一種可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)及校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外焦平面器件信號(hào)處理技術(shù)，具體指一種可變增益放大器的非均勻 性校正系統(tǒng)及校正方法，可應(yīng)用于機(jī)載紅外成像、紅外預(yù)警等對紅外圖像質(zhì)量及信號(hào)處理 實(shí)時(shí)性要求較高的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著紅外技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，已滲透到軍事和國民 經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如紅外偵察、紅外跟蹤制導(dǎo)、紅外預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)等， 對于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步、環(huán)境的改善和國防建設(shè)起到了重大的作用。
[0003] 在航空航天領(lǐng)域，由紅外焦平面器件為核心構(gòu)成的光電儀器是對地觀測、軍事偵 察等衛(wèi)星的重要載荷。但由于制作工藝的限制和背景輻射的影響，紅外焦平面器件各像元 的輸出信號(hào)之間均勻性很差，傳統(tǒng)的非均勻性校正都是通過軟件對獲取的紅外數(shù)字圖像進(jìn) 行后處理，這種處理方法的實(shí)時(shí)性較差，而且一定程度上影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
[0004] 紅外焦平面器件的非均勻性校正作為紅外技術(shù)中一個(gè)重要的研究方向，受到了廣 泛的關(guān)注。已有許多人對其展開了研究工作，并取得了一些成果。
[0005] 在公開號(hào)為CN101303258A的申請中，公開了一種應(yīng)用于紅外焦平面成像系統(tǒng)的 像元增益控制方法。其方法是利用電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)像元增益控制，通過模擬開關(guān)的 切換進(jìn)行增益的設(shè)置。
[0006] 上述方法在增益設(shè)定的精度與速度上均有一定的局限性，針對該問題，本發(fā)明提 出使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC與可變增益放大器VGA實(shí)現(xiàn)增益的高精確、快速控制，可變增益放 大器VGA生產(chǎn)廠商提供增益與輸入模擬電壓嚴(yán)格的、明確的計(jì)算公式，只要輸入電壓的精 度與變化速度足夠高，對應(yīng)的增益就能達(dá)到很高的精度與速度，如今高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC種類多、應(yīng)用廣，其精度及速度都能達(dá)到很高的水平，所以使用該方法能實(shí)現(xiàn)對增益高 精度、快速控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)及校正方法，能夠 高精度、快速實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)增益控制，實(shí)時(shí)調(diào)整紅外焦平面器件像元響應(yīng)的非均勻性。
[0008] 由于制作工藝的限制和背景輻射的影響，紅外焦平面器件各像元的輸出信號(hào)之間 均勻性很差，如圖1中（1)所示；通過在紅外焦平面成像系統(tǒng)前放置標(biāo)準(zhǔn)黑體找出各像元中 最低響應(yīng)值，可得到各像元的增益系數(shù)，再對每個(gè)像元分別設(shè)置各自的增益系數(shù)，使其響應(yīng) 均勻一致，校正結(jié)果如圖1中（2)所示；這樣不僅可以降低紅外焦平面器件的非均勻性，同 時(shí)也可以擴(kuò)大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，增益控制后動(dòng)態(tài)范圍由ΔΡ擴(kuò)大到ΔΡ'，如圖2所示；方 法步驟如圖3所示；系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。
[0009] -種可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)，包括：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、存儲(chǔ) 器FLASH、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和可變增益放大器VGA，其特征在于：現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的 邏輯單元數(shù)不少于30000個(gè)、I/O管腳數(shù)不少于200個(gè)；存儲(chǔ)器FLASH的容量不低于IMbit ; 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的更新率不低于100MSPS、分辨率不低于12bit ;可變增益放大器VGA的增 益可變范圍不低于10dB、增益誤差不高于0. 5dB，存儲(chǔ)器FLASH輸出連接現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出連接可變增益 放大器VGA。
[0010] -種可變增益放大器的非均勻性校正方法包括以下步驟：
[0011] (1)在紅外焦平面成像系統(tǒng)前放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，調(diào)整該黑體的溫度，使紅外焦平 面器件中響應(yīng)最大的像元?jiǎng)偤眠_(dá)到飽和狀態(tài)，記錄此時(shí)紅外焦平面器件所有像元的響應(yīng)信 號(hào)DN值N1, N2, NfNn，設(shè)其中最小值為N_，計(jì)算出各像元對應(yīng)的增益值Ic1并存儲(chǔ)下來，其
[0012] (2)根據(jù)步驟（1)得到的增益值Ic1，通過可變增益放大器VGA生產(chǎn)廠商給出的輸 出增益-輸入電壓換算公式，計(jì)算出與增益1^對應(yīng)的輸入電壓V u i = 1，2, 3. .. η ;
[0013] (3)根據(jù)步驟（2)得到的輸入電壓值V1，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC生產(chǎn)廠商給出的內(nèi) 部編碼-輸出電壓的換算公式，計(jì)算出與V1對應(yīng)的二進(jìn)制編碼CODE b i = 1，2, 3. .. η ;
[0014] (4)將步驟（3)得到的二進(jìn)制編碼CODE1寫入存儲(chǔ)器FLASH中；
[0015] (5)通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將步驟（4)中存儲(chǔ)器FLASH的編碼讀出后傳遞給 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC根據(jù)編碼輸出對應(yīng)的電壓，通過該模擬電壓控制可變增益 放大器VGA的輸出增益，對紅外焦平面器件各像元的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)增益控制。
[0016] 本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1.本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，元器件選型限制小，容易實(shí)現(xiàn)。
[0018] 2.本發(fā)明對像元的增益控制速度快、精度高。
【附圖說明】
[0019] 圖1是基于可變增益放大器的非均勻性校正原理圖，其中：圖（1)是非均勻性校正 前紅外焦平面器件輸出信號(hào)，圖（2)是非均勻性校正后輸出信號(hào)。
[0020] 圖2是非均勻性校正前后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍變化圖。
[0021] 圖3是基于可變增益放大器的非均勻性校正方法步驟圖。
