CN106595869B - 一种高分辨率制冷型红外热像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率制冷型红外热像仪，红外光学***的输入端接收红外辐射信号，输出连接红外焦平面探测器，红外焦平面探测器的输出端连接探测器驱动模块的模拟信号读出单元，其输出端连接ADC转换模块，ADC转换模块的输出端连接信号处理及成像模块，信号处理及成像模块输出视频信号，同时输出端连接探测器驱动模块的数字驱动信号单元；电源模块的输出端连接各模块的电源端口。本发明具有稳定性好、结构紧凑、功耗小、成本低等优势，能实时完成对图像数据的各种运算、切换、并输出到显示***。配合显示***和按键实现人机交互：对探测器阈值的控制和实现拍照、录像、播放、存储、传输等功能。
Description
技术领域
本发明属于红外成像仪，涉及一种高分辨率制冷型红外热像仪。
背景技术
红外成像***在军事和民用领域都有广泛的应用前景。在军事上，该***主要用于红外预警、红外侦察、红外制导、生化分析等；在民用领域，该***可用于生物医药分析、海上油监、太阳照度监测、刑事侦察、森林防火、空间观测、染病谷物剔除、和灾害天气监测及预报等。
1024×768红外探测器具有稳定性好、结构紧凑、功耗小、成本低等优势，但红外热像仪的距离不够远，不能达到非接触、快速准确探测红外辐射的高分辨率制冷型红外热像仪成像。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高分辨率制冷型红外热像仪。
技术方案
一种高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于包括红外光学***、红外焦平面探测器、探测器驱动模块、ADC转换模块、信号处理及成像模块及电源模块；红外光学***的输入端接收红外辐射信号，输出连接红外焦平面探测器，红外焦平面探测器的输出端连接探测器驱动模块的模拟信号读出单元，其输出端连接ADC转换模块，ADC 转换模块的输出端连接信号处理及成像模块，信号处理及成像模块输出视频信号，同时输出端连接探测器驱动模块的数字驱动信号单元；电源模块的输出端连接各模块的电源端口，探测器驱动模块内的探测器供电VDD单元、探测器偏压供给DIG单元和探测器偏压供给PRV单元为探测器提供驱动电源；信息流程为：辐射源所发出的红外光通过红外光学***，照射到红外焦平面探测器上，产生光电转换从而将红外光图像转换成电荷图像；然后经探测器驱动模块对探测器输出的模拟信号流进行负载匹配、阻抗匹配以及电平转换，使得成为A/DDC转换能够接受的信号特性；ADC转换模块将模拟数据流转换为数字信号流，信号处理及成像模块将ADC转换模块输出的数字信号流进行处理输出视频信号。
所述红外光学***包括三个透镜，按光路走向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜和第三透镜为弯月正透镜，第二透镜为弯月负透镜，第二透镜和第三透镜前表面均采用非球面；各透镜间隔为：第一透镜与第二透镜间隔4.3mm、第二透镜与第三透镜间隔27.2mm、第三透镜与探测器间隔8.2mm。
所述第一透镜和第三透镜的材料为锗，第二透镜的材料为锗。
所述红外焦平面探测器选用分辨率为1024×768制冷探测器、像元尺寸16μm，模拟输出通道为8路，斯特林式制冷机。
所述探测器供电VDD单元包括采用AD8028ARM的D2和***电路；以L2电感、L3 电感、B2电感、C8电容、C9电容、C5电容组成的电源滤波电路，对D2的电源供电管脚进行去耦合滤波，以R3电阻、R4电阻和C13电容组成低通滤波信号为D2的正输入端，C15电容跨接D2的负输入端和输出端,起零点补偿作用；R14电阻和R15电阻为 D2负输入端偏值电阻，1+R14/R15为此电路的电压放大倍数，D2的输出端通过D3二极管的负极连接三极管Q1的输入极，R1电阻、R5电阻和R10电阻组成三极管Q1的扩流电路，为探测器提供电流为120mA，5.95V的输出电压。
