CN116539160A - 非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***及方法，***包括：机箱、FPGA板卡、电源板卡模块、非制冷红外探测器、斩波器、面源辐射黑体；所述FPGA板卡以及电源模块设置在机箱内；所述斩波器设置在探测器与面源辐射黑体之间，且面源辐射黑体、斩波器以及探测器中心位于同一水平线，所述斩波器用于产生不同频率下的的信号，面源辐射黑体用于为探测器提供光源；所述FPGA板卡与非制冷红外探测器连接，用于产生探测器驱动信号以及接收探测器采集的图像数据；所述上位机对采集的图像数据进行处理，获得热时间常数。本发明在采集图像时，运用两个独立的fifo对于奇数行偶数行进行缓存，并直接按行输出，可以不需要另外板载缓存，节约了资源。
Description
技术领域
本发明属于探测器成像测试技术，具体为一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***及方法。
背景技术
随着科技日新月异的发展,特别是在微电子以及光电技术方面发展的尤为突出,在此期间种类繁多的红外器件出现在人们的视野中,并且在民用领域、军事领域都得到了广泛的应用。由于不同的物体所发出的红外辐射波段是特定的,因此利用物质的这一特性，人们通过判断特定的红外辐射波段来进行物体的辨别与检测,将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。
近些年来半导体工艺制造技术迅猛发展的需求量不断提升，与此同时带动着非制冷红外焦平面探测器技术也有着较为迅速的发展，虽然与制冷型红外探测器相比其灵敏度还有些欠缺，但相比于制冷型红外探测器，其优势在于有着更低的成本、更小的功耗、更轻质量、体积更小、启动及稳定速度快，因此有着更为广阔的应用及发展空间，正是因为有着更好的发展前景和空间，所以在该技术在未来的发展也更容易被推动，同时由于非制冷红外焦平面探测器技术其成本低，因此价格相对便宜，这也能满足了民用红外***和部分大规模装备的军事红外***的迫切需要。
非制冷红外焦平面探测器技术掀起了红外技术的一次新的革命，在军事和民用领域具有非常广泛的应用以及发展前景。而对于一项技术来说，在设计制造过程中往往不可或缺的重要组成部分便是测试验证技术，因此非制冷红外焦平面探测器其相应测试验证技术对于未来焦平面的设计改进以及应用开发研究都具有及其重要的推动意义和实用价值。
国外知名红外探测器测试***开发厂商已经将其提供的红外探测器测试方法在军事，民用领域进行了广泛的应用，并得到了用户广泛的认可，但因红外探测技术的敏感性和测试***对于红外探测器发展的重要意义，并且厂商大多对中国实行出口封锁，少部分可出口到中国的测试***或设备也存在着价格昂贵、后期维护不便等问题。
国内多家红外探测器厂商和相关科研院所也相继开展了红外探测器测试***的研究工作。设计并制定了适配自己产品的实用性测试***并进行了一定的推广应用。但与国外产品相比，不论是在测试***的自动化程度、还是测试***的稳定性以及测试精度等方面仍存在着一些差距。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种非制冷型红外探测器成像及测试***。
实现本发明目的的技术方案为：一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，包括：机箱、FPGA板卡、电源板卡模块、非制冷红外探测器、斩波器、面源辐射黑体；
所述FPGA板卡以及电源模块设置在机箱内；
所述斩波器设置在探测器与面源辐射黑体之间，且面源辐射黑体、斩波器以及探测器中心位于同一水平线，所述斩波器用于产生不同频率下的的信号，面源辐射黑体用于为探测器提供光源；
所述FPGA板卡与非制冷红外探测器连接，用于产生探测器驱动信号以及接收探测器采集的图像数据；
所述上位机对采集的图像数据进行处理，获得热时间常数。
优选地，所述非制冷红外探测器设置在探测器接口板上，通过设置在探测器接口板上的差分信号连接器与FPGA板卡上的连接器连接，实现FPGA板卡与非制冷红外探测器的连接。
优选地，所述探测器接口板中间为探测器夹具，用于固定探测器以及将探测器与接口板连接，左右两侧为两个68引脚的差分信号接口，用于与连接器相连，进而与FPGA板卡进行数据传输，接口板上下两端为电源连接器。
优选地，所述非制冷型红外探测器工作在帧频为25Hz，分辨率为1280*1024的工作状态，所述非制冷型红外探测器的主时钟为162MHz，像素数据经过片上的A/D转换模块转换为数字信号，并以串行的方式以四路LVDS差分形式输出，并伴有一路差分时钟信号。
优选地，所述FPGA板卡内置Kintex-7 FPGA芯片。
优选地，所述电源板卡为可编程电源板卡，为探测器提供3.6V的模拟电源、1.8V的数字电源以及3.6V～10V的偏置电源。
优选地，采集不同斩波频率下的图像数据，斩波器的斩波频率分别为0Hz、2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz。
本发明还提出了一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试方法，具体步骤如下：
步骤1、启动黑体辐射源，并将斩波器调至特定频率；
