專利名稱：一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微測(cè)輻射熱計(jì)讀出電路硬件定標(biāo)技術(shù)，特別是一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法。
背景技術(shù)：
紅外輻射能夠被探測(cè)是由于物質(zhì)內(nèi)部的相互作用，通過光子間交換的加熱效應(yīng)，或是通過直接電子吸收/內(nèi)部光電子效應(yīng)。前者，吸收輻射而加熱，使溫度升高，因此，測(cè)量出探測(cè)器隨溫度變化的參數(shù)，這樣的器件稱為平方律器件；后者，帶隙半導(dǎo)體中的價(jià)帶電子由于直接吸取光子而躍遷到導(dǎo)帶上，因此能夠檢測(cè)出導(dǎo)帶內(nèi)電子數(shù)的增加，這類器件稱為量子探測(cè)器，平方律和量子探測(cè)器之間最突出的差別就是后者必須制冷到低溫才能工作。
對(duì)于不需要進(jìn)行制冷的微測(cè)輻射熱計(jì)，其工作狀態(tài)受環(huán)境溫度影響特別大，表現(xiàn)在整機(jī)結(jié)構(gòu)中為各電路板上的IC器件的工作狀態(tài)會(huì)隨著外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生些許的改變，特別是一些分立元件的電學(xué)特性，導(dǎo)致部分提供給探測(cè)器工作所需的偏置電壓在一個(gè)平均值范圍內(nèi)發(fā)生上下微小的波動(dòng)，形成一定的噪聲，即如下式所示:
其中K 為隨時(shí)間變化的偏置電壓實(shí)際值K為理論上應(yīng)當(dāng)輸出的偏置電壓標(biāo)準(zhǔn)值，vm為受環(huán)境溫度影響的電壓波動(dòng)噪聲。這種波動(dòng)噪聲會(huì)影響到探測(cè)器進(jìn)行圖像行積分時(shí)所采到的有效信號(hào)的大小，導(dǎo)致即使是觀察均勻的背景，其圖像上每行之間也存在明顯的差異，這種差異就以條紋的形式表現(xiàn)出來，又因?yàn)槭切蟹e分，所以條紋會(huì)在圖像上不停的滾動(dòng)，大大降低了圖像質(zhì)量及信噪比(SNR)。目前應(yīng)用最廣泛的去除這種由于偏置電壓波動(dòng)而引起的條紋噪聲的辦法是對(duì)于得到的每一行的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行多幀累加取均值的算法，即連續(xù)采集多幀內(nèi)各行的數(shù)據(jù)并分別取其平均值，然后用各行數(shù)據(jù)減去該平均值的方法來抑制條紋的形成，這樣做的結(jié)果雖然能夠在一定程度上抑制條紋，但是對(duì)于外界照度很強(qiáng)時(shí)各行的均值差異較大，很多時(shí)候并不能完全去除該種條紋噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，針對(duì)外界輸出微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面的偏置電壓上存在隨時(shí)間變化波動(dòng)的噪聲而導(dǎo)致的圖像行積分采樣時(shí)列通道輸出的不均勻帶來的滾動(dòng)條紋問題，能夠有效的去除圖像上的滾動(dòng)條紋。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，步驟如下: 第一步，外界輻射入射到改進(jìn)的探測(cè)器焦平面上由焦平面的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電流的形式，即在標(biāo)準(zhǔn)的AFxM象元的探測(cè)器焦平面陣列基礎(chǔ)上做n的列延拓，位于ATxM象元陣列周圍，使原有的陣列大小NxM變?yōu)?況+b)xM ,將藍(lán)寶石作為列延拓背景象元的材料，整個(gè)象元陣列與讀出電路連接，AT、Μ, η的取值是根據(jù)現(xiàn)有的焦平面來選取，其中Μ, n為整數(shù)，N最大為1024，M最大為1024，η小于N;
第二步，讀出電路按照時(shí)序要求對(duì)每一幀的圖像按行積分:讀出電路是將探測(cè)器陣列所采集的電信號(hào)，按時(shí)序輸出，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，輸出Ν*Μ像素的圖像；
第三步，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理:
(1)讀出電路計(jì)算延拓出來的η列背景象元上當(dāng)前的入射輻射所引起的溫度一電壓信號(hào)的平均值；
