多通道熱釋電IRFPA圖像拼接采集系統(tǒng)

程 瑤

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，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、頻譜響應寬、體積小、質量輕、反應快、易與微電子技術兼容等優(yōu)點［1］。由于熱釋電材料的優(yōu)點，促進了熱釋電效應及其應用的研究，發(fā)現并改進了一些重要的熱釋電材料，使其廣泛應用于各類工業(yè)和空間技術等輻射計、紅外激光探測和熱成像等方面。因此熱釋電型IRFPA頗受國內外重視，發(fā)展十分迅速。熱釋電型非制冷紅外探測器應用系統(tǒng)的相關研究以及改善探測器成像質量的研究等，對于提高國家國防實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，對相應的圖像采集系統(tǒng)的數據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］，因此急需設計出適合該探測器的圖像采集系統(tǒng)。

1 熱釋電IRFPA多通道讀出設計原理

目前主流的大規(guī)模IRFPA探測器設計時，采用的是多路通道輸出，以此來增大積分時間，輸出動態(tài)范圍會變大，響應率也會隨之變大。其設計原理框圖如圖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、行掃描電路以及驅動信號源電路等構成［5］。其中信號處理及輸出電路包含了放大器陣列、相關雙采樣電路及輸出級。讀出電路內部的各種驅動信號由驅動信號源電路產生。

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

根據熱釋電IRFPA成像原理，探測器僅對于交變的熱輻射產生響應，能探測引起溫度變化的輻射。所以熱釋電探測器在探測時需附加一個調制器，對于凝視型成像一般采用斬波調制方式［6］。IRFPA探測器放在斬波器后面，斬波器透光區(qū)域可以接受對應紅外輻射，此時輸出信號稱為亮場信號；而被斬波器遮擋的不透光區(qū)域則不能接受紅外輻射，此時輸出信號稱為暗場信號［6］。當斬波器旋轉時亮暗場信號交替輸出，實現了對紅外入射輻射信號的調制，隨著斬波器的旋轉，在一個周期內完成對探測器面陣的推掃［7］，使探測器上各像元分時完成連續(xù)的曝光，從而實現把紅外光輻射信號轉變成電信號。

每組輸出電路輸出的信號均分別輸出亮場及暗場2路信號，即V1（1）、V1（2）和V2（1）、V2（2）信號等。因此在采集圖像信號時，必須區(qū)分判斷亮場輸出信號及暗場輸出信號，同時要將相鄰亮場和暗場對應像素的輸出信號進行同步的采集，對應幀要進行相減運算才可成像［8］。

2 圖像采集時序

熱釋電IRFPA要正常工作，必須由外部提供適當的驅動信號和工作電壓。驅動電路為熱釋電探測器讀出電路提供所必需的各個驅動脈沖信號，以便使其掃描電路以及信號處理、輸出電路能正常工作，輸出相應的紅外視頻信號。這些信號的波形、前后沿時間、高低電平等等都會對器件工作的好壞有影響。驅動電路的時序如圖2所示。CHOP為外部斬波信號，它是外面斬波器發(fā)出的外同步信號。這個信號具有隨機性，器件在CHOP信號正脈寬和負脈寬包容下采集圖像信息。為了使IRFPA與斬波器同步，利用CHOP信號產生一個與CP時鐘信號同步的信號SYNC。

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

SX為行起始信號，SY為場起始信號。掃描電路驅動時鐘包括垂直方向的Y1、Y2信號和水平方向的X1、X2信號。FR為掃描所需的復位信號，使對應的行像元能夠同時復位。SH2和SH1信號為處理電路所需的采樣控制信號，用于控制讀出電路的相關雙采樣。SH2在紅外圖像信號最強時采樣，而SH1在復位后采樣，如此兩次采樣經過差分運算即可消除和抑制噪聲。因此在時序上，應先讓SH2信號有效去采樣，然后FR信號有效使其復位，緊接著讓SH1信號有效進行再采樣。

依據熱釋電IRFPA驅動時序要求，SYNC信號為高電平則表示為熱釋電IRFPA接受紅外輻射的亮場，SYNC信號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信號來作為圖像采集的亮暗場同步判斷信號。

利用場起始信號SY作為采樣的起始信號，用于觸發(fā)采集卡開始信號的采樣，用IRFPA的像元個數來控制采樣的個數，從而來控制采集卡結束采樣，采集一次即是采集一幀數據。利用掃描時鐘信號X1、X2產生圖像采集的采樣時鐘信號，控制A／D采集的采樣時序，保證在各個像元輸出的平頂部分進行數據的采樣［8］。

