一种红外探测器视频模拟信号采集处理方法及系统
阅读说明：本技术 一种红外探测器视频模拟信号采集处理方法及系统 (Infrared detector video analog signal acquisition processing method and system ) 是由 闫鹏 赵昊 张昕 刘学斌 胡炳樑 刘文龙 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种红外探测器视频模拟信号采集处理方法及系统。解决探测器输出像素速率与ADC采样不批配的问题。本发明针对低像素率探测器输出的视频模拟信号进行模数转换,采用采样速率为2倍或数倍于该像素读出速率的ADC模数转换器,通过对同一像素进行多次采样(与ADC模数转换器采样速率和红外探测器像素输出频率的比值相关),将多次采样位置较平稳、图像相对灰度起伏较小的平坦区域的数字信号相加求取平均后的信号作为该像素的有效量化值。很好的解决了探测器输出像素速率与ADC采样速率不批配的问题,保障高性能ADC可以用于低像素率的图像系统中,并有效提高图像质量。(The invention relates to a method and a system for acquiring and processing video analog signals of an infrared detector. The problem that the output pixel rate of the detector and ADC sampling are not in batch matching is solved. The invention carries out analog-to-digital conversion aiming at the video analog signal output by the low pixel rate detector, adopts an ADC (analog-to-digital converter) with the sampling rate being 2 times or several times of the pixel reading rate, and adds the digital signals of a flat area with stable multi-sampling positions and small image relative gray level fluctuation by carrying out multi-sampling (related to the ratio of the sampling rate of the ADC and the pixel output frequency of the infrared detector) on the same pixel to obtain an average signal as an effective quantization value of the pixel. The problem that the output pixel rate of the detector and the sampling rate of the ADC are not in batch is well solved, the high-performance ADC can be used in an image system with a low pixel rate, and the image quality is effectively improved.)
技术领域
本发明属于视频模数转换器ADC器件的一种使用方法，涉及一种红外探测器视频模拟信号采集处理方法及系统。
背景技术
随着工业技术的进步与发展，机器视觉成像已广泛应用于工业生产、道路监控及安防等诸多领域，除此以外，机器视觉也被大量用在航天航空、军事侦察及科学研究等诸多领域，其工作谱段范围也随着不同的应用领域、不同的需求从可见光波段向紫外、红外等领域拓展，其中尤其以可见光成像设备最为常见，也最为大家熟知，如手机摄像头。但是近年来，由于红外影像的特殊性，在一些领域，红外成像系统获得了突飞猛进的发展。
影响成像系统图像质量的因素，除光机系统外，还有探测器自身性能与模数转换等组件。对于图像质量，其中一个重要的考核指标就是要求信噪比高，所谓信噪比是指有效的图像信号相对于噪声的比值，理论上比值越大，说明获取的图像噪声越低，图像信号越高，这样一来图像清晰度、对比度越好。在一些特殊科学研究及遥感成像中对信噪比要求较高。以遥感成像为例，近年来，随着光学遥感领域不断发展，对高分辨成像要求越来越高，高分辨不仅对光机系统提出较高要求，也对探测器以及数字化图像获得提出了挑战。
目前而言，红外探测器的像素时钟相对较低，通常只有几兆或十几兆赫兹，而市面上的ADC器件的采样频率一般较高，有的甚至高达几十兆赫兹。因此会有探测器输出像素速率与ADC采样不批配情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外探测器视频模拟信号采集方法及系统，解决探测器输出像素速率与ADC采样不批配的问题。本发明利用高采样率ADC器件进行低像素采集，不仅可提高信噪比，而且不增加额外的硬件资源。
