20MPixel/s高速红外焦平面读出电路设计

针对中大规模红外焦平面对高速读出的需求,研究并设计了一款20MPixel/s红外焦平面高速读出电路。读出电路单元电路由电容负反馈运放输入级、相关双采样、源随输出级电路组成,总线输出级采用基于低功耗推挽运放的跟随器结构。研究了输出级运放像元信号建立时间和负载电容的关系,给出了20 MPixel/s高速读出的负载电容适用范围。采用0.5μm Mixed Signal CMOS工艺研制了一款红外焦平面高速读出电路芯片,和InGaAs光敏芯片耦合后实测读出速率达到20MPixel/s,像元信号之间最大上升时间为17ns。     

红外焦平面阵列数据采集系统校准方法

为解决红外焦平面阵列数据采集系统的校准问题,基于传统功能性检查方法,研制出了能够模拟红外焦平面阵列输出的模拟源.该模拟不仅能模拟2048×2048规模的红外焦平面阵列并输出性能稳定的量化图像数据,而且能提供数据采集系统正常工作所需的帧、行、像元及相关双采样同步触发信号.利用模拟源输出的量化图像数据对红外焦平面阵列数据采集系统的噪声、采集电压范围、采集准确度及线性度、最高采集速率等参量的校准方法进行了研究,实现了红外焦平面阵列数据采集系统的定性检查和定量校准,解决了其溯源问题,为红外焦平面阵列参数的量值准确统一奠定了基础.     

实时激光三维成像焦平面阵列研究进展

研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管（APD）阵列和读出电路（ROIC）集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel×1 024 pixel,像元尺寸可降低到15μm。     

基于BP神经网络的红外焦平面非均匀性校正技术

在传统BP神经网络非均匀性校正理论的基础上,结合红外焦平面阵列读出通道的时变特性,提出一种新的输出期望估计方法.该方法利用当前像素邻域和读出通道估计输出期望值.实验表明,算法能有效抑制焦平面固定图案噪音,提高场景目标的分辨能力,达到较好的视觉效果.     

基于法布里-珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件设计与制作

提出了一种新颖的基于硅基法布里珀罗微腔阵列的光读出红外热成像器件 ,该器件利用光学读出技术将红外图像直接转化为可见光图像 ,其焦平面阵列 (FPA)是一个基于微机电系统 (MEMS)制作的法布里珀罗微腔阵列。阐明了器件的工作原理 ;完成了可动微镜结构、热机械、可见光读出部分设计。理论分析表明 ,对Al/SiO2 双材料体系而言 ,SiO2 厚度应大于 0 .3μm ,其最佳厚度比为 0 .5 98,相应的最大热 机械灵敏度可达 10 -8m/K。采用体硅微机电系统技术 ,实验制作出了 5 0× 5 0焦平面阵列。     

双材料微梁阵列室温物体红外成像

针对近年出现的新概念光学读出双材料微梁阵列红外成像技术，提出了具有热变形放大效果的无硅基底回折腿间隔镀金的微梁单元结构,并建立了其热机械模型，在模型分析基础上，成功的设计制作了100×100像素的焦平面阵列(focal plane array,FPA).在构建的红外成像系统中，实现了对室温物体——人体的热成像，噪声等效温度差约为200mK.实验结果与热机械模型的分析一致. 关键词： 非制冷红外成像 光学读出 双材料微梁阵列     

基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析

基于双材料微悬臂梁热变形原理的光学读出非制冷红外探测阵列经历了从有基底结构向无基底结构的发展过渡,无基底阵列的红外成像结果和有限元模型分析均表明无基底阵列不满足恒温基底条件.本文结合电学比拟的方法,提出了一种新的基于无基底焦平面阵列(focal plane Array,FPA)的热传递分析的理论模型.分析采用整体考虑的思路,避开了无基底FPA阵列各单元热传递互相影响所产生的复杂热分布分析,并考虑了框架对热量的吸收与传递.理论模型采用外边框与环境等温的边界条件,虽不及有限元方法对边界条件的处理灵活,但也已取 关键词： 光学读出 无基底 非制冷红外成像 焦平面阵列     

