光敏面的两条短边的中点。
本发明的有益效果为：采用逐列推扫调制模式盘式斩波器的非制冷焦平面热像仪的信号平均调制损失率、最大调制损失率减小近一半，当光敏面尺寸为16mm×12mm、调制盘半径在30mm～35mm时，两种信号调制损失率分别从约20%、30%降为10%、15%，热像仪的平均信号响应及信号响应均匀性可以大幅提高，并且不增加图像处理电路的电噪声和处理算法的难度以及调制盘设计和加工的难度，对调制盘式非制冷焦平面热像仪的性能提高及小型化意义重大。
附图说明
图1为现有的逐行推扫调制模式的6对扇叶直边扇形盘式斩波器的一种优化设计示意图；
图2为改进的逐列推扫调制模式的5对扇叶直边扇形盘式斩波器的一种优化设计示意图；
图3为现有的逐行推扫调制模式阿基米德螺旋线斩波器的一种优化设计示意图；
图4为改进的逐列推扫调制模式阿基米德螺旋线斩波器的一种优化设计示意图；
图5为现有的逐行推扫调制模式渐开线斩波器的一种优化设计示意图；
图6为改进的逐列推扫调制模式渐开线斩波器的一种优化设计示意图。
图中：1是调制盘的曝光扇叶，2是调制盘的遮挡扇叶，3是曝光扇叶或遮挡扇叶的扇叶边缘，4是探测器光敏面，O1是调制盘圆心，O2是探测器光敏面中心，A1和A2是探测器光敏面短边的中点，B1和B2是探测器光敏面与调制盘外圆的内接点，图1、图2中α是单个扇叶张角的一半。
图1～图6所示的斩波器示意图，均为处于亮场同步时刻时，调制盘与探测器光敏面的位置关系。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
盘式斩波器的设计要求为：探测器光敏面4是边长比为4：3的长方形，尺寸为W×H = 16mm×12mm，探测器光敏面由m行×n列=240行×320列个光敏元组成，光敏元的中心距为50μm，斩波器的调制盘半径R在30mm～35mm之间。
实施例一：
如图2所示，实施例一是本发明应用于非制冷焦平面热像仪的直边扇形盘式斩波器的情形。非制冷焦平面热像仪内长方形的探测器光敏面4固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，调制盘的曝光扇叶1或调制盘的遮挡扇叶2的任意一条扇叶边缘3，在其扫过探测器光敏面中心O2 的时刻，该条扇叶边缘3与长方形的探测器光敏面4的两个长对边同时相交。换言之，该条扇叶边缘3接***行于探测器光敏面4的短边、沿探测器光敏面4的长边方向逐列推扫调制。
如图2所示，调制盘的扇叶边缘3为直边，盘式斩波器的设计优化的技术特征为：长方形探测器光敏面4要尽量远离调制盘圆心O1而与调制盘的外圆内接于B1和B2。斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶1的两条扇叶边缘3尽量平行地扫过探测器光敏面4的两条短边的中点A1和A2。
采用如下调制性能评价函数进行评价对比，计算、统计、比较各种斩波器方案的信号平均调制损失率、最大调制损失率：
对单个被斩波器调制的光敏元来说：
调制周期：T=光敏元的曝光时间＋光敏元的遮挡时间；
T通常固定不变，即保持固定的调制频率。
曝光效率=(光敏元的曝光时间/T)×100%；
后面的计算、论述都是针对斩波器曝光效率为50%的情况的。
场周期：Tf=T/2=采集处理一场图像的时间间隔=调制半周期；
单个光敏元的调制相差=|采样该光敏元信号的时刻－斩波器扇叶边缘扫过该光敏元中心的时刻|/Tf
用一次线性的三角波函数来近似经过调制产生的探测器的信号响应曲线，在此前提下得到因调制相差造成的信号损失：
单个光敏元的信号调制损失率=2×该光敏元的调制相差。
应用上述调制性能评价函数进行评价，实施例一的逐列推扫调制模式的直边扇形盘式斩波器与图1所示的具有与图2所示斩波器同样优化技术特征的逐行推扫调制模式的直边扇形盘式斩波器相比较，信号平均调制损失率、最大调制损失率的对比结果如表1所示：
Figure BDA0000307656341
表1.直边扇形盘式斩波器信号调制损失率对比表
实施例二：
如图4所示，实施例二是本发明应用于非制冷焦平面热像仪的阿基米德螺旋线盘式斩波器的情形。非制冷焦平面热像仪内长方形的探测器光敏面4固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，调制盘的曝光扇叶1或调制盘的遮挡扇叶2的任意一条扇叶边缘3，在其扫过探测器光敏面中心O2 的时刻，该条扇叶边缘3与长方形的探测器光敏面4的两个长对边同时相交。换言之，该条扇叶边缘3接***行于探测器光敏面4的短边、沿探测器光敏面4的长边方向逐列推扫调制。
如图4所示，调制盘的扇叶边缘3为阿基米德螺旋线，盘式斩波器的设计优化的技术特征为：长方形探测器光敏面4要尽量远离调制盘圆心O1而与调制盘的外圆内接于B1，调制盘的曝光扇叶1的两条扇叶边缘3分别与探测器光敏面4的两个短边相切，距调制盘圆心O1远的切点位于探测器光敏面4远短边的中点A1，距调制盘圆心O1近的切点接近于探测器光敏面4近短边的中点A2。斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶1的两条扇叶边缘3尽量平行地扫过探测器光敏面4的两条短边的中点A1和A2。
