專利名稱：一種可實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實時去背景的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)，尤其是一種利用紅外傳感器部分像元實時監(jiān)測背景、噪聲信號，用以實時修正紅外圖像的非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的紅外熱成像系統(tǒng)受成本、體積、重量、功耗等問題的影響，在工程應(yīng)用推廣的過程中受到很大的限制。近年來興起的基于MOEMS技術(shù)的微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統(tǒng)，是一種非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要制冷，不需要掃描，在體積、重量、功耗各方面有較大的優(yōu)勢，往工程應(yīng)用方面有較好的應(yīng)用前景，目前受到了很多研究機構(gòu)的重視。基于MOEMS技術(shù)的微懸臂梁焦平面陣列(focal plane array, FPA)熱成像系統(tǒng)， 采用焦平面陣列器件FPA作為紅外圖像傳感器，該器件是一種由熱膨脹系數(shù)相差較大的兩種材料組成的梁構(gòu)成的陣列。當(dāng)微懸臂梁吸收紅外輻射溫度上升，雙材料層之間達(dá)到熱平衡后，由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別較大，它們之間的應(yīng)力將使梁產(chǎn)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并組成陣列，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于紅外探測器的可行性；1997年美國加州大學(xué)伯克利分校的Majumdar研究小組開展了基于光學(xué)干涉讀出方式和非制冷雙材料微懸臂梁焦平面陣列，并在2001年首次獲得了 an 遠(yuǎn)處人體的熱圖像。之后許多研究機構(gòu)開展了系統(tǒng)研究。有文獻(xiàn)表明，目前有樣機的NETD 已經(jīng)達(dá)到了 IOOmk以下。穩(wěn)定性、可靠性是非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)能否得到工程應(yīng)用推廣的關(guān)鍵指標(biāo)之一。影響非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)整體設(shè)計水平。在器件性能無法得到進(jìn)一步提升的情況下， 如何利用系統(tǒng)整體設(shè)計提高非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性，是的非制冷紅外焦平面成像技術(shù)的重要研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對提高光讀出非制冷紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性的問題，提供一種可實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)方案，可以有效去除背景、噪聲、環(huán)境振動等因素對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)①本發(fā)明的可實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，包括紅外成像光路、 FPA、FPA變形讀出系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)。②該系統(tǒng)的成像特點是紅外成像系統(tǒng)將外界紅外輻射聚焦成像在FPA上，F(xiàn)PA陣列像元產(chǎn)生相應(yīng)的變化；其變形量被FPA變形讀出系統(tǒng)測量并以灰度圖的形式傳遞給圖像采集與處理系統(tǒng)；圖像采集與處理系統(tǒng)對接收到的灰度圖進(jìn)行處理，輸出圖像。③該系統(tǒng)的FPA以及圖像采集與處理系統(tǒng)中的CCD，其不同的區(qū)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(huán)境振動等因素對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性。有益效果采用本發(fā)明可以實現(xiàn)對紅外圖像的實時修正，去除背景、噪聲、環(huán)境振動等因素對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。較之早前的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，在同等條件下，其成像性能得到提高，并且對使用環(huán)境要求、系統(tǒng)器件要求也相應(yīng)降低。


圖1是非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)組成示意圖；圖2(a)是本發(fā)明的FPA對外界輻射的實時響應(yīng)區(qū)域劃分；圖2 (b)是本發(fā)明的圖像采集與處理系統(tǒng)中CXD對FPA圖像的響應(yīng)。
