多通道热释电IRFPA图像拼接采集系统

程 瑶

（重庆理工大学 电子信息与自动化学院，重庆400050）

引言

热释电红外探测器具有室温下工作，不需要致冷、频谱响应宽、体积小、质量轻、反应快、易与微电子技术兼容等优点［1］。由于热释电材料的优点，促进了热释电效应及其应用的研究，发现并改进了一些重要的热释电材料，使其广泛应用于各类工业和空间技术等辐射计、红外激光探测和热成像等方面。因此热释电型IRFPA颇受国内外重视，发展十分迅速。热释电型非制冷红外探测器应用系统的相关研究以及改善探测器成像质量的研究等，对于提高国家国防实力具有十分重大的意义。而这些问题的研究工作都需要一个图像采集系统来支持［2］。为了得到分辨率高清晰的图像，红外探测器向大面阵和长线列方向发展［3］，探测元的规模有了很大的提高，对相应的图像采集系统的数据传输和处理能力也有了较高的要求。焦平面的工作条件及模拟输出也发生了变化［4］，因此急需设计出适合该探测器的图像采集系统。

1 热释电IRFPA多通道读出设计原理

目前主流的大规模IRFPA探测器设计时，采用的是多路通道输出，以此来增大积分时间，输出动态范围会变大，响应率也会随之变大。其设计原理框图如图1所示。

图1 多通道热释电读出电路框图Fig.1 Diagram of multi-channel pyroelectric readout circuit

多通道读出电路由n组单元电路阵列、n组信号处理及输出电路、n组并行工作的列扫描电路、行扫描电路以及驱动信号源电路等构成［5］。其中信号处理及输出电路包含了放大器阵列、相关双采样电路及输出级。读出电路内部的各种驱动信号由驱动信号源电路产生。

热释电探测器阵列探测的n组电信号先由放大器放大，再经相关双采样电路及多路开关输出级，最后同时串行输出信号。n组输出电路分别输出V1，V2，…，Vn，这n组信号通过拼接处理即可形成完整的探测器阵列信号。

根据热释电IRFPA成像原理，探测器仅对于交变的热辐射产生响应，能探测引起温度变化的辐射。所以热释电探测器在探测时需附加一个调制器，对于凝视型成像一般采用斩波调制方式［6］。IRFPA探测器放在斩波器后面，斩波器透光区域可以接受对应红外辐射，此时输出信号称为亮场信号；而被斩波器遮挡的不透光区域则不能接受红外辐射，此时输出信号称为暗场信号［6］。当斩波器旋转时亮暗场信号交替输出，实现了对红外入射辐射信号的调制，随着斩波器的旋转，在一个周期内完成对探测器面阵的推扫［7］，使探测器上各像元分时完成连续的曝光，从而实现把红外光辐射信号转变成电信号。

每组输出电路输出的信号均分别输出亮场及暗场2路信号，即V1（1）、V1（2）和V2（1）、V2（2）信号等。因此在采集图像信号时，必须区分判断亮场输出信号及暗场输出信号，同时要将相邻亮场和暗场对应像素的输出信号进行同步的采集，对应帧要进行相减运算才可成像［8］。

2 图像采集时序

热释电IRFPA要正常工作，必须由外部提供适当的驱动信号和工作电压。驱动电路为热释电探测器读出电路提供所必需的各个驱动脉冲信号，以便使其扫描电路以及信号处理、输出电路能正常工作，输出相应的红外视频信号。这些信号的波形、前后沿时间、高低电平等等都会对器件工作的好坏有影响。驱动电路的时序如图2所示。CHOP为外部斩波信号，它是外面斩波器发出的外同步信号。这个信号具有随机性，器件在CHOP信号正脉宽和负脉宽包容下采集图像信息。为了使IRFPA与斩波器同步，利用CHOP信号产生一个与CP时钟信号同步的信号SYNC。

图2 热释电IRFPA工作时序示意图Fig.2 Time sequence of pyroelectric IRFPA

SX为行起始信号，SY为场起始信号。扫描电路驱动时钟包括垂直方向的Y1、Y2信号和水平方向的X1、X2信号。FR为扫描所需的复位信号，使对应的行像元能够同时复位。SH2和SH1信号为处理电路所需的采样控制信号，用于控制读出电路的相关双采样。SH2在红外图像信号最强时采样，而SH1在复位后采样，如此两次采样经过差分运算即可消除和抑制噪声。因此在时序上，应先让SH2信号有效去采样，然后FR信号有效使其复位，紧接着让SH1信号有效进行再采样。

依据热释电IRFPA驱动时序要求，SYNC信号为高电平则表示为热释电IRFPA接受红外辐射的亮场，SYNC信号为低电平则表示为热释电IRFPA未接受辐射的暗场。因此可以SYNC信号来作为图像采集的亮暗场同步判断信号。

利用场起始信号SY作为采样的起始信号，用于触发采集卡开始信号的采样，用IRFPA的像元个数来控制采样的个数，从而来控制采集卡结束采样，采集一次即是采集一帧数据。利用扫描时钟信号X1、X2产生图像采集的采样时钟信号，控制A／D采集的采样时序，保证在各个像元输出的平顶部分进行数据的采样［8］。