应用实施例一中调制性能评价函数进行评价，实施例二的逐列推扫调制模式的阿基米德螺旋线盘式斩波器与图3所示的具有与图4所示斩波器同样优化技术特征的逐行推扫调制模式的阿基米德螺旋线盘式斩波器相比较，信号平均调制损失率、最大调制损失率的对比结果如表2所示：
Figure BDA0000307656342
表2.阿基米德螺旋线盘式斩波器信号调制损失率对比表
实施例三：
如图6所示，实施例三是本发明应用于非制冷焦平面热像仪的渐开线盘式斩波器的情形。非制冷焦平面热像仪内长方形的探测器光敏面4固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，调制盘的曝光扇叶1或调制盘的遮挡扇叶2的任意一条扇叶边缘3，在其扫过探测器光敏面中心O2 的时刻，该条扇叶边缘3与长方形的探测器光敏面4的两个长对边同时相交。换言之，该条扇叶边缘3接***行于探测器光敏面4的短边、沿探测器光敏面4的长边方向逐列推扫调制。
如图6所示，调制盘的扇叶边缘3为渐开线，盘式斩波器的设计优化的技术特征为：长方形探测器光敏面4要尽量远离调制盘圆心O1而与调制盘的外圆内接于B1，调制盘的曝光扇叶1的两条扇叶边缘3分别与探测器光敏面4的两个短边相切于探测器光敏面4两个短边的中点A1和A2。斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶1的两条扇叶边缘3尽量平行地扫过探测器光敏面4的两条短边的中点A1和A2。
应用实施例一中调制性能评价函数进行评价，实施例三的逐列推扫调制模式的渐开线盘式斩波器与图5所示的具有与图6所示斩波器同样优化技术特征的逐行推扫调制模式的渐开线盘式斩波器相比较，信号平均调制损失率、最大调制损失率的对比结果如表3所示：
Figure BDA0000307656343
表3. 渐开线盘式斩波器信号调制损失率对比表
本发明的应用不仅限于上述三个实施例，也可适用于调制盘扇叶为其他线型的盘式斩波器。

Claims (6)

1.非制冷焦平面热像仪盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：非制冷焦平面热像仪内的探测器光敏面⑷固定不动，斩波器的调制盘在匀速旋转调制过程中，对于调制盘的曝光扇叶⑴或调制盘的遮挡扇叶⑵的任意一条扇叶边缘⑶，在其扫过探测器光敏面中心（O2）的时刻，该条扇叶边缘⑶与探测器光敏面⑷的两个长对边同时相交。
2.按照权利要求1所述的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：该条扇叶边缘⑶接***行于探测器光敏面⑷的短边、沿探测器光敏面⑷的长边方向逐列推扫调制。
3.按照权利要求1所述的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：当调制盘的扇叶边缘⑶的曲线类型给定后，盘式斩波器的设计优化技术特征为探测器光敏面⑷要尽量远离调制盘圆心（O1）而与调制盘的外圆内接；斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶尽量平行地扫过探测器光敏面⑷的两条短边的中点（A1）和（A2）。
4.按照权利要求3所述的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：调制盘的扇叶边缘⑶为直边，盘式斩波器的设计优化技术特征为长方形探测器光敏面⑷要尽量远离调制盘圆心（O1）而与调制盘的外圆内接于（B1）和（B2）；斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶尽量平行地扫过探测器光敏面⑷的两条短边的中点（A1）和（A2）。
5.按照权利要求3所述的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：调制盘的扇叶边缘⑶为阿基米德螺旋线，盘式斩波器的设计优化技术特征为长方形探测器光敏面⑷要尽量远离调制盘圆心（O1）而与调制盘的外圆内接于（B1），调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶分别与探测器光敏面⑷的两个短边相切，距调制盘圆心（O1）远的切点位于探测器光敏面⑷远短边的中点（A1），距调制盘圆心（O1）近的切点接近于探测器光敏面⑷近短边的中点（A2）；斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶尽量平行地扫过探测器光敏面⑷的两条短边的中点（A1）和（A2）。
6.按照权利要求3所述的盘式斩波器逐列推扫调制方法，其特征在于：调制盘的扇叶边缘⑶为渐开线，盘式斩波器的设计优化技术特征为长方形探测器光敏面⑷要尽量远离调制盘圆心（O1）而与调制盘的外圆内接于（B1），调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶分别与探测器光敏面⑷的两个短边相切于探测器光敏面⑷两个短边的中点（A1）和（A2）；斩波器调制盘旋转到亮场同步时刻时，斩波器调制盘的曝光扇叶⑴的两条扇叶边缘⑶尽量平行地扫过探测器光敏面⑷的两条短边的中点（A1）和（A2）。
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