[0022] 圖4是基于可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)構(gòu)成圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 紅外焦平面器件選用中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的2KX1長波紅外線 列探測器，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA選用Altera公司EP3C40F484,可變增益放大器VGA選 用ADI公司AD8338,數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC選用ADI公司AD9764,存儲(chǔ)器FLASH選用SAMSUNG公 司 K9WAG08U1B。
[0024] (1)在紅外焦平面成像系統(tǒng)前放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，調(diào)整該黑體的溫度，使紅外焦平 面器件中響應(yīng)最大的像元?jiǎng)偤眠_(dá)到飽和狀態(tài)，記錄此時(shí)紅外焦平面器件所有像元的響應(yīng)信 號(hào)DN值N1, N2, N^Nn，設(shè)其中最小值為N_，計(jì)算出各像元對應(yīng)的增益值Ic1并存儲(chǔ)下來，其 中每=- i = 1，2, 3. . . η ;
[0025] (2)根據(jù)步驟（1)得到的增益值Ic1，通過可變增益放大器AD8338生產(chǎn)廠 商ADI公司在芯片數(shù)據(jù)手冊上提供的輸出增益-輸入電壓換算公式Gain(dB)= (￥-〇.1)\80+201呢〇?_議/心)-26，計(jì)算出與增益1^1對應(yīng)的輸入電壓￥1，1 = 1，2,3·..!!;
[0026] (3)根據(jù)步驟⑵得到的輸入電壓值V1，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9764生產(chǎn)廠商ADI 公司在芯片數(shù)據(jù)手冊上提供的內(nèi)部二進(jìn)制編碼-輸出模擬電壓的換算公式Vdiff= {(2C0 DE-16383)/16384}X(32RU]AD/RSET)XVREFI。，計(jì)算出與V 1對應(yīng)的二進(jìn)制編碼C0DE1，i =
[0027] (4)將步驟（3)得到的二進(jìn)制編碼CODE1寫入存儲(chǔ)器FLASH K9WAG08U1B中；
[0028] (5)將步驟⑷中存儲(chǔ)器FLASH K9WAG08U1B的編碼通過現(xiàn)場可編程門陣列 EP3C40F484讀出并傳遞給數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9764,數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9764根據(jù)編碼值輸出對應(yīng)的 模擬電壓，通過該模擬電壓控制可變增益放大器AD8338的輸出增益，對紅外焦平面器件各 像元的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)增益控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)，包括現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、存儲(chǔ)器 FLASH、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和可變增益放大器VGA，其特征在于： 所述的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的邏輯單元數(shù)不少于30000個(gè)、I/O管腳數(shù)不少于200 個(gè)；所述的存儲(chǔ)器FLASH的容量不低于IMbit ;數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的更新率不低于100MSPS、分 辨率不低于12bit ;所述的可變增益放大器VGA的增益可變范圍不低于10dB、增益誤差不高 于 0. 5dB ; 系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器FLASH輸出連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸入，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 輸出連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出連接可變增益放大器VGA輸入。2. 根據(jù)基于權(quán)利要求1所述的可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)的非均勻性校正 方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 在紅外焦平面成像系統(tǒng)前放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，調(diào)整該黑體的溫度，使紅外焦平面 器件中響應(yīng)最大的像元?jiǎng)偤眠_(dá)到飽和狀態(tài)，記錄此時(shí)紅外焦平面器件所有像元的響應(yīng)信號(hào) DN值N1, N2, N^Nn，設(shè)其中最小值為N_，計(jì)算出各像元對應(yīng)的增益值Ic1并存儲(chǔ)下來，其中(2) 根據(jù)步驟（1)得到的增益值Ic1，通過可變增益放大器VGA生產(chǎn)廠商給出的輸出增 益-輸入電壓換算公式，計(jì)算出與增益1^對應(yīng)的輸入電壓V u i = 1，2, 3. .. η ; (3) 根據(jù)步驟（2)得到的輸入電壓值V1，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC生產(chǎn)廠商給出的內(nèi)部編 碼-輸出電壓的換算公式，計(jì)算出與V 1對應(yīng)的二進(jìn)制編碼CODE b i = 1，2, 3. .. η ; (4) 將步驟（3)得到的二進(jìn)制編碼CODE1寫入存儲(chǔ)器FLASH中； (5) 通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA將步驟（4)中存儲(chǔ)器FLASH的編碼讀出后傳遞給數(shù)模 轉(zhuǎn)換器DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC根據(jù)編碼輸出對應(yīng)的電壓，通過該模擬電壓控制可變增益放大 器VGA的輸出增益，對紅外焦平面器件各像元的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)增益控制。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可變增益放大器的非均勻性校正系統(tǒng)及校正方法。該系統(tǒng)包括現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和可變增益放大器VGA，系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器FLASH輸出連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸入，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出連接數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出連接可變增益放大器VGA輸入。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能大幅改善紅外焦平面器件輸出信號(hào)的非均勻性，同時(shí)在一定程度上提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍。
【IPC分類】G01J5/02
【公開號(hào)】CN105181146
【申請?zhí)枴緾N201510296076
【發(fā)明人】劉銀年, 陳凱, 孫德新, 曹開欽
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年6月2日