所述探测器偏压供给DIG单元包括采用AD8028ARM的D8A和***电路；采用B4 电感、C23电容、C24电容、C25电容组成的电源滤波电路，对D8A的电源供电管脚进行去耦合滤波；以R25电阻、R24电阻和C32电容组成低通滤波信号为D8A的正输入端，C35电容、RP1电阻和R26电阻组成D8A的电路零点；D8A的输出经过C33电容和 C34电容组成的滤波电路，以及D6和D7组成保护电路，为探测器输出电流15mA和可调DIG输出电压。
所述探测器偏压供给PRV单元包括采用AD8028ARM的D8B和***电路；R29电阻和R31电阻组成D8B正输入端的低分压电路，C38电容、R32电阻和R30电阻组成的电路零点，R33电阻和R32电阻为D8B负输入端偏值电阻，比值1+R33/R32为此电路的电压放大倍数；D8B的输出经过C37电容和C36电容组成的滤波电路，以及D9二极管和D10二极管组成保护电路，为探测器输出电流15mA和PRV输出电压5.95V。
所述数字驱动信号单元采用SN65LVDS1DBV进行单端至差分转换，经过传输线传输后再由和SN65LVDS2DBV进行差分至单端进行转换。
所述ADC转换模块采用TI公司的OPA820IDBV的配合***电路组成；L6电感、C45 电容、C41电容组成的电源滤波电路，对U7的电源供电管脚进行去耦合滤波；电阻R36 电阻、R44电阻组成U7正输入端的分压电路，与探测器输出特性做匹配；C49电容、 C51电容和R40电阻构成U7的电路零点，R50电阻和R51电阻为U7负输入端的偏值电阻，比值1+R50/R51为电路的电压放大倍数，电压与后级ADC采样电路输入范围匹配； U7的输出端完成ADC的转换。
所述信号处理与成像模块包括FPGA、两片帧存芯片、系数存储器、两片显存、VGA显示芯片和RS422通信芯片；两片帧存芯片做乒乓处理，与FPGA连接；系数存储器促成1024K32BIT的存储，用来存储校正系数，与FPGA连接；FLASH存储程序和数据，与FPGA连接；两片显存做乒乓处理，与FPGA连接；RS422通信芯片做电平变换，与 FPGA连接；VGA显示芯片与两片显存连接；所述帧存的乒乓处理：当FPGA读取帧存第一帧存芯片中数据时，FPGA内部的NIOS软核对帧存第二帧存芯片中数据进行处理，当FPGA读取第二帧存芯片中数据时，FPGA内部的NIOS软核对帧存第一帧存芯片中数据进行处理；所述显存的乒乓处理：当VGA显示控制芯片读取第一显存中数据时，FPGA 向第二显存中写数据；当VGA显示控制芯片读取第二部显存中数据时，FPGA向第一显存中写数据。
有益效果
本发明提出的一种高分辨率制冷型红外热像仪，***具有稳定性好、结构紧凑、功耗小、成本低等优势，能实时完成对图像数据的各种运算、切换、并输出到显示***。配合显示***和按键实现人机交互：对探测器阈值的控制和实现拍照、录像、播放、存储、传输等功能。
本发明的优点
本发明的红外光学***采用非球面设计，优化设计可选择的变量增多，像差设计易于获得优良像质；结构简化：***采用三片透镜，引入两个非球面，其余均为球面，大大降低了工艺要求，结构紧凑，透过率高；光机装调方便：光路中的部件均为固定部件，装调简单，很大程度上降低了***的装调难度。
采用由低噪声运算放大器构成的低通滤波电路为探测器提供驱动电压VDD和为探测器DIG和PRV提供偏置电压驱动可以最大程度的满足探测器对输入供电以及偏置电压的噪声需求，极大的降低了探测器输出信号的噪声。
采用TI公司的OPA820IDBV配合ADI公司的模数转换芯片AD9240将探测器输出的模拟信号转换为数字信号，可以良好的匹配探测器的输出特性，并且将模数转换芯片的信噪比达到接近最大值。
