扫描型热像仪扫描匹配技术.pdf

第 3 2卷 第 4期 南京理工大学学报(自然科学版)2 0 0 8年 8月 J o u r n al o f N i“g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e)Vo 1 3 2 No 4 Au g 2 0 08 扫描型热像仪 扫描 匹配技术 隋修宝，陈 钱，顾国华(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 2 1 0 0 9 4)摘要：分析 了扫描型探测器时间延迟积分级工作过程，指 出了摆镜扫描线性度和稳定性对 系统 性能的影响；以5 7 6 x 6 探测器为例，推导出了 摆镜控制参量与热像仪列周期参量之间的数学关系 式，并对两参量在 实际系统中的应用做 出了限制。最后测试参数证明了理论推导的正确性。为扫 描 型热像仪 尤其 5 7 6 x 6热像仪 的扫描控制 与探 测 器列周期之 间的 匹配提 供 了理论依 据。关键词：热像仪；摆镜；扫描线性度；控制参量；列周期；匹配 中图分类号：T N 2 1 6 文章编号：1 0 0 5 9 8 3 0(2 0 0 8)0 4 0 4 9 2 0 4 S c a n M a t c h i n g Te c h n o l o g y o f S c a n n i n g Th e r ma l I m a g e r S U I Xi u b a o，C HE N Q i a n，G U G u o h u a (S c h o o l o f E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g a n d O p t o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y，N U S T，N a n j i n g 2 1 0 0 9 4，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e w o r k i n g p r o c e s s o f t i me d e l a y i n t e g r a t i o n i n s c a n n i n g d e t e c t o r i s a n a l y z e d T h e e f f e c t o f s c a n n i n g l i n e a r i t y a n d s t a b i l i t y o f o s c i l l a t i n g mi r r o r o n t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e i s p o i n t e d o u t T a k i n g 57 6 x 6 d e t e c t o r a s a n e x a mp l e，t h i s p a p e r b rin g s f o r wa r d t h e f o rm u l a o f c o nt r o l l i n g p a r a me t e r o f o s c i l l a t i n g mi rro r a n d c o l u mn t i me o f I R t h e rm a l i ma g e r Th e a v a i l a bl e r a n g e o f t h e t wo p a r a me t e r s i s a l s o b r o u g h t f o rwa r d i n t h e w o r k i n g s y s t e mT e s t p a r a me t e rs i n d i c a t e t h a t t h e d e d u c t i o n i s c o rre c t Th e ma t c h i n g f o rm u l a o f c o n t r o l l i n g p a r a me t e r o f o s c i l l a t i n g mi rro r a n d c o l u mn t i me for s c a nn i n g d e t e c t o rs p r o v i d e s b a s i s for t h e d e s i g n o f s c a n n i n g t h e rm a l i ma g e r e s p e c i a l l y 5 7 6 x 6 t h e rm a l i ma g e r Ke y wo r d s：t h e rm a l i ma g e r s；o s c i l l a t i n g mi rro r s；s c a n n i n g l i n e a r i t y；c o n t r o l l i n g p a r a me t e r s；c o l u mn p e rio d s；ma t c h i n g 当前基于二代焦平面探测器的高性能热成像 系统以及基于非制冷焦平面探测器的热成像系统 成为各国军事技术发展和武器装备的重点，其 中扫 描型焦平面探测器技术发展和器件的产品化引人 注 目。