具體實施例方式下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施例。1.系統(tǒng)組成如圖1所示，本發(fā)明的實時扣背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，包括紅外成像光路、FPA、FPA變形讀出系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)。2.成像過程如圖1所示，紅外成像系統(tǒng)將外界紅外輻射聚焦成像在FPA上，F(xiàn)PA陣列像元產(chǎn)生相應(yīng)的變化；其變形量被FPA變形讀出系統(tǒng)測量并以灰度圖的形式傳遞給圖像采集與處理系統(tǒng)；圖像采集與處理系統(tǒng)對接收到的灰度圖進(jìn)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(fā)明的FPA對外界輻射的實時響應(yīng)區(qū)域劃分。其中，外框為FPA的機械外框，網(wǎng)格區(qū)域為微懸臂梁像元陣列區(qū)域，該區(qū)域的所有像元均可對外界輻射、噪聲、振動發(fā)生響應(yīng)，且響應(yīng)程度基本一致。考慮到紅外成像系統(tǒng)的成像區(qū)域一般都為圓形，將其與FPA響應(yīng)區(qū)域匹配如圖2 (a)所示，由圖可以看出，圓區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格區(qū)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(qū)域外網(wǎng)格區(qū)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(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格區(qū)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(qū)域外網(wǎng)格區(qū)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(fā)明的實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，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，非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)的紅外圖像采集過程首先系統(tǒng)對參考物成像，默認(rèn)此時外界環(huán)境對FPA的像元無影響，則圖像采集與處理裝置各像元獲得一個能量；然后系統(tǒng)對外界紅外輻射成像，則FPA的像元產(chǎn)生相應(yīng)的變形，圖像采集與處理裝置的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(zhì)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(dǎo)致式(1)的計算結(jié)果失真。(2)背景信號修正紅外圖像圖2(a)、(b)中圓區(qū)域外的網(wǎng)格區(qū)域，僅僅對噪聲、振動產(chǎn)生響應(yīng)Ettl，而對外界紅外輻射不產(chǎn)生響應(yīng)，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(huán)境振動等因素對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性。
權(quán)利要求
1.一種實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，包括紅外成像鏡頭、FPA、FPA變形讀出系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)，其特征在于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(chǎn)生相應(yīng)的變化，同時，環(huán)境背景噪聲、環(huán)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范圍內(nèi)的FPA像元的變形量由外界紅外熱圖像、環(huán)境背景噪聲和環(huán)境振動共同作用產(chǎn)生，而紅外成像鏡頭成像范圍外的FPA像元的變形量僅由環(huán)境背景噪聲和環(huán)境振動的作用引起；FPA陣列像元的變形量被變形讀出系統(tǒng)測量，并以灰度圖的形式傳遞給圖像采集與處理系統(tǒng)；圖像采集與處理系統(tǒng)利用紅外成像鏡頭成像范圍外的FPA像元對應(yīng)圖像區(qū)域的灰度值，對紅外成像鏡頭成像范圍內(nèi)的FPA像元對應(yīng)圖像區(qū)域的灰度值進(jìn)行修正，去除環(huán)境背景噪聲、環(huán)境振動對圖像質(zhì)量的影響，輸出經(jīng)過實時修正以后的紅外熱圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，特征在于該系統(tǒng)的FPA成像面分為背景信號區(qū)域和目標(biāo)輻射信號區(qū)域，實時接收環(huán)境背景信號與目標(biāo)物體的紅外輻射信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，特征在于該系統(tǒng)中的CCD成像面分為背景信號區(qū)域和圖像信號區(qū)域，對應(yīng)FPA的背景信號區(qū)域和目標(biāo)輻射信號區(qū)域，實時接收來自于FPA的背景信號和目標(biāo)信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于在圖像處理過程中，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(huán)境振動對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可實時去背景的非制冷紅外焦平面成像系統(tǒng)，包括收集聚焦外界紅外輻射的紅外成像系統(tǒng)，響應(yīng)紅外輻射的FPA，探測FPA變形量的FPA變形讀出系統(tǒng)和圖像采集與處理系統(tǒng)，其特點是該系統(tǒng)的FPA，以及圖像采集與處理系統(tǒng)中的CCD，其不同的響應(yīng)區(qū)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(huán)境振動等因素對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者于曉梅, 劉小華, 惠梅, 武紅, 董立泉, 褚旭紅, 趙躍進(jìn), 龔誠 申請人:北京理工大學(xué)