步骤2、运用Verilog代码编写I2C探测器配置驱动程序，并生成edf网表文件，在机箱上位机通过Labview平台调用edf网表文件，生成探测器配置驱动IP核，将该功能程序写入FPGA板卡，FPGA板卡使用探测器配置驱动IP核进行探测器驱动，通过探测器接口板向探测器传输驱动信号；
步骤3、红外探测器接收驱动信号，采集红外图像，并产生数字图像数据，通过接口板送入FPGA板卡；
步骤4、FPGA板卡对采集的数据按照奇数行偶数行进行还原；
步骤5、FPGA板卡将奇数行偶数行图像数据分别缓存在两个FIFO中，并按奇偶顺序依次按行输出；
步骤6、上位机对于FPGA板卡输出的连续100帧的图像数据进行采集保存；
步骤7、上位机通过热时间常数测试程序读取保存的图片，取某一点处的100帧图像的像素值存入数组中，并对100组数据进行傅里叶变换还原出对应斩波频率下的响应值；
步骤8、改变斩波器的调制频率为0Hz、2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，重复上述步骤中的内容，得到7组不同响应频率对应的响应值，对于得到的7组数据进行拟合，得到频率响应曲线，取出处所对应的截至频率，根据公式求出热时间常数，并在上位机前面板显示出来。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明由FPGA板卡实现探测器驱动及数据采集，并由NI***上位机保存图像数据，并进行测试，实现了探测器成像以及测试的一体化，能够在探测器采集图像之后，实时的将热时间常数测量出来，运用Labview编写的操作界面，操作简单，自动化强。(2)本发明在采集图像时，运用两个独立的fifo对于奇数行偶数行进行缓存，并直接按行输出，可以不需要另外板载缓存，节约了资源。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的结构框图。
图2为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的成像测试***设备连接图。
图3为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的图像采集流程图。
图4为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的图像数据还原解析图。
图5为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的探测器接口板结构图。
图6为本发明的非制冷行红外探测器成像及测试***的探测器夹具结构图。
图7为本发明的非制冷红外探测器成相机测试***的上位机测试软件前面板。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
本发明构思为，一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，包括：机箱、FPGA板卡、电源板卡模块、非制冷红外探测器、斩波器、面源辐射黑体；
所述FPGA板卡以及电源模块设置在机箱内；
所述斩波器设置在探测器与面源辐射黑体之间，且面源辐射黑体、斩波器以及探测器中心位于同一水平线，所述斩波器用于产生不同频率下的的信号，面源辐射黑体用于为探测器提供光源；
所述FPGA板卡与非制冷红外探测器连接，用于产生探测器驱动信号以及接收探测器采集的图像数据；
所述上位机对采集的图像数据进行处理，获得热时间常数。
结合图2和图3，一种非制冷行红外探测器成像及热时间常数测试方法，具体步骤如下：
步骤1、通过上位机控制电源模块对探测器接口板提供3.6V的模拟电源、1.8V的数字电源以及3.6V～10V的偏置电源；
启动黑体辐射源，并将斩波器调整到特定频率，本发明中使用的黑体辐射源为面源黑体；
步骤2、运用Verilog代码编写I2C探测器配置驱动程序，通过状态机实现I2C的起始信号、写设备地址、写寄存器地址、写入数据的步骤，并将配置信息写入自建的查找表中，依次进行写入，将该功能RTL代码成edf网表文件，在机箱上位机调用edf网表文件，生成探测器配置驱动IP核，将该功能程序写入FPGA板卡，FPGA板卡使用探测器配置驱动IP核进行探测器驱动，通过探测器接口板向探测器传输驱动信号：本发明中使用的FPGA板卡为内置有Kintex-7 FPGA芯片，其接口处需要***差分信号连接器，实现数据的输入输出。通过写好的I2C寄存器配置IP核，向探测器输出对应的初始化配置信息，完成探测容器的驱动；
步骤3、红外探测器接收驱动信号，采集红外图像，并产生数字图像数据，接口板两端的差分数据连接器与连接器通过差分数据线相连接，进而将四个通道图像数据，一个通道的时钟数据以及一个通道的帧同步数据送入FPGA板卡。本发明中使用的的非制冷型红外探测器其工作在帧频为25Hz，分辨率为1280*1024的工作状态，传感器的主时钟为162MHz，像素数据经过片上的A/D转换模块转换为数字信号，并以串行的方式以四路LVDS差分形式输出，并伴有一路差分时钟信号以及一路差分帧同步信号。探测器输出的为16bit位宽的像素值，输出时钟为50MHz。
红外探测器在接收到驱动信号，完成参数配置后会产生一个16bit的随机数a放入寄存器中，通过FPGA板卡读取该寄存器地址内的数据，并进行计算得到一个密钥值key，计算公式如下：