采用FPGA+NIOS信号处理架构，配合两片帧存、一片系数存储器、一片FLASH、两片显存以及VGA显示芯片和RS422通信芯片，构成了信号处理及成像模块。信号处理及成像模块对探测器输出的原始信号进行两点校正和单点校正，采用改进的坏元检测方法，减少误判和漏判现象，提高盲元检测精度，采用先进的DCE算法提高图像对比度。根据权利要求1的所述的高分辨率制冷型红外热像仪，采用了FPGA为主控单元，可配置不同的探测器工作参数以提高探测效果，能实时完成对图像数据的各种运算、切换、并输出到显示***。配合显示***和按键实现人机交互。
附图说明
图1：高分辨率制冷型红外热像仪成像仪组成框图
图2：所示为本发明红外光学***的光路图
图3：探测器驱动模块的探测器供电VDD单元
图4：探测器驱动模块的探测器偏压供给DIG单元
图5：探测器驱动模块的探测器偏压供给PRV单元
图6：ADC转换模块
图7：信号处理与成像模块原理示意框图
图8：时序图
图9：时序图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
根据附图1所示的高分辨率制冷型红外热像仪成像仪，它主要由红外光学物镜Ⅰ、红外探测器Ⅱ、探测器驱动模块III、A/D转换Ⅳ、信号处理电路及成像模块Ⅴ、电源模块Ⅵ和显示器Ⅶ依次构成，所述的红外镜头Ⅰ通过红外探测器Ⅱ与驱动电路III相连，所述的驱动电路III通过A/D转换Ⅳ和信号处理电路及成像模块Ⅴ与显示器Ⅶ及数据输出设备电连接，所述的电源模块Ⅵ责为红红外探测器Ⅱ、探测器驱动模块III、ADC转换Ⅳ、信号处理电路及成像模块Ⅴ供电。
红外辐射源所发出的红外光通过大相对孔径红外光学物镜Ⅰ后，会聚到红外探测器Ⅱ的焦平面上，通过驱动电路III、A/D转换Ⅳ及信号处理电路及成像模块Ⅴ红外信号处理及成像模块完成光电转换和信号处理，形成目标和背景景物的红外视频图像，输出到显示器Ⅷ。
为接收尽可能多的目标辐射，提高***信噪比，红外光学物镜Ⅰ必须具备较大相对孔径。根据探测器性能参数和***指标，确定光学***的F数为2。通过整组透镜移动进行调焦，补偿在-40℃～+60℃的环境温度下，像面飘移造成的***像质下降的影响，使像面重新聚焦到到探测器焦平面上。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步介绍。
如图2所示为本发明红外光学***的光路图，按光路走向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、平行平板和探测器，第一透镜和第三透镜为弯月正透镜，第二透镜为弯月负透镜，第二透镜和第三透镜前表面均采用非球面。
外界景物辐射经第一透镜1(弯月正透镜、材料：硅)、第二透镜2(弯月负透镜、材料：锗)、第三透镜3(弯月正透镜、材料：硅)聚焦到探测器4焦平面上。
第一透镜与第二透镜间隔4.3mm、第二透镜与第三透镜间隔27.2mm、第三透镜与探测器间隔8.2mm。该光学***的具体参数如表1所示。
表1 光学***数据表
探测器驱动模块采用如下技术方案：探测器驱动模块由探测器供电VDD单元、探测器偏压供给DIG单元、探测器偏压供给PRV单元、数字驱动信号单元、模拟信号读出单元组成；1、探测器供电VDD单元：采用由低噪声运算放大器构成的低通滤波电路，并通过三极管扩流的方式为探测器提供驱动电压VDD，其电路连接关系见图3所示；2、探测器偏压供给DIG单元：采用低噪声运算放大器构成的偏置电压供给电路，为探测器DIG和PRV提供偏置电压驱动，其电路连接关系分别见图4所示；3、探测器偏压供给PRV单元：采用低噪声运算放大器构成的偏置电压供给电路，为探测器PRV提供偏置电压驱动，其电路连接关系分别见图5所示；采用以上三种方式可以最大程度的满足探测器对输入供电以及偏置电压的噪声需求，极大的降低了探测器输出信号的噪声； 