光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究

在光学读出红外成像的理论分析中, 通常将具有一定实际尺寸的非相干面光源简化为理想点光源, 导致了分析误差. 本文建立了面光源模型, 通过夫琅禾费衍射理论, 研究了面光源影响下的光学检测灵敏度, 发现了光学检测灵敏度随光源半径和焦平面阵列反光板长度的变化关系, 提出了面光源影响下的光源尺寸和反光板长度的优化设计准则. 针对理论分析, 进行了实验验证, 测试结果与理论分析一致. 关键词： 面光源 光学读出 焦平面阵列 非制冷红外成像     

320×240长波非致冷微测辐射热计红外热象仪的研制

介绍了基于微测辐射热计320×240长波非致冷红外热象仪的研制,详细说明了其电气系统的设计方法及技术关键,并对其光学系统进行了简要说明.采用高象质的双反射光学系统以减少象差;红外探测器采用320×240长波非致冷集成微测辐射热计红外焦平面阵列(FPA);电气系统采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)完成红外焦平面阵列的驱动,应用数字信号处理(DSP)技术实现红外焦平面阵列的非均匀性校正、图象增强及红外图象实时显示等.     

基于焦平面归一化响应特性的红外非均匀性校正

红外焦平面阵列的非均匀性噪音是制约红外成像质量的主要因素,非均匀性校正是红外焦平面器件应用的一个关键技术.本文提出了一种基于焦平面归一化响应特性且易于实现的非均匀性校正算法,并基于像元分布的卡方直方图提出一种新的图像非均匀性评估方法,即校正比例.该方法的校正输出考虑了每个像元的观测值与焦平面的响应信号的平均值,校正参量...     

多通道热释电IRFPA图像拼接采集系统

为了实现分辨率高的大规模热释电IRFPA探测器,设计了多路通道并行输出的读出电路。针对多路输出的热释电IRFPA探测器,依据热释电探测的时序要求,设计了图像拼接采集系统。利用外部驱动信号控制采集卡的触发及采样时钟,由斩波器同步信号判断热释电探测器的亮场及暗场信号。构造PC-DAQ虚拟仪器系统对多通道输出的热释电型IRFPA进行多路并行图像采集,并对每路图像信号进行亮、暗场判断后进行差分处理,通过软件拼接处理成一副完整的图像,最终在软件平台上显示。对实验室研制的160列120行双通道读出及320列120行四通道读出的热释电读出电路进行了图像采集实验,对于同样阵列大小的单通道读出探测器,双通道结构读出速度提高了1倍,四通道结构读出速度提高了3倍。通过采集成像实验验证了系统的可行性。     

Theoretical analysis and experimental application of CDS CMOS integrated circuit for uncooled infrared focal plane arrays

In this paper, a typical correlated double sampling (CDS) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit for uncooled infrared focal plane array (IRFPA) is theoretically analyzed, the key factor of CDS CMOS integrated circuit is pointed out, and a new CDS integrated circuit which is high correlative for low-frequency noise is applied in an experimental readout chip for uncooled IRFPA. Theoretical analysis indicates that the sample transfer function of a noise source acted on by CDS processing is related to noise frequency and sampling time interval and the key factor of CDS circuit for reducing or eliminating noise in readout integrated circuit is the sampling time interval. The experimental readout chip with high noise-correlative CDS integrated circuit is fabricated to verify the theoretical analysis, which can be applied to uncooled IRFPAs.     

High-speed CMOS readout integrated circuit for large-scale and high-resolution microbolometer array

A new CMOS readout integrated circuit (ROIC) for microbolometric focal plane array (FPA) is proposed in this paper. By applying multiple-module parallel working technique, the pixel readout speed of the CMOS ROIC can reach 10 MHz, which is very suitable for large-scale microbolometer array. The CMOS ROIC of each parallel working module consists of three major parts: direct injection (DI) input circuits, column-shared integrating circuits, and common noise-suppressing circuits. The readout structure of the ROIC is simple because of the DI input, shared and common circuits, and this makes the ROIC satisfy the requirements of small-pixel microbolometric FPA. Furthermore, the voltage signals from different working modules can be output according to a certain order through a high-speed output circuit. An experimental readout chip based on the proposed ROIC has been designed and fabricated to verify its readout function and performance. The measurement results of the experimental readout chip have successfully proved that the proposed CMOS ROIC can be applied to high-speed, low-noise, large-scale and high-resolution microbolometric FPA.     