(2)對(duì)一行上的所有N個(gè)像素積分完成后，將每個(gè)像素的積分值減去η列背景象元的電壓平均值；
(3)通過探測(cè)器焦平面輸出端口上的采樣電路對(duì)減去“背景象元”平均值的信號(hào)進(jìn)行采樣并輸出即得到了均勻的每一行像素的電壓值，從而達(dá)到消除條紋的目標(biāo)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):通過采用對(duì)環(huán)境輻射溫度不敏感的藍(lán)寶石材料制作的背景象元來對(duì)讀出電路做η元列延拓，通過對(duì)η列背景象元求和取均值的方式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值，并在輸出前將各采樣值與標(biāo)準(zhǔn)背景值取差，使得最后的實(shí)際輸出都保持在一個(gè)均勻的程度，從而有效的去除圖像上的滾動(dòng)條紋。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是探測(cè)器焦平面結(jié)構(gòu)圖。圖2是單個(gè)象元結(jié)構(gòu)圖。圖3是讀出電路結(jié)構(gòu)簡圖。圖4是讀出電路時(shí)序要求。圖5是輸出信號(hào)的采樣波形。圖6是H元延拓方式。圖7是偏置電壓噪聲引起的含有滾動(dòng)條紋的圖像。圖8是列輸出不均勻性被抑制的無滾動(dòng)條紋的圖像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，步驟如下:
第一步，外界輻射入射到改進(jìn)的探測(cè)器焦平面上由焦平面的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)
換成電流的形式，即在標(biāo)準(zhǔn)的ΛΤχΜ象元的探測(cè)器焦平面陣列基礎(chǔ)上做《的列延拓，位于ATxM象元陣列周圍，使原有的陣列大小if Xlf變?yōu)?將藍(lán)寶石作為η列延拓背景象元的材料，整個(gè)象元陣列與讀出電路連接；從M' 的取值是根據(jù)現(xiàn)有的焦平面來選取，其中N、Μ、η為整數(shù)，N最大為1024，M最大為1024，η 一般小于N，取其二分之一較為合適。下面內(nèi)容，取N為320，M為240，η為160為例。第二步，讀出電路按照時(shí)序要求對(duì)每一幀的圖像按行積分，
(O讀出電路:讀出電路是將探測(cè)器陣列所采集的電信號(hào)，按如圖4的時(shí)序輸出，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，讀出電路包含與紅外探測(cè)器陣列相應(yīng)的單元傳輸電流陣列，每個(gè)單元傳輸電流陣列由偏置電路10、水平增益電路11、積分電路12、采樣電路13、多路開關(guān)14依次連接組成，電流輸入端9與每個(gè)單元傳輸電流陣列連接，電流信號(hào)從電流輸入端9處輸入，依次經(jīng)過240個(gè)并聯(lián)的偏置電路10進(jìn)行調(diào)整，然后由水平增益電路11調(diào)整，再按行信號(hào)積分電路12進(jìn)行積分，由采樣電路13進(jìn)行采樣和多路開關(guān)14的選擇，輸出N*M像素的圖像，如圖3所示。(2)時(shí)序要求，其中，MC為探測(cè)器主時(shí)鐘，RESET為復(fù)位信號(hào)，INT為積分信號(hào)，SORTIE為視頻信號(hào)，DATAVALID是數(shù)據(jù)有效信號(hào)，LIGNEl是第一行讀出信號(hào)。探測(cè)器主時(shí)鐘MC的最高頻率為5.5 MHz和50%的占空比，是整個(gè)電路的操作同步的基礎(chǔ)。像素尋址是由主時(shí)鐘控制的靜態(tài)同步移位寄存器執(zhí)行的。像素信息是在每一個(gè)主時(shí)鐘周期率的讀出。積分信號(hào)INT允許來自一行的焦平面的信號(hào)積分，當(dāng)它是高水平的時(shí)候，于紋波操作模式，在INT階段必須在每個(gè)發(fā)送行積分，每幀240次。積分信號(hào)INT在主時(shí)鐘的上升沿必須改變狀態(tài)。它的周期必須大于340主時(shí)鐘周期。積分時(shí)間等于INT為高水平的持續(xù)時(shí)間減去2個(gè)主時(shí)鐘周期。最低積分時(shí)間是主時(shí)鐘周期。最大積分時(shí)間為318個(gè)主時(shí)鐘周期。復(fù)位信號(hào)RESET，通過迫使焦平面第一行的信號(hào)積分，使讀出電路的操作復(fù)位。在主時(shí)鐘的上升沿過程中，復(fù)位信號(hào)必須改變其狀態(tài)。每幀不得重復(fù)一次以上。數(shù)據(jù)有效信號(hào)DATAVALID，為了獲得讀出信息，是在積分結(jié)束后自動(dòng)設(shè)置到一個(gè)高電平。第一行讀出信號(hào)LIGNE1，自動(dòng)設(shè)置在高電平，以獲得來自第一行的FPA的信號(hào)輸出。第三步，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理:
