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微测辐射热计焦平面阵列的成像系统研究

张俊举  
【摘要】:红外热成像技术是当今夜视技术的发展热点。无论是观瞄成像,还是目标寻的,红外热成像系统都扮演着愈来愈重要的角色。采用微测辐射热计焦平面阵列作为探测器件的非制冷红外热成像系统,以其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性价比高等优点,在红外热成像系统的发展中占据着举足轻重的地位。本文在研究非制冷红外热成像系统基础理论和红外焦平面阵列实时信号处理技术的基础上,研制了集实时信号处理、异步串行通信、键盘服务等功能于一体的非制冷红外热成像系统,取得了很好的成效,其性能评估结果表明已经基本满足了军事应用的需要。 非制冷热成像系统的基础理论研究是研制红外热成像系统的基础。本文首先从基础理论入手,分析了红外热成像系统的基本成像原理、影响系统工作的主要因素、微测辐射热计的工作原理,探讨了获得焦平面阵列最佳性能的途径,为系统设计提供了理论指导。 实时性是热成像系统信号处理的基本要求,非均匀校正、盲元替代和图像增强是信号处理的主要内容。本文在基于标定技术的非均匀校正方法的基础上,讨论了两点定标和运动补偿相结合的综合校正方法、基于LMS滤波器的校正方法和基于时域统计特性的校正方法,为系统的实时信号处理提供了多种可能性选择。基于时域统计特性的校正方法从概率密度函数角度阐述了非均匀性,证明了时域直方图和概率密度函数之间的等价关系,并指出该性质可以用于数据的存储,解决了直接存储数据需要大量内存空间的问题。 盲元检测是盲元替代的前提。本文借鉴了多种盲元检测方法,并结合实验数据的分析,建立了针对微测辐射热计焦平面阵列的评判准则,获得了与ULIS公司近似一致的效果。为了克服中断式盲元替代的缺点,提出了基于标志位的盲元替代方法。针对红外图像直方图的特点,讨论了自适应线性灰度变换的图像增强方法。 信号处理电路是热成像系统的核心。所设计的信号处理电路可以完成实时信号处理、串口通信、直方图统计、键盘控制、TEC温度控制等功能。实时信号处理模块采用流水线结构,把非均匀校正、盲元替代、自动增益控制功能集成于一条流水线,与传统的乒乓结构相比,时钟频率更低,输出延迟和系统功耗更小,结构更简单。设计的双温度点TEC温度控制电路,两个温度点的稳定精度均达到了±0.004℃,有效地保证了热成像系统的成像质量,同时解决了焦平面阵列的工作温度和环境之间温差增大引起的功耗增加问题。 充分利用信号处理电路板的数据采集能力和串行通信能力,构建了红外焦平面阵列的测试平台,可以完成红外焦平面阵列的非均匀性、响应灵敏度、校正系数和盲元的测试,同时还可以采集其他红外图像数据,供人们在PC上进行各种图像处理和数


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