b＝a×216+a×210+a×24+1
key＝b/4
通过FPGA板卡将计算得到的32位配置密钥写入到探测器相应的寄存器地址中，等待100ms，读取解密结果的寄存器地址中的数据，若读取数据位1则表示验证密钥完成，开始采集图像数据以及帧同步信号。
步骤4、FPGA板卡对于接收到的四个通道的图像数据，按照图3的方式进行还原，通道A通道B每十六位的数据的前八位交叉排列得到奇数行的第一个16bit数据，后八位交叉排列得到奇数行的第二个16bit数据，通道C通道D每十六位的数据的前八位交叉排列得到偶数行的第一个16bit数，后八位交叉排列得到偶数行的第二个16bit数据以此类推，还原出偶数行和偶数行的图像数据。在每行开始时数据传输通道会输出特定的一个标识符1010_0000，交叉排列后显示出的十六进制标志为0xcc00；
步骤5、FPGA板卡对于还原的图像数据的奇数行偶数行分别用两个FIFO进行缓存，并设置一个计数器，用于计算行数，根据行同步信号以及帧同步信号来判断FIFO的读写有效时刻，根据计数器二进制数值的最后一位判断是奇数行还是偶数行，在帧同步限信号为高，行同步有效且计数器最后一位为0时将一行数据写入到奇数行FIFO中，在帧同步限信号为高，行同步有效且计数器最后一位为0时将一行数据写入到偶数行FIFO中。根据奇偶行标志依次拉高奇数行FIFO和偶数行FIFO的读使能，当FIFO中缓存大于一行数据是开始向上位机传输数据，上位机对于采集到的连续100帧图像分别进行保存。
步骤6、上位机对于FPGA板卡输出的连续100帧的图像数据进行采集保存；
步骤7、上位机通过热时间常数测试程序读取保存的图片，取某一点处的100帧图像的像素值存入数组中，并对100组数据进行傅里叶变换还原出对应斩波频率下的响应值；
步骤8、改变斩波器调制频率为0Hz、2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，重复上述步骤1-步骤5中的内容，分别保存7组斩波器调制频率下得到的100帧图像数据。
运用Labview编写的上位机测试程序循环处理100帧图像，设置提取范围，提取出图像中心位置3×3的像素区域，并依次存入到一个数组中。对于提取的带有像素值的数组进行平均值求解采用循环累加再除以总数的方式求解；并通过移位寄存器将每帧图片的像素均值存入一个数组中，得到了一个存放有100个像素均值的像素均值采样数组。对于数组中的100个像素数据进行FFT变换，还原出该斩波频率下的探测器响应值，重复上述内容，依次处理7组不同频率调制下的图像信息，还原出不同斩波频率下的响应值，并将响应值以及对应的频率值分别存入到两个数组中。对于得到的探测器响应频率以及响应值进行曲线拟合，拟合出频率响应曲线，取响应曲线最大值的处所对应的频率作为截止频率f。
根据求出的截止频率f可以求出热时间常数，公式如下：
τ＝1/2πf
根据公式在上位机对热时间常数进行计算，并在前面板显示出来，完成测试。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
Claims (10)
1.一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，包括：机箱、FPGA板卡、电源板卡模块、非制冷红外探测器、斩波器、面源辐射黑体；
所述FPGA板卡以及电源模块设置在机箱内；
所述斩波器设置在探测器与面源辐射黑体之间，且面源辐射黑体、斩波器以及探测器中心位于同一水平线，所述斩波器用于产生不同频率下的的信号，面源辐射黑体用于为探测器提供光源；
所述FPGA板卡与非制冷红外探测器连接，用于产生探测器驱动信号以及接收探测器采集的图像数据；
所述上位机对采集的图像数据进行处理，获得热时间常数。
2.根据权利要求1所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，所述非制冷红外探测器设置在探测器接口板上，通过设置在探测器接口板上的差分信号连接器与FPGA板卡上的连接器连接，实现FPGA板卡与非制冷红外探测器的连接。
3.根据权利要求2所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，所述探测器接口板中间为探测器夹具，用于固定探测器以及将探测器与接口板连接，左右两侧为两个68引脚的差分信号接口，用于与连接器相连，进而与FPGA板卡进行数据传输，接口板上下两端为电源连接器。
4.根据权利要求1所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，所述非制冷型红外探测器工作在帧频为25Hz，分辨率为1280*1024的工作状态，所述非制冷型红外探测器的主时钟为162MHz，像素数据经过片上的A/D转换模块转换为数字信号，并以串行的方式以四路LVDS差分形式输出，并伴有一路差分时钟信号。
5.根据权利要求1所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，所述FPGA板卡内置Kintex-7FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，所述电源板卡为可编程电源板卡，为探测器提供3.6V的模拟电源、1.8V的数字电源以及3.6V～10V的偏置电源。