由于法 国 S O F R A D I R公 司 2 8 8 x4、4 8 0 x 6 等探测器的性能和产品化水平，已成为国际普遍使 用的扫描 型焦平面探测器或探测器标 准类型之 一。我国采用 了5 7 6 x 6焦平面探测器的模式，将成为我国高性能热成像系统的主流探测器。在扫描型热像仪扫描系统中广泛采用一维扫描 电机结合探测器像元排列来实现对物空间的二维成 像。在沿扫描方向对物空间扫描时，探测器在扫描 方向进行 Z 级时间延迟积分(T D U，T D I 技术的采用 要求扫描摆镜的速度必须与系统的列周期时间有一 个精确配合才能完成 T D I 技术所要求的达到提高图 像信噪比的 目的。同时该系统对扫描系统的非线性 收稿日期：2 0 0 7 0 41 9 修回日期：2 0 0 8 0 5 2 0 作者简介：隋修宝(1 9 8 1 一)，男，山东烟台人，博士生，主要研究方向：红外图像处理和红外探测机理，E ma i l：s x b-h a n d s o m e 1 6 3 c o rn；通讯作者：陈钱(1 9 6 4一)，男，江苏无锡人，教授，博士生导师，主要研究方向：红 外与微光视频处理、平板显示技术，E ma i l：c h e n g m a i l n j u s t e d u e n。维普资讯 总第 1 6 1 期 隋修宝陈钱顾国华扫描型热像仪扫描匹配技术4 9 3 度要求很高，成像系统中非线性度要求控制在 2 以 下才可以保证图像的正确还原。除了摆镜控制参 量的正确产生外，控制参量的噪声将对扫描电机的 线性度产生很大的影响。一直 以来，国际上红外热 像仪的研究主要集中在红外探测器的研制 以及光 机扫描方案的研究上。比如，对扫描型热像仪系统 的研究更多集中在扫描镜材料、扫描镜质量、绕旋转 中心的转动惯量、扫描角度、扫描频率、扫描线性度 等方面，以保证在惯性力的作用下，扫描镜的形状变 化符合光学设计的要求；扫描镜具有足够的刚度，能 够避免发生共振以及电机在启动和停止时刻具有更 好的线性度以提高红外图像的空间分辨率 J。而 这些研究中无一例外地对控制摆镜速度的参量，其 噪声以及列周期参量之间的关系很少涉及，更没有 一个定量的公式。因此本文以 5 7 6 X 6探测器为例 对此做一深入分析，以此对扫描型热像仪尤其 5 7 6 X 6热像仪扫描控制系统调试提供理论依据。1 5 7 6 6探 测器 T D I扫描原理 首先对 T D I 级的扫描原理做一剖析，以了解 T D I 级要求扫描摆镜速度与系统 的列周期时间匹 配 的原 因。T D I 级是一个 6级模 拟移 位寄存 器，它完成 同一通道中 6个探测器信号的叠加，每个像元 的 自动增益确保得到相同的总信号。公式如下 1 S 6(t)=一 X s 6(t+1 5 )+s 5(t+1 2 T)+s 4(t+U 9 T)+s 3(t+6 T)+s 2(t+3 )+s l()(1)式中：表示列周期时间；s (t)表示第 i 个像元在 t 时刻以 U 为单位的输出信号，i=1，2，6；J s ()表 示经过 6级 T D I 后以 U 为单位的输 出信号。由上式可以看出，每个像元 的最终输 出是经 过 1 5个列周期才完成的，而且每 3个列周期 累加 一次，经过 5次累加完成一次 T D I。图 1为 5 7 6 6探测器 的部分像元排列示意 图。Y 方 向并排 的 6个像元用于 T D I 级 的累加。探测器正常工作时，扫描摆镜控制探测器阵列相 对于物方空间沿 一Y方 向(Y反方向)扫描。考虑 5 7 6 x 6探测器的工作过程：假设某一时刻 t，空间中某一 目标经过光学系统 之后聚焦在通道 1的第一个像元，该 目标在第一个 像元上产生的电压为 s，(t)，并将该电压转移到 T D I 移位寄存器中。如图 2所示，3 T时间之后微型扫描 电机带动摆镜将该 目标聚焦在通道 1的第二个像 元，产生的电压为 s (+3 r)，并转移到移位寄存器 中，同时与转移过来的上级电压值(此时为s (t)累 加，并在之后的时间里将该 累加值继续 向下转移。