4、采用TI公司的OPA820IDBV配合***电路构成模拟信号读出电路，其电路连接关系见图6所示；5、数字驱动信号单元：数字驱动信号单元采用SN65LVDS1DBV进行单端至差分转换，经过传输线传输后再由和SN65LVDS2DBV进行差分至单端进行转换，使用这种方式可以保证探测器所需数字信号的信号完整性，并且可以降低数字信号对敏感的供电、偏压供给电路以及模拟信号读出的影响。
如图3本发明探测器驱动模块的探测器供电VDD单元,属于低噪声探测器电压供给电路，驱动电路III的功能是驱动探测器的电气接口，使之能够正常工作。
对探测器的VDD供电采用如图3所示电路构型，其主要采用AD8028ARM配合***电路组成；采用L2、L3、B2、C8、C9、C5组成的电源滤波电路，对D2的电源供电管脚进行去耦合滤波器，将D2的电源抑制比提高至-120dB，R3、R4和C13组成低通滤波器，设计-3dB截止带宽为1.526Hz；C15、R14组成电路零点,防止输出振荡；R1、 R5、D3、Q1、R10与D2配合组成扩流电路，提供电流可达120mA，输出电压稳定在5.95V，为探测器提供低噪声的稳定电源供给。元器件选型见表2所示。
表2 探测器供电VDD元器件选型表
如图4所示电路构型，为探测器驱动模块的探测器偏压供给DIG单元，对探测器的DIG偏置电压供电采用，其主要采用AD8028ARM配合***电路组成；采用B4、C23、 C24、C25组成的电源滤波电路，对D8A的电源供电管脚进行去耦合滤波器，将D8A的电源抑制比提高至-110dB，R25、R24和C32组成低通滤波器，设计-3dB截止带宽为 1.526Hz；C35、RP1、R26组成电路零点,防止输出振荡；D6、D7组成保护电路，防止输出电压值超过VDD；设计此电路其输出电流可达15mA，输出电压DIG根据探测出厂报告可调，为探测器提供低噪声的DIG偏置电压供给。元器件选型见表3所示。
表3 探测器供电DIG元器件选型表
如图5所示电路构型，为探测器驱动模块的探测器偏压供给PRV单元，对探测器的PRV偏置电压供给采用，其主要采用AD8028ARM配合***电路组成；其中R29、R31 组成低分压电路；C38、R32、R30组成电路零点,防止输出振荡；D9、D10保护电路，防止输出电压值超过VDD；设计此电路其输出电流可达15mA，输出电压稳定在5.95V，为探测器提供低噪声的稳定电源供给。元器件选型见表4所示。
表4 探测器供电PRV元器件选型表
如图6为本发明的ADC转换模块，其主要由TI公司出品的低噪声运算放大器OPA820IDBV配合***电路组成，其中L6、C45、C41组成的电源滤波电路，对U7的电源供电管脚进行去耦合滤波器，将U7的电源抑制比提高至-124dB，电阻R36、R44主要与探测器输出特性做匹配，C49、C51、R40构成电路零点，起到稳定输出的作用。元器件选型见表所示。
表5 ADC转换前端电路元器件选型表
| 元器件器件标识号 | 元器件型号 | 元器件封装 | 元器件精度 |
| R36 | 51Ω | 0402 | 1％ |
| R44 | 200KΩ | 0402 | 1％ |
| R50 | 200KΩ | 0402 | 1％ |
| R51 | 510Ω | 0402 | 1％ |
| R40 | 10Ω | 0402 | 1％ |
| C49 | 5.6pF | 0603 | 5％ |
| C41 | 0.1uF | 0603 | 5％ |
| C45 | 2.2uF | 0603 | 5％ |
| L6 | 2.2uH | 0603 | 5％ |
| U7 | OPA820IDBV | SOT332 |