7.根据权利要求1所述的非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试***，其特征在于，采集不同斩波频率下的图像数据，斩波器的斩波频率分别为0Hz、2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz。
8.一种非制冷型红外探测器成像及热时间常数测试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、启动黑体辐射源，并将斩波器调至特定频率；
步骤2、运用Verilog代码编写I2C探测器配置驱动程序，并生成edf网表文件，在机箱上位机通过Labview平台调用edf网表文件，生成探测器配置驱动IP核，将该功能程序写入FPGA板卡，FPGA板卡使用探测器配置驱动IP核进行探测器驱动，通过探测器接口板向探测器传输驱动信号；
步骤3、红外探测器接收驱动信号，采集红外图像，并产生数字图像数据，通过接口板送入FPGA板卡；
步骤4、FPGA板卡对采集的数据按照奇数行偶数行进行还原；
步骤5、FPGA板卡将奇数行偶数行图像数据分别缓存在两个FIFO中，并按奇偶顺序依次按行输出；
步骤6、上位机对于FPGA板卡输出的连续100帧的图像数据进行采集保存；
步骤7、上位机通过热时间常数测试程序读取保存的图片，取某一点处的100帧图像的像素值存入数组中，并对100组数据进行傅里叶变换还原出对应斩波频率下的响应值；
步骤8、改变斩波器的调制频率为0Hz、2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，重复上述步骤中的内容，得到7组不同响应频率对应的响应值，对于得到的7组数据进行拟合，得到频率响应曲线，取出1/2处所对应的截至频率，根据公式求出热时间常数，并在上位机前面板显示出来。
9.根据权利要求8所述的非制冷行红外探测器成像及热时间常数测试方法，其特征在于，步骤4中的图像数据还原格式如下：探测器共输出四个通道的数据，通道1通道2每十六位的数据的前八位交叉排列得到奇数行的第一个16bit数据，后八位交叉排列得到奇数行的第二个16bit数据，通道3通道4每十六位的数据的前八位交叉排列得到偶数行的第一个16bit数，后八位交叉排列得到偶数行的第二个16bit数据以此类推，还原出偶数行和偶数行的图像数据，在每行开始时数据传输通道输出特定的一个标识符1010_0000，交叉排列后显示出的十六进制标志为0xcc00，标志着一行数据的开始。
10.根据权利要求8所述的非制冷行红外探测器成像及热时间常数测试方法，其特征在于，获得热时间常数的具体过程为：
图像读取：通过Labview循环结构循环100次，顺序的读取保存下来的每一频率下采集的100帧图像，并通过添加图像转数组功能模块，设置提取范围，提取图像中间3*3区域像素点的像素值并存入到数组中；
求解像素均值：将提取的像素点的像素值数组进行平均值求解，定义一个初始的空数组，添加循环结构，并在循环结构中添加寄存器，数组中的元素依次进入循环体中，依次累加，循环结束对于输出累加和出以数组内元素个数，得到像素均值，对于每一帧图片求解出一个像素均值并存入到一个空数组中，循环100次后得到了一个存有100帧图像像素均值的采样数组；
傅里叶变换：采集频率设置为25Hz，数据长度为100，对于上一步得到的像素均值采样数组通FFT转换函数进行快速傅里叶变换，对于还原出来的函数进行最大值提取得到一个最大值max_data，再利用循环扫描横坐标，当对应的纵坐标数值与max_data相等时该横坐标对应着响应频率，纵坐标对应着响应值，将横坐标与纵坐标分别存入到两个空数组中，改变斩波器频率得到不同调制频率下的响应频率以及响应值，并依次存入到数组中，得到两组数据；
热时间常数测试求解：将求出的响应频率和响应值进行拟合，得到探测器的频率响应曲线，通过循环体比较数值大小，求出曲线最大值的处对应的横坐标即为截止频率f，根据截止频率f与时间常数的关系：τ＝1/(2πf),求出时间常数在前面板显示出来。。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117146990A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-01 | 北京波谱华光科技有限公司 | 一种基于非制冷红外探测器的低帧频外触发方法及*** |
-
2023
- 2023-03-02 CN CN202310188023.9A patent/CN116539160A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117146990A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-01 | 北京波谱华光科技有限公司 | 一种基于非制冷红外探测器的低帧频外触发方法及*** |
| CN117146990B (zh) * | 2023-08-30 | 2024-03-08 | 北京波谱华光科技有限公司 | 一种基于非制冷红外探测器的低帧频外触发方法及*** |
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