3 图像拼接采集系统设计

大规模探测器因为采用了多通道输出，所以需要对多路输出图像信号进行拼接成像。因此对多通道输出的热释电IRFPA进行图像的拼接采集具有非常重要的意义。同时由热释电IRFPA的成像原理，需要对每一路输出的图像信号进行亮场、暗场信号的判断及差分处理。

3.1 系统的构成

利用虚拟仪器技术构建PC-DAQ采集系统［9］，PCI数据采集卡采集每个像元对应输出的电压信号，通过差分以及拼接处理后得到一帧完整数据，经过灰度变换将电压值映射成灰度值，最终在软件平台上显示图像。利用LabVIEW软件开发平台来实现对图像采集的控制、图像数据的处理以及图像的显示编码。该PC-DAQ虚拟仪器系统的构成如图3所示。多通道热释电IRFPA输出的多路图像数据由NI公司的PCI-DAQ卡来实现多路并行采集。实验中采用的数据采集卡是NI公司的PCI-6115数据采集卡，此采集卡内部有4个12位的ADC，可以实现4路并行采集工作。动态范围可以从±50V调整到±200mV，可检测到的信号的最小幅度值可以从24.4mV调整到97.7μV，其最大采样速率可以达到10×106信道／s［10］。

图3 热释电IRFPA拼接图像采集系统框图Fig.3 Structure diagram of pyroelectric IRFPA mosaic image acquisition system

采集卡的采集时序由驱动电路提供的驱动信号来控制，SYNC作为亮暗场判断的同步控制信号，SY作为采集卡的采集触发信号，ADclk作为采集卡ADC的采样时钟，从而实现对IRFPA各个像元的准确采样，并实现亮暗场的同步判断。

3.2 软件设计

该采集系统的软件设计是系统的核心，由软件来控制整个系统的正常运行。该软件系统的框架设计如图4所示。系统包括采集控制模块、波形显示模块、图像处理模块以及图像显示模块。采集控制模块要对数据采集卡的采集时序进行正确控制，保证各个像元的准确采集，同时对同步信号进行同步采集，实现对热释电信号的亮、暗场判断。波形显示模块实现对采集数据的波形显示，分别对亮场信号、暗场信号、差分信号、多路输出信号进行波形显示，方便实验调试用。图像处理模块实现对采集的每一路图像数据进行亮、暗场判断及差分处理，同时对多路差分后的信号进行拼接处理，保证第一路输出的末端与第二路输出的首端拼接相连，以此类推。同时图像处理模块还要实现对电压数据的灰度变换处理。图像显示模块实现对图像信号的灰度编码，实现在软件平台对红外图像的显示。

图4 软件系统结构示意图Fig.4 Diagram of software system construction

软件系统的设计流程如图5所示。为了能采集同步，系统通过采集斩波器的同步信号SYNC，根据软件来判断信号的高低电平从而来判断亮、暗场。因此采集卡需要采集数字信号SYNC，同时也要并行采集图像电压信号。在配置采集卡时，需要对模拟输入通道及数字输入通道依据硬件连线情况进行设置。为了能与像元的输出同步，数字输入通道的时钟DI Scan Start设置为模拟输入通道的采样信号AI Scan Start，保证在采集模拟信号的同时采集数字信号。

根据IRFPA像元的个数来控制采集卡的结束，当结束采样时，各路采集到的信号通过SYNC同步信号的高低电平来对亮场信号及暗场信号进行区分，从而实现亮场信号与暗场信号的差分处理。差分后的各路信号通过软件拼接算法合并成一幅完整的红外图像电压数据。由灰度变换算法，对电压值进行线性映射，实现256级灰度值变换。由灰度编码算法即可在软件平台上显示红外图像。

图5 软件程序流程图Fig.5 Flow chart of software program

4 图像采集结果

采用拼接成像采集系统对热释电读出电路（ROIC）进行成像实验。图6是对双通道ROIC拼接前以及拼接后的波形显示，图7是对双通道并行采集而拼接成的160列×120行的图像。图8是对四通道ROIC并行采集而拼接成的320列×120行的图像。

图6 双通道拼接前后信号输出波形Fig.6 Output waveform of two channels'signal before and after mosaic

图7 160列×120行双通道拼接成像结果Fig.7 Mosaic image of 160×120 two-channels

图8 320列×120行四通道拼接成像结果Fig.8 Mosaic image of 320×120 four-channels

5 结论

通过对双通道、四通道型热释电IRFPA读出电路进行图像采集实验，验证了采集系统的可行性。该系统能对多通道输出的热释电图像信号进行差分解调及拼接，最终在软件平台上显示完整的图像。改进单通道读出型热释电IRFPA的采集方式，通过设计多通道读出结构，采用软件解调、拼接方式对多通道热释电IRFPA进行采集成像，双通道热释电IRFPA读出速度提高1倍，四通道热释电IRFPA读出速度提高3倍。

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