再经过 3 T时间之后 目标聚焦在同一通道的第三个 像元上，同时产生的电压s，(t+6 T)转移到 T D I 移位 寄存器 中，并与转移 过来 的上级 电压值(此 时 为 s 2(+3 T)+s (t)累加并向下转移。依次类推，经 过 1 5 T时间之后该 目标 6级 T D I 完成，即：同一目标 被 5 7 6 x 6探测器同一通道的 6 个像元分别采集，累 加之后的电压值被转移到电荷放大器内。根据上述过程得到：微型电机带动摆镜扫描 目 标图像，必须保证同一 目标 由聚焦到某一像元转移 到同一通道的下一像元 的时间间隔为 3 T，否则将 造成 T D I 累加的电压值不是同一目标产生，出现图 像混叠现象。由此摆镜的扫描速度与 5 7 6 X 6热像 仪的列周期存在着某一特定联系。而摆镜的扫描 速度由微型电机控制参量决定，因此，我们对微型 电机控制参量和列周期参量与摆镜角速度之间的 关系分别进行讨论，并最终推导出微型电机控制参 量与列周期之间的数学关系。y J Y向 r 蒿 l 口曰曰曰曰曰 通 道 口曰日曰日日通 道 z 图 1 5 7 6 6部分像 元排列 田一 目一 T D I 目一 移 电 位 荷 日一 寄 放 存 大 日一 器 器 回一 图 2 T D I 转移原理框 图 2 微型电机控制参量与列周期之间的 数学关 系 2 1 微型电机控制参量与摆镜角速度之间的关系 扫描电机的控制一般是从外界获得一个三角 波电压信号，如 图 3所示，以电压 的不同控制微 维普资讯 4 9 4 南京理工大学学报(自然科学版)第 3 2卷第 4期 型电机的不同位置，其 中，三角波的上升阶段为扫 描电机的正程，即扫描阶段。三角波的下降阶段为 扫描电机的逆程，即回复电机到正程初始位置，为 下次正程做准备 的阶段。三角波的正程 电压表示 如下 i(t)=k t (2)式 中：表示三角波的正程斜率；表示三角波正 程 电压。l -一 一 图 3三角波 电压 示意 图 微型电机的轴上 固定着摆镜，因此扫描 电机 与摆镜具有相同的角速度，规定 当三角波信号 的 电压值为 0时的摆镜置于零位，三角波信号与摆 镜位置有如下关系 m。(t)=(t)(3)式 中：0 (t)表示 t 时刻摆镜相对于零位置 的角 度；表示三角波电压和摆镜位置的比例系数，对 固定的电机驱动系统该值固定。摆镜 的角速度可以表示如下 0 。(t 2)一0 (t 1)(4)结合式(2)、(3)和(4)可以得到摆镜角速度 和三角波 电压之间的关系式：二 ：(5)=0 )J t 2 t l t 2 t l 由此得到：角速度 和三角波斜率 成正 比 例关系，比例系数为。2 2摆镜 角速 度 与列周期 之 间的关 系 红外焦平面探测器系统设计原理 中，经常采 用瞬时视场的概念，瞬时视场定义为探测单元尺 寸与系统焦距的比值，它表征 了成像 系统对物空 间的分辨 能力，在 5 7 66扫描型焦平面系统 中，由于采用了水平方 向的 T D I 技术，因此在扫描方 向上将探测器等效为一个连续采样器 J，在水平 扫描为匀速的情况下有如下公式 F O i=T (6)式中：F O i 表示物方水平动态瞬时视场。对 5 7 6 6焦平面探测器，定义其输出为 m n 格式(一般标准为 7 6 8 5 7 6格式)，有如下公式 F O i=m I F O i(7)式 中：F O i 表示物方水平视场角度。像方视场由物方视场 与 5 7 66光学系统的 倍率决定，有如下关系 F OV H=FF O i(8)式中：F O V H 表示像方视场的水平角度；F表示光 学系统的放大倍数。综合式(6)、(7)和(8)可得如下公式 一1 F O,W：(9)T =一=一 l l m TF 由此可以得出结论：角速度 和列周期 之 间是反 比例关系。2 3数 学关 系分析 综合式(5)和式(9)得到控制参量三角波电 压斜率和列周期之间的关系 m o t 1专=(1 0)在扫描热像仪系统中参数 F、F O 、O t 和 m一 般是不变的，由此可以得出三角波控制电压的斜率|i 与 列 周 期 成 反 比 例 关 系，比 例 系 数 为 FnV 。这样在调试扫描热像仪时对 和 便有，n 天 Ot天 了一个定量的公式，为调试工作提供 了依据。当然 在扫描系统中，由于摆镜做周期性往复运动，机构 存在一定的惯，摆镜的运动将是加速 一匀速 一 减 速的过程 j，为了保证摆镜匀速的时间段足够长，同时也保证微型电机的正常性能，微型电机的速度 将有一定 的限制，即 将不能超过限制其最大速度 的，否则加速度突变的时刻会产生振荡现象，造 成图像相应的部分模糊不清；5 7 66焦平面探测 器的正常工作要求主时钟 MC不超过 5 MH z，列周 期不少于 7 6个主时钟的时间。