如图7为本发明的信号处理与成像模块原理示意框图。具体实施方案如下：采用FPGA+NIOS信号处理架构，配合两片帧存、一片系数存储器、一片FLASH、两片显存以及VGA显示芯片和RS422通信芯片，构成了信号处理及成像模块。信号处理及成像模块对探测器输出的原始信号进行两点校正和单点校正，采用改进的坏元检测方法，减少误判和漏判现象，提高盲元检测精度，采用先进的DCE算法提高图像对比度。
选取两片IS61WV102416BLL芯片作为帧存储器，如图中所示的帧存1SRAM和帧存2SRAM,两片帧存做乒乓处理，当FPGA读取帧存1SRAM中数据时，FPGA内部的NIOS 软核对帧存2SRAM进行处理，当FPGA读取帧存2SRAM中数据时，FPGA内部的NIOS软核对帧存1SRAM进行处理，见图8时序所示。
系数存储其采用两片IS61LV51232BLL串联促成1024K 32BIT的存储，用来存储校正系数。
FLASH采用EPCS64用来存储程序和数据。
RS422通信采用MAX1484EUB芯片做电平变换。
选取两片IS61WV102416BLL芯片作为显示存储器，如图中所示的显存1SRAM和显存2SRAM,两片显存做乒乓处理，当VGA显示控制芯片读取显存1中数据时，FPGA向显存2中写数据；当VGA显示控制仙品读取显存2中数据时，FPGA向显存1中写数据。见图9时序所示。
本发明采用的电源模块Ⅵ采用输入电源滤波、模块屏蔽、共模地线隔离、后端输出电压滤波等措施，以降低电压纹波和干扰噪声，从而保证探测器的灵敏度和后端A/D 转换时的有效分辨率。
Claims (7)
1.一种高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于包括红外光学***、红外焦平面探测器、探测器驱动模块、ADC转换模块、信号处理及成像模块及电源模块；红外光学***的输入端接收红外辐射信号，输出连接红外焦平面探测器，红外焦平面探测器的输出端连接探测器驱动模块的模拟信号读出单元，红外焦平面探测器的输出端连接ADC转换模块，ADC转换模块的输出端连接信号处理及成像模块，信号处理及成像模块输出视频信号，同时输出端连接探测器驱动模块的数字驱动信号单元；电源模块的输出端连接各模块的电源端口，探测器驱动模块内的探测器供电VDD单元、探测器偏压供给DIG单元和探测器偏压供给PRV单元为探测器提供驱动电源；信息流程为：辐射源所发出的红外光通过红外光学***，照射到红外焦平面探测器上，产生光电转换从而将红外光图像转换成电荷图像；然后经探测器驱动模块对探测器输出的模拟信号流进行负载匹配、阻抗匹配以及电平转换，使得成为ADC转换器能够接受的信号特性；ADC转换模块将模拟数据流转换为数字信号流，信号处理及成像模块将ADC转换模块输出的数字信号流进行处理输出视频信号；
所述探测器供电VDD单元包括采用AD8028ARM的D2和***电路；以L2电感、L3电感、B2电感、C8电容、C9电容、C5电容组成的电源滤波电路，对D2的电源供电管脚进行去耦合滤波，R3电阻、R4电阻和C13电容组成的低通滤波电路与D2的正输入端连接，C15电容跨接D2的负输入端和输出端,起零点补偿作用；R14电阻和R15电阻为D2负输入端偏值电阻，1+R14/R15为***电路的电压放大倍数；
D2的输出端通过D3二极管的负极连接三极管Q1的输入极，R1电阻、R5电阻和R10电阻组成三极管Q1的扩流电路，为探测器提供120mA的电流，5.95V的输出电压；
所述探测器偏压供给DIG单元包括采用AD8028ARM的D8A和***电路；采用B4电感、C23电容、C24电容、C25电容组成的电源滤波电路，对D8A的电源供电管脚进行去耦合滤波；R25电阻、R24电阻和C32电容组成的低通滤波电路与D8A的正输入端连接，C35电容、RP1电阻和R26电阻组成D8A的电路零点；D8A的输出经过C33电容和C34电容组成的滤波电路，以及D6二极管和D7二极管组成保护电路，为探测器输出电流15mA和可调DIG输出电压；