(1)讀出電路計(jì)算延拓出來的η列背景象元上當(dāng)前的入射輻射所引起的溫度一電壓信號(hào)的平均值；
(2)對(duì)一行上的所有N個(gè)像素積分完成后，將每個(gè)像素的積分值減去η列背景象元的電壓平均值；
(3)通過探測(cè)器焦平面輸出端口上的采樣電路對(duì)減去“背景象元”平均值的信號(hào)進(jìn)行采樣并輸出即得到了均勻的每一行像素的電壓值，從而達(dá)到消除條紋的目標(biāo)。本發(fā)明從讀出電路結(jié)構(gòu)上來對(duì)探測(cè)器圖像行積分時(shí)由于工作偏置電壓的波動(dòng)帶來的條紋噪聲進(jìn)行抑制的方法，原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，且不占用后端的資源以及功耗。紅外輻射的光能要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芾^而以電壓的形式輸出，并能被后端的處理電路接收并進(jìn)行處理需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換一電流電壓轉(zhuǎn)換兩個(gè)過程，對(duì)于探測(cè)器來說，這兩個(gè)過程分別發(fā)生在探測(cè)器內(nèi)部的焦平面和讀出電路中，焦平面接收外界輻射的光能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男问?，并通過讀出電路的積分過程將電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒问捷敵?，附圖1、2為探測(cè)器焦平面及讀出電路的結(jié)構(gòu)圖。圖1所示為整個(gè)焦平面的結(jié)構(gòu)分布，紅外輻射I輻照在焦平面2上，焦平面2通過銦柱3與下面的讀出電路4連接，將吸收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骱笸ㄟ^讀出電路4進(jìn)行信號(hào)輸出5。
圖2是單一象元的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)于J^xM個(gè)象元的焦平面陣列，就是由JfxM個(gè)圖2中示意的結(jié)構(gòu)組成了整個(gè)焦平面。紅外輻射I透過襯底6依次輻照在焦平面N溝道7和焦平面P溝道8上，焦平面P溝道8通過銦柱3與下面的讀出電路4連接，將吸收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骱笸ㄟ^讀出電路4進(jìn)行信號(hào)輸出5。本發(fā)明的方法是針對(duì)JVxM象元的微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列做B列延拓，用受輻射照射溫度變化十分小的半導(dǎo)體材料作為“背景象元”，該背景象元搭載在讀出電路上，位于標(biāo)準(zhǔn)的JVxM大小陣列周圍，使原有的陣列大小變?yōu)椋脠D6表示。本發(fā)明的工作原理是:首先分析了該條紋產(chǎn)生的原因，是由于每個(gè)像素工作時(shí)偏置電壓上微小的波動(dòng)導(dǎo)致采樣值無法保持相等，而是在一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值的周圍上下波動(dòng)，從圖5中得到:
權(quán)利要求
1.一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，其特征在于步驟如下:第一步，外界輻射入射到改進(jìn)的探測(cè)器焦平面上由焦平面的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電流的形式，即在標(biāo)準(zhǔn)的JVxli象元的探測(cè)器焦平面陣列基礎(chǔ)上做Ii的列延拓，位于NxM象元陣列周圍，使原有的陣列大小ATxM變?yōu)?iV+n)xJ/ ,將藍(lán)寶石作為》列延拓背景象元的材料，整個(gè)象元陣列與讀出電路連接，N, m的取值是根據(jù)現(xiàn)有的焦平面來選取，其中Λ Μ, n為整數(shù)，N最大為1024，M最大為1024，η小于N; 