本发明的构思是：
本发明针对低像素率探测器输出的视频模拟信号进行模数转换，采用采样速率为2倍或数倍于该像素读出速率的ADC模数转换器，通过对同一像素进行多次采样(与ADC模数转换器采样速率和红外探测器像素输出频率的比值相关)，将多次采样位置较平稳、图像相对灰度起伏较小的平坦区域的数字信号相加求取平均后的信号作为该像素的有效量化值。能够保障一些高性能ADC用于低像素率的图像系统中，并有效提高图像质量。
本发明的技术方案是提供一种红外探测器视频模拟信号采集处理方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、构建红外探测器视频模拟信号采集处理系统；
红外探测器视频模拟信号采集处理系统主要包括ADC模数转换器、FPGA数据处理单元、时钟单元、存储单元、供配电单元及数据输出单元；
ADC模数转换器的输入端与红外探测器视频模拟信号输出端电连接，FPGA数据处理单元与ADC模数转换器相互电连接，数据输出单元的输入端与FPGA数据处理单元的信号输出端电连接；时钟单元与存储单元均与FPGA数据处理单元电连接；
步骤2、配置工作时钟；
通过FPGA数据处理单元为红外探测器配置合适的像素读出时钟xMHz，同时为ADC模数转换器提供采样时钟yMHz，确保y＝nx，n≥2；
步骤3、调整ADC模数转换器的采样位置；
调整ADC模数转换器的采样位置，确保每个采样点均处于视频模拟信号的有效像素区间；
步骤4、采样及数字域处理；
步骤4.1、ADC模数转换器按照设置的采样时钟采集红外探测器输出的视频模拟信号，将视频模拟信号转化为数字信号，因为ADC模数转换器的采样时钟为红外探测器像素读出时钟的n倍，所以在一个采样时钟下，对同一像素视频模拟信号可以实现n次采样，获取该像素视频模拟信号对应的n组数字信号；
步骤4.2、FPGA数据处理单元对数字信号进行数字域处理，选择n组数字信号中的m组数字信号，并求取m组数字信号的平均值，将平均值作为该像素的有效量化值，通常称为灰度值；其中m≤n；
步骤5、重复步骤4，完成红外探测器输出的所有像素视频模拟信号的采样及数字域处理，获得所有像素灰度值；
步骤6、FPGA数据处理单元将所有像素点组成图像帧，将重组后的数据发送至数据输出单元输出。
进一步地，步骤3具体为：
将红外探测器输出的视频模拟信号与红外探测器视频模拟信号采集系统相连接，系统上电后，在实验室测试ADC模数转换器采样点位置，通过示波器查看采样点与红外探测器视频模拟信号的相对位置关系，反复多次调整参数，确保每个采样点均处于视频模拟信号的有效像素区间。
为了进一步提高信噪比，步骤4.2中m组数字信号相对其余n-m组信号，采样位置较平稳、图像相对灰度起伏较小。
本发明还提供一种红外探测器视频模拟信号采集处理系统，其特殊之处在于，包括ADC模数转换器、FPGA数据处理单元、时钟单元、存储单元、供配电单元及数据输出单元；
ADC模数转换器的输入端与红外探测器视频模拟信号输出端电连接；FPGA数据处理单元与ADC模数转换器相互电连接；数据输出单元的输入端与FPGA数据处理单元的信号输出端电连接；时钟单元与存储单元均与FPGA数据处理单元电连接；
FPGA数据处理单元用于为红外探测器配置合适的像素读出时钟，为ADC模数转换器提供采样时钟；同时实现数字域处理，针对每一像素选取m组ADC模数转换器输出的数字信号，进行取平均运算；并将完成数字域处理的所有像素点组成图像帧，将重组后的数据发送至数据输出单元输出；
ADC模数转换器用于按照设置的采样时钟采集红外探测器输出的视频模拟信号，并将视频模拟信号转化为数字信号；ADC模数转换器的采样时钟为yMHz，y＝nx，n≥2，n≥m，x为红外探测器的像素读出时钟xMHz；
时钟单元用于提供工作时钟；
存储单元用于为FPGA数据处理单元提供代码储存，使得每次重新加电后系统能够正常运转；
供配电单元用于为整个系统提供电源；
数据输出单元用于输出FPGA数据处理单元重组后的数据。
进一步地，红外探测器为中波红外探测器，分辨率640×512，最大像素速率8MHz，同时输出4路视频模拟信号。
进一步地，ADC模数转换器为ADDI7004，ADC模数转换器的采样时钟为16MHz。
进一步地，FPGA数据处理单元选用了Xilinx公司FPGA型号为XC4VSX55-10FF1148I。
进一步地，存储单元使用了Xilinx公司专用FLASH配置芯片XCF32P。
进一步地，时钟单元选用了100MHz的晶体振动器。
进一步地，供配电单元采用了低压差稳压电源器件。
本发明的有益效果是：
1、本发明在不改变红外探测器与ADC模数转换器的前提下，通过对同一像素进行多次采样，将多次采样位置较平稳、图像相对灰度起伏较小的平坦区域的数字信号相加求取平均作为该像素的灰度值，很好的解决了探测器输出像素速率与ADC采样速率不批配的问题，保障高性能ADC可以用于低像素率的图像系统中。