所述探测器偏压供给PRV单元包括采用AD8028ARM的D8B和***电路；R29电阻和R31电阻组成D8B正输入端的低分压电路，C38电容、R32电阻和R30电阻组成电路零点，R33电阻和R32电阻为D8B负输入端偏值电阻，比值1+R33/R32为此电路的电压放大倍数；D8B的输出经过C37电容和C36电容组成的滤波电路，以及D9二极管和D10二极管组成保护电路，为探测器输出电流15mA和PRV输出电压5.95V。
2.根据权利要求1所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述红外光学***包括三个透镜，按光路走向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜和第三透镜为弯月正透镜，第二透镜为弯月负透镜，第二透镜和第三透镜前表面均采用非球面；各透镜间隔为：第一透镜与第二透镜间隔4.3mm、第二透镜与第三透镜间隔27.2mm、第三透镜与探测器间隔8.2mm。
3.根据权利要求2所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述第一透镜和第三透镜的材料为锗，第二透镜的材料为锗。
4.根据权利要求1所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述红外焦平面探测器选用分辨率为1024×768的制冷探测器、像元尺寸16μm，模拟输出通道为8路，制冷机为斯特林式制冷机。
5.根据权利要求1所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述数字驱动信号单元采用SN65LVDS1DBV进行单端至差分转换，经过传输线传输后再由SN65LVDS2DBV进行差分至单端进行转换。
6.根据权利要求1所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述ADC转换模块采用TI公司的OPA820IDBV配合***电路组成；L6电感、C45电容、C41电容组成的电源滤波电路，对U7比较器的电源供电管脚进行去耦合滤波；电阻R36、电阻R44组成U7比较器正输入端的分压电路，与探测器输出特性做匹配；C49电容、C51电容和R40电阻构成U7比较器的电路零点，R50电阻和R51电阻为U7比较器负输入端的偏值电阻，比值1+R50/R51为电路的电压放大倍数，电压与后级ADC采样电路输入范围匹配；由U7比较器的输出端完成模拟信号到数字信号的转换。
7.根据权利要求1所述高分辨率制冷型红外热像仪，其特征在于：所述信号处理与成像模块包括FPGA、两片帧存芯片、系数存储器、两片显存、VGA显示芯片和RS422通信芯片；两片帧存芯片做乒乓处理，与FPGA连接；系数存储器促成1024K32BIT的存储，用来存储校正系数，与FPGA连接；FLASH存储程序和数据，与FPGA连接；两片显存做乒乓处理，与FPGA连接；RS422通信芯片做电平变换，与FPGA连接；VGA显示芯片与两片显存连接；所述帧存的乒乓处理：当FPGA读取帧存第一帧存芯片中数据时，FPGA内部的NIOS软核对帧存第二帧存芯片中数据进行处理，当FPGA读取第二帧存芯片中数据时，FPGA内部的NIOS软核对帧存第一帧存芯片中数据进行处理；所述显存的乒乓处理：当VGA显示控制芯片读取第一显存中数据时，FPGA向第二显存中写数据；当VGA显示控制芯片读取第二部显存中数据时，FPGA向第一显存中写数据。
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