第二步，讀出電路按照時(shí)序要求對(duì)每一幀的圖像按行積分:讀出電路是將探測(cè)器陣列所采集的電信號(hào)，按時(shí)序輸出，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，輸出N^M像素的圖像； 第三步，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理: (1)讀出電路計(jì)算延拓出來的η列背景象元上當(dāng)前的入射輻射所引起的溫度一電壓信號(hào)的平均值； (2)對(duì)一行上的所有N個(gè)像素積分完成后，將每個(gè)像素的積分值減去η列背景象元的電壓平均值； (3)通過探測(cè)器焦平面輸出端口上的采樣電路對(duì)減去“背景象元”平均值的信號(hào)進(jìn)行采樣并輸出即得到了均勻的每一行像素的電壓值，從而達(dá)到消除條紋的目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，其特征在于第二步中的讀出電路包含與紅外探測(cè)器陣列相應(yīng)的單元傳輸電流陣列，電流輸入端(9)與每個(gè)單元傳輸電流陣列連接，電流信號(hào)從電流輸入端(9)處輸入，依次經(jīng)過240個(gè)并聯(lián)的偏置電路(10)進(jìn)行調(diào)整，然后由水平增益電路(11)調(diào)整，再按行信號(hào)積分電路(12)進(jìn)行積分，由采樣電路(13)進(jìn)行采樣和多路開關(guān)(14)的選擇，輸出ATxM像素的圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，其特征在于第二步的時(shí)序要求中，MC為探測(cè)器主時(shí)鐘，RESET為復(fù)位信號(hào)，INT為積分信號(hào)，SORTIE為視頻信號(hào)，DATAVALID是數(shù)據(jù)有效信號(hào)，LIGNEl是第一行讀出信號(hào): 探測(cè)器主時(shí)鐘MC的最高頻率為5.5 MHz和50%的占空比，是整個(gè)電路的操作同步的基礎(chǔ)，像素尋址是由主時(shí)鐘控制的靜態(tài)同步移位寄存器執(zhí)行的，像素信息是在每一個(gè)主時(shí)鐘周期率的讀出； 積分信號(hào)INT允許來自一行的焦平面的信號(hào)積分，當(dāng)它是高電平的時(shí)候，在INT階段必須在逐個(gè)發(fā)送行積分，每幀240次； 積分信號(hào)INT在探測(cè)器主時(shí)鐘MC的上升沿改變狀態(tài)，它的周期大于340個(gè)主時(shí)鐘周期，積分時(shí)間等于INT為高電平的持續(xù)時(shí)間減去2個(gè)主時(shí)鐘周期，最低積分時(shí)間是主時(shí)鐘周期,最大積分時(shí)間為318個(gè)主時(shí)鐘周期； 復(fù)位信號(hào)RESET，通過迫使焦平面第一行的信號(hào)積分，使讀出電路的操作復(fù)位，在探測(cè)器主時(shí)鐘MC的上升沿過程中，復(fù)位信號(hào)改變其狀態(tài)，每幀不得重復(fù)一次以上； 數(shù)據(jù)有效信號(hào)DATAVALID在積分結(jié)束后自動(dòng)設(shè)置到一個(gè)高電平； 第一行讀出信號(hào)LIGNEl自 動(dòng)設(shè)置在高電平，以獲得來自第一行的FPA的信號(hào)輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抑制偏置電壓紋波和列輸出放大器通道不均勻的方法，外界輻射入射到改進(jìn)的探測(cè)器焦平面上由焦平面的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電流的形式，即在標(biāo)準(zhǔn)的象元的探測(cè)器焦平面陣列基礎(chǔ)上做的列延拓，位于象元陣列周圍，使原有的陣列大小變?yōu)?，將藍(lán)寶石作為列延拓背景象元的材料，整個(gè)象元陣列與讀出電路連接；讀出電路按照時(shí)序要求對(duì)每一幀的圖像按行積分，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，使得最后的實(shí)際輸出都保持在一個(gè)均勻的程度，從而有效的去除圖像上的滾動(dòng)條紋。
文檔編號(hào)G01R31/28GK103076552SQ201210080080
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者陳錢, 許轟烈, 顧國華, 隋修寶, 劉寧, 季爾優(yōu), 錢惟賢, 路東明, 于雪蓮, 張聞文, 何偉基, 毛義偉, 王士紳, 陳明杰 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)