函数拟合红外焦平面阵列非均匀性校正FPGA实现研究

结合红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array,IRFPA）非均匀性校正的工程实际,设计了基于函数拟合的校正算法,采用大容量高速现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）器件,实现了该非均匀性校正系统,它能有效适应红外焦平面阵列器件响应特性的大动态范围和非线性,具有体积小、运算速度快和校正准确度高等优点.     

Nonuniformity correction algorithm based on adaptive filter for infrared focal plane arrays

Response nonuniformity is a key problem that influences the imaging performance of infrared focal plane arrays (IRFPA) imaging system. A parallel processing algorithm to adaptively estimate the nonuniformity correction (NUC) parameters for IRFPA is presented. In this algorithm, a bank of the adaptive filter is applied to adaptively estimate the NUC parameters for every detector in IRFPA. The infrared image sequences are input into the bank of adaptive filter. After certain times recursion calculations are executed frame-by-frame, then the optimal coefficients of the gain and the offset of detector in IRFPA are achieved. Then the NUC is fulfilled ultimately. The algorithm reduces the influence that the response drift with time imposed on NUC effectively, and achieves good NUC effect. It was validated by real experimental imaging procedures.     

小波变换的红外焦平面阵列非均匀性校正算法

红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是其应用中必须解决的技术难题之一。基于小波理论,提出了一种基于成像场景的红外焦平面非均匀性校正算法。该算法选择合适的小波函数对红外成像序列进行小波分解,而后对分解的信号计算出相应的统计量,从而得出红外焦平面非均匀性校正的偏置和增益校正系数,以此最终实现非均匀性校正。对真实红外序列图像的处理效果验证了该算法可较好地实现非均匀性校正。此外该算法对慢变化量具有较好的自适应性,可较好地抑制一般基于场景统计的非均匀性校正算法中出现的"人工虚影"的现象。     

基于各向异性扩散的红外图像噪声滤波算法

抑制红外焦平面阵列探测器噪声时,为了有效保持边缘细节,在塔基(Tukey)扩散模型的基础上,提出了一种基于各向异性扩散的滤波算法.算法由微分法提取边界点集,利用信号和噪声的空间分布特性对图像进行预处理,从而改善了Perona-Malik(P-M)方程的病态性.建立了新的扩散系数且该系数在理论上满足Charbonnier等人构造准则.通过给定边界条件实现了有利于保持边缘的目的.该算法已在基于DSP FPGA的硬件平台上实时运行,较好地抑制了噪声,又有效地保持了边缘,处理后的图像具有良好的视觉效果.     

一种基于DSP+CPLD的低功耗实时红外成像系统实现方法

非致冷红外焦平面阵列(IRFPA)固有的非均匀性严重制约了系统成像质量,其输出动态范围大和监视器显示输出动态范围小也构成了矛盾。为解决这些问题,采用了复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计红外焦平面阵列输出驱动和视频编码芯片的显示时序,以高速低功耗数字信号处理器(DSP)为核心,实现了嵌入式红外图像实时采集与压缩校正硬件系统。提出了一种结合两点校正的灰度直方图统计阈值分段线性压缩变换算法,并进行了实验。结果表明,系统可以实时的对红外图像进行采集和压缩校正,处理后图像的非均匀性得到很好的校正,背景被抑制的同时目标和细节得到了增强。该方案简单可靠,电路功耗较低,可为小型化红外热像仪的研制提供参考。     

积分时间对红外焦平面成像系统的影响

结合电容反馈互导放大结构读出电路,理论上分析了积分时间与红外成像系统输出信号之间的关系,在电路参数固定的情况下得出：输出电压的变化和积分时间的变化成正比。以电子数法分析了积分时间与噪声及比探测率之间的关系,推导出积分时间、噪声和比探测率之间的非线性关系。分析了积分时间变化对非均匀性的影响,并通过试验对其变化趋势和影响效果进行了验证。说明了积分时间选取对红外焦平面成像系统设计的重要性。