3 圖像拼接采集系統(tǒng)設計

大規(guī)模探測器因為采用了多通道輸出，所以需要對多路輸出圖像信號進行拼接成像。因此對多通道輸出的熱釋電IRFPA進行圖像的拼接采集具有非常重要的意義。同時由熱釋電IRFPA的成像原理，需要對每一路輸出的圖像信號進行亮場、暗場信號的判斷及差分處理。

3.1 系統(tǒng)的構成

利用虛擬儀器技術構建PC-DAQ采集系統(tǒng)［9］，PCI數據采集卡采集每個像元對應輸出的電壓信號，通過差分以及拼接處理后得到一幀完整數據，經過灰度變換將電壓值映射成灰度值，最終在軟件平臺上顯示圖像。利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺來實現對圖像采集的控制、圖像數據的處理以及圖像的顯示編碼。該PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)的構成如圖3所示。多通道熱釋電IRFPA輸出的多路圖像數據由NI公司的PCI-DAQ卡來實現多路并行采集。實驗中采用的數據采集卡是NI公司的PCI-6115數據采集卡，此采集卡內部有4個12位的ADC，可以實現4路并行采集工作。動態(tài)范圍可以從±50V調整到±200mV，可檢測到的信號的最小幅度值可以從24.4mV調整到97.7μV，其最大采樣速率可以達到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

采集卡的采集時序由驅動電路提供的驅動信號來控制，SYNC作為亮暗場判斷的同步控制信號，SY作為采集卡的采集觸發(fā)信號，ADclk作為采集卡ADC的采樣時鐘，從而實現對IRFPA各個像元的準確采樣，并實現亮暗場的同步判斷。

3.2 軟件設計

該采集系統(tǒng)的軟件設計是系統(tǒng)的核心，由軟件來控制整個系統(tǒng)的正常運行。該軟件系統(tǒng)的框架設計如圖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。采集控制模塊要對數據采集卡的采集時序進行正確控制，保證各個像元的準確采集，同時對同步信號進行同步采集，實現對熱釋電信號的亮、暗場判斷。波形顯示模塊實現對采集數據的波形顯示，分別對亮場信號、暗場信號、差分信號、多路輸出信號進行波形顯示，方便實驗調試用。圖像處理模塊實現對采集的每一路圖像數據進行亮、暗場判斷及差分處理，同時對多路差分后的信號進行拼接處理，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。同時圖像處理模塊還要實現對電壓數據的灰度變換處理。圖像顯示模塊實現對圖像信號的灰度編碼，實現在軟件平臺對紅外圖像的顯示。

圖4 軟件系統(tǒng)結構示意圖Fig.4 Diagram of software system construction

軟件系統(tǒng)的設計流程如圖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SYNC，根據軟件來判斷信號的高低電平從而來判斷亮、暗場。因此采集卡需要采集數字信號SYNC，同時也要并行采集圖像電壓信號。在配置采集卡時，需要對模擬輸入通道及數字輸入通道依據硬件連線情況進行設置。為了能與像元的輸出同步，數字輸入通道的時鐘DI Scan Start設置為模擬輸入通道的采樣信號AI Scan Start，保證在采集模擬信號的同時采集數字信號。

根據IRFPA像元的個數來控制采集卡的結束，當結束采樣時，各路采集到的信號通過SYNC同步信號的高低電平來對亮場信號及暗場信號進行區(qū)分，從而實現亮場信號與暗場信號的差分處理。差分后的各路信號通過軟件拼接算法合并成一幅完整的紅外圖像電壓數據。由灰度變換算法，對電壓值進行線性映射，實現256級灰度值變換。由灰度編碼算法即可在軟件平臺上顯示紅外圖像。

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

4 圖像采集結果

采用拼接成像采集系統(tǒng)對熱釋電讀出電路（ROIC）進行成像實驗。圖6是對雙通道ROIC拼接前以及拼接后的波形顯示，圖7是對雙通道并行采集而拼接成的160列×120行的圖像。圖8是對四通道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果Fig.7 Mosaic image of 160×120 two-channels

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

5 結論

通過對雙通道、四通道型熱釋電IRFPA讀出電路進行圖像采集實驗，驗證了采集系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)能對多通道輸出的熱釋電圖像信號進行差分解調及拼接，最終在軟件平臺上顯示完整的圖像。改進單通道讀出型熱釋電IRFPA的采集方式，通過設計多通道讀出結構，采用軟件解調、拼接方式對多通道熱釋電IRFPA進行采集成像，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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