因此列周期 将有 一个最小值 T ：7 60 2=1 5 2 (1 1)于是，实际应用中 和 将有一个限制，即：o；T 1 5 2 s。至此完成了摆镜控制参量和列周期时间之间 关系的理论推导，并根据 5 7 6 6焦平面探测器和 微型电机 的具体要求对两个 参量做 出了一 定的 限制。为了满足上述的关系，需要经常对 和 这 两个参量做出调整。对 的调整方面，只需要改 变三角波 电压的上升速率；而对 的调整可 以通 过调节主时钟 MC的周期或者调节列周期中含有 的主时钟的个数来进行。维普资讯 总第 1 6 1 期 隋修宝陈钱顾国华扫描型热像仪扫描匹配技术4 9 5 对容易调整的便是水平扫描 的分辨率 m，如果三 3 三角波电压噪声对扫描控制参量的 角 波噪 声太 大，则只能降低水 平方向的 空间分辨 影响 率m，否则，图像的水平方向将出现串扰的现象，无法达到要求的空间分辨率。对微型电机控制参量 和 5 7 6 6探测器列 周期 给出了理论关系，并在理想情况下对两变 量做了一定的限制，然而扫描系统实际工作 中，噪 声将是不可避免的，广义上讲，噪声是信号 中所有 多余的成份，也就是无用 和有害 的成份。噪声的 出现对三角波的影响如图 4所示，实直线部分为 三角波理想波形 的一部分，虚曲线部分表示为三 角波受噪声干扰后 的实 际波形。由图 4可以看 出，噪声影响到控制微型电机的三角波 电压 的线 性度，这将造成 扫描后输出的图像很可能 出现像 素串扰现象，影响图像 的空间分辨率。为此需要 根据扫描电机的噪声对其控制做出更加精细的限 制，以使 串扰对 图像 的影响降到最低。图 4三 角 波 噪 声 示 意 图 微型电机带动摆镜正常工作时，在 的时间 内，三角波的电压的变化如下 AT=k T (1 2)式中：表示列周期 时间内的三角波电压 的变 化。因为扫描系统的非线性度要求在 2 以内才 可 以保证 图像对 目标 的正确还 原，因此 有如下 要求 A V x 2 -o 0 2 k T=0 0 2 x (1 3)式 中：表示 三角波 实际电压对理想 电压的噪 声均方值。根据该式可以得知：一方面，三角波噪声均方 值必须满足上述关系式才能保证摆镜的非线性度 不会对图像的空间分辨率产生影响；另一方面，如 果无法降低三角波噪声均方值保证上述关系式成 立，为 了 保 证 图 像 的 效 果，必 须 调 整 等 ，而 对一个 固定系统而言，上述参数一般固定不变，相 4 结束 语 我 国某研究所开发 出了分辨率为 7 6 85 7 6 的国 产 扫 描 型 热 像 仪，其 参 数 为：像 方 视 场 n()：1 6。，：1 6。V，列 周期：1 8 t x s。经 过调 试测试发 现：电机 的三 角波控 制 电压 斜率 为 0 7 5 V m s 时图像最清晰。而将该热像仪 的上述 参数代人式(1 0)可得 为 0 7 2 3 4 V m s。该值 与实际测试最好 图像效果时的 值非常接近，考 虑到测量误差，可以认定上述推导正确有效，可以 用来指导扫描型热像仪的研制。本文通过对 5 7 66红外探测器 T D I 级工作 原理和工作过程的分析，推导出了5 7 6 6热像仪 中摆镜控制参量，控制参量噪声 和列周期 的关系，并根据实际应用对参量范围进行 了严格 限制，这将令 5 7 6 6扫描控制调试变的有据可查 和相对容易，也将对 5 7 6 6热像仪 的性能提升产 生一定的积极意义，同时对扫描型热像仪 的控制 产生启发性的影响。参考文献：金伟其，张未 强，王春勇基于 2 8 84焦平 面探测 器的二代热成像系统分析 J 红外技术，2 0 0 4，2 6 (2)：15 范洪波，唐麟，潘顺臣2 8 8 X 4热像仪扫描速度与 系统积分 时间的匹配研 究 J 红 外技术，2 0 0 7，2 9 (1)：47 王利平，陈钱，顾国华，等基于 D S P+F P G A的红 外图像锐化算法 的实现 J 南京理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 6，3 0(6)：7 6 4 7 6 6 张卫 国，冯卓祥，陶忠，等扫描 镜动态 面形 变化和 模态分析 J 应用光学，2 0 0 6，2 7(1)：5 8 6 1 赵妙娟，张良热成像组件光机扫描方案分析 J 电光 与控制，2 0 0 1，1 3(4)：3 5 3 8 王敏 扫描摆镜控 制的数 字 P I D实现 J 电子 工 程，2 0 o 5(1)：4 J 4 4 6 童子 磊摆镜扫描 的重 复控 制 系统 J 红外与毫 米波学报，2 0 0 6，2 5(3)：2 2 9 2 3 2 JJJ j J 1 2 3 4 5 6 7 维普资讯