一種可實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統的製作方法
2023-10-11 02:59:44 5
專利名稱：一種可實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實時去背景的非製冷紅外焦平面陣列成像系統，尤其是一種利用紅外傳感器部分像元實時監測背景、噪聲信號，用以實時修正紅外圖像的非製冷紅外焦平面陣列成像系統。
背景技術：
傳統的紅外熱成像系統受成本、體積、重量、功耗等問題的影響，在工程應用推廣的過程中受到很大的限制。近年來興起的基於MOEMS技術的微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統，是一種非製冷紅外焦平面成像系統，該系統不需要製冷，不需要掃描，在體積、重量、功耗各方面有較大的優勢，往工程應用方面有較好的應用前景，目前受到了很多研究機構的重視。基於MOEMS技術的微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統， 採用焦平面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器，該器件是一種由熱膨脹係數相差較大的兩種材料組成的梁構成的陣列。當微懸臂梁吸收紅外輻射溫度上升，雙材料層之間達到熱平衡後，由於兩種材料的熱膨脹係數差別較大，它們之間的應力將使梁產生彎曲，彎曲量與微懸臂梁吸收的熱量成正比。探測每個梁的變形程度並組成陣列，即可以得到FPA探測到得外界紅外輻射場的分布。1996年，Oak Ridge National Lab 的 Thomas Thundat 等人驗證了雙材料微懸臂梁用於紅外探測器的可行性；1997年美國加州大學伯克利分校的Majumdar研究小組開展了基於光學幹涉讀出方式和非製冷雙材料微懸臂梁焦平面陣列，並在2001年首次獲得了 an 遠處人體的熱圖像。之後許多研究機構開展了系統研究。有文獻表明，目前有樣機的NETD 已經達到了 IOOmk以下。穩定性、可靠性是非製冷紅外焦平面成像系統能否得到工程應用推廣的關鍵指標之一。影響非製冷紅外焦平面成像系統穩定性、可靠性的因素主要有兩個方面，一方面是器件性能的制約，另一方面是系統整體設計水平。在器件性能無法得到進一步提升的情況下， 如何利用系統整體設計提高非製冷紅外焦平面陣列成像系統工作穩定性和可靠性，是的非製冷紅外焦平面成像技術的重要研究方向。
發明內容
本發明的目的是針對提高光讀出非製冷紅外焦平面陣列成像系統工作穩定性、可靠性的問題，提供一種可實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統方案，可以有效去除背景、噪聲、環境振動等因素對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性。本發明的目的是由以下技術方案來實現①本發明的可實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，包括紅外成像光路、 FPA、FPA變形讀出系統、圖像採集及處理系統。②該系統的成像特點是紅外成像系統將外界紅外輻射聚焦成像在FPA上，FPA陣列像元產生相應的變化；其變形量被FPA變形讀出系統測量並以灰度圖的形式傳遞給圖像採集與處理系統；圖像採集與處理系統對接收到的灰度圖進行處理，輸出圖像。③該系統的FPA以及圖像採集與處理系統中的CCD，其不同的區域分別實時接收背景信號與紅外輻射信號。④在圖像處理過程中，用背景信號的變化量實時修正紅外輻射信號形成的圖像， 從而去除背景、噪聲、環境振動等因素對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性。有益效果採用本發明可以實現對紅外圖像的實時修正，去除背景、噪聲、環境振動等因素對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性和靈敏度。較之早前的非製冷紅外焦平面成像系統，在同等條件下，其成像性能得到提高，並且對使用環境要求、系統器件要求也相應降低。
圖1是非製冷紅外焦平面成像系統組成示意圖；圖2(a)是本發明的FPA對外界輻射的實時響應區域劃分；圖2 (b)是本發明的圖像採集與處理系統中CXD對FPA圖像的響應。
具體實施例方式下面將詳細描述本發明的具體實施例。1.系統組成如圖1所示，本發明的實時扣背景的非製冷紅外焦平面成像系統，包括紅外成像光路、FPA、FPA變形讀出系統、圖像採集與處理系統。2.成像過程如圖1所示，紅外成像系統將外界紅外輻射聚焦成像在FPA上，FPA陣列像元產生相應的變化；其變形量被FPA變形讀出系統測量並以灰度圖的形式傳遞給圖像採集與處理系統；圖像採集與處理系統對接收到的灰度圖進行處理，輸出圖像。3.背景信號與紅外輻射圖像信號的獲取圖2(a)是本發明的FPA對外界輻射的實時響應區域劃分。其中，外框為FPA的機械外框，網格區域為微懸臂梁像元陣列區域，該區域的所有像元均可對外界輻射、噪聲、振動發生響應，且響應程度基本一致。考慮到紅外成像系統的成像區域一般都為圓形，將其與FPA響應區域匹配如圖2 (a)所示，由圖可以看出，圓區域內的網格區域的像元變形，是外界紅外輻射、噪聲、振動共同引起的，而圓區域外網格區域的像元變形，是由噪聲、振動引起的。同理可知，圖2(b)中，中心圓區域內的網格區域的灰度圖像，是外界紅外輻射、噪聲、振動共同引起的，而圓區域外網格區域的灰度圖像，是由噪聲、振動引起的。4.用背景信號修正紅外圖像本發明的實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，用背景信號修正紅外圖像如下
(1)紅外圖像的獲取按照圖1，非製冷紅外焦平面成像系統的紅外圖像採集過程首先系統對參考物成像，默認此時外界環境對FPA的像元無影響，則圖像採集與處理裝置各像元獲得一個能量；然後系統對外界紅外輻射成像，則FPA的像元產生相應的變形，圖像採集與處理裝置的CXD各像元獲得能量Et。Et與的差異，即t時刻外界紅外熱圖像，即紅外熱圖像E = ^rEt...........................(1)實質上，式(1)中的民相對來講，不僅僅包含了外界紅外輻射信號，而且還包含噪聲、振動因素，從而導致式(1)的計算結果失真。(2)背景信號修正紅外圖像圖2(a)、(b)中圓區域外的網格區域，僅僅對噪聲、振動產生響應Ettl，而對外界紅外輻射不產生響應，可以用作對式(1)的修正信號，即紅外熱圖像E = &-Et+Et。 ...........................(2)式(2)可以實時去除背景、噪聲、環境振動等因素對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性。
權利要求
1.一種實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，包括紅外成像鏡頭、FPA、FPA變形讀出系統、圖像採集及處理系統，其特徵在於紅外成像鏡頭將外界紅外輻射、聚焦成像在 FPA上，使FPA陣列像元產生相應的變化，同時，環境背景噪聲、環境振動也會引起FPA陣列像元的變化，因此，在紅外成像鏡頭成像範圍內的FPA像元的變形量由外界紅外熱圖像、環境背景噪聲和環境振動共同作用產生，而紅外成像鏡頭成像範圍外的FPA像元的變形量僅由環境背景噪聲和環境振動的作用引起；FPA陣列像元的變形量被變形讀出系統測量，並以灰度圖的形式傳遞給圖像採集與處理系統；圖像採集與處理系統利用紅外成像鏡頭成像範圍外的FPA像元對應圖像區域的灰度值，對紅外成像鏡頭成像範圍內的FPA像元對應圖像區域的灰度值進行修正，去除環境背景噪聲、環境振動對圖像質量的影響，輸出經過實時修正以後的紅外熱圖像。
2.根據權利要求1所述的實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，特徵在於該系統的FPA成像面分為背景信號區域和目標輻射信號區域，實時接收環境背景信號與目標物體的紅外輻射信號。
3.根據權利要求1所述的實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，特徵在於該系統中的CCD成像面分為背景信號區域和圖像信號區域，對應FPA的背景信號區域和目標輻射信號區域，實時接收來自於FPA的背景信號和目標信號。
4.根據權利要求1所述的實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，其特徵在於在圖像處理過程中，用背景信號的變化量實時修正紅外輻射信號形成的圖像，從而去除噪聲、環境振動對系統成像質量的影響。
全文摘要
本發明提供一種可實時去背景的非製冷紅外焦平面成像系統，包括收集聚焦外界紅外輻射的紅外成像系統，響應紅外輻射的FPA，探測FPA變形量的FPA變形讀出系統和圖像採集與處理系統，其特點是該系統的FPA，以及圖像採集與處理系統中的CCD，其不同的響應區域分別實時接收背景信號與紅外輻射信號，在圖像處理過程中，用背景信號的變化量實時修正紅外輻射信號形成的圖像，從而去除背景、噪聲、環境振動等因素對系統成像質量的影響，提高系統工作穩定性、可靠性。
文檔編號G01J5/02GK102519603SQ20121000668
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者於曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進, 龔誠 申請人:北京理工大學