2、本发明提供的高采样ADC模数转换器用来采集低像素率的红外探测器模拟信号，通过多次采样求平均获取该点的灰度值。通常即使在探测器输出的平坦区域也会叠加很多随机噪声，这种采样方法，可以大幅度提高信噪比，获取高性能图像。利用AD的高采样频率对同一像元进行m次采样求平均作为输出灰度值，理论上经过m次采样滤波后，信噪比能够提高倍。
3、本发明提供的这一方法具有方便、简单、有效等诸多优点。随着红外视觉的普及化，该解决方法具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明红外探测器视频模拟信号处理系统框图；
图2为本发明红外探测器视频模拟信号处理方法中针对同一像素实现多次采样的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如图1所示，本实施例红外探测器视频模拟信号采集处理系统主要包括ADC模数转换器、FPGA数据处理单元、FLASH存储单元、时钟单元、数据输出单元以及供配电单元，通过ADC模数转换器与外部红外探测器的模拟视频信号输出端连接。FPGA数据处理单元与ADC模数转换器相互电连接；数据输出单元的输入端与FPGA数据处理单元的信号输出端电连接；时钟单元与存储单元均与FPGA数据处理单元电连接。
红外探测器主要为ADC模数转换器提供模拟视频信号，输出像素速率可由FPGA数据处理单元配置。本实施例，选用了中电11所生产的一款中波红外探测器，分辨率为640×512，最大像素速率为8MHz，可同时输出4路模拟信号。
ADC模数转换器主要用于将模拟视频信号数字化，本实施例选用TI公司的高性能ADDI7004芯片。该器件单颗芯片可实现4路视频模拟信号数字化，极大的节约了电路规模，并且采样噪声较低。具有速度快、体积小、功耗低的特征。采样率为10～72MHz，量化位数14位。由于上述红外探测器输出速率为8MHz，而所选ADC模数转换器的最小采样率为10MHz，因此设计中配置ADC模数转换器的采样率为16MHz，2倍于红外探测器输出像素时钟，通过对2次采样的灰度值相加求平均，作为该像素点的灰度值。用户可根据实际需求采用3倍、4倍或更高的采样率。
FPGA数据处理单元为红外探测器和ADC模数转换器提供配置参数，为红外探测器配置合适的像素读出时钟，为ADC模数转换器提供采样时钟；本实施例中，如上所述，将红外探测器像素读出时钟配置为8MHz，ADC模数转换器的采样时钟配置为16MHz。同时将ADC模数转换器输出的数字信号进行数字与处理，将ADC模数转换器输出的数字信号求和取平均运算，并将完成数字域处理的所有像素点组成图像帧，将重组后的数据发送至数据输出单元输出。本实施例，选用了Xilinx公司FPGA型号为XC4VSX55-10FF1148I，通过其内部逻辑单元完成像素运算及图像处理，把并行的14bit的像素数据组帧，使得内部存储单元能够按照探测器实际帧、行缓存。
FLASH存储单元为FPGA数据处理单元提供代码储存，使得每次重新加电后系统能够正常运转。FLASH存储单元是一种非易失性、电可擦除可编程只读存储器。本实施例，使用了Xilinx公司专用FLASH配置芯片XCF32P。
时钟单元为整个系统提供工作时钟，本实施例选用了100MHz的晶体振动器。
供配电单元为整个系统提供电源，本实施例采用了低压差稳压电源器件。
本实施例具体通过下述过程实现红外探测器视频模拟信号的采集处理：
步骤1、构建上述红外探测器视频模拟信号采集处理系统。
步骤2、配置工作时钟；
完成硬件环境构建后，通过FPGA数据处理单元为红外探测器配置合适的像素读出时钟xMHz，同时为ADC模数转换器提供采样时钟yMHz，确保y＝nx，n≥2；本实施例中，将红外探测器像素读出时钟配置为8MHz，ADC模数转换器的采样时钟配置为16MHz。
步骤3、调整ADC模数转换器的采样位置；
完成红外探测器和ADC模数转换器参数配置后，通过实验室测试微调ADC模数转换器的采样位置，确保每个采样点均处于有效像素区间，而不能偏离了红外探测器实际输出的视频模拟信号区间。
具体可通过下述过程实现：将红外探测器的模拟视频信号输出端与ADC模数转换器相连接，系统上电后，在实验室测试ADC模数转换器采样点位置，通过示波器查看采样点与红外探测器模拟信号的相对位置关系，反复多次调整参数，获取最佳采样位置。完成采样点确认后，即可进行正常成像试验，并可根据需求进行实验室测试以及完成研制。
步骤4、采样及数字域处理；
步骤4.1、ADC模数转换器按照设置的采样时钟采集红外探测器输出的视频模拟信号，将视频模拟信号转化为数字信号，由于上式中y＝nx，因此在一个采样时钟下，对同一像素视频模拟信号可进行n次采样，获取该像素视频模拟信号对应的n组数字信号，如图2所示；
步骤4.2、FPGA数据处理单元对数字信号进行数字域处理，可根据需求选择n组数字信号中的m组数字信号，并求取m组数字信号的平均值，将平均值作为该像素的有效量化值，通常称为灰度值；其中m≤n。m组数字信号相对其余n-m组信号，采样位置较平稳、图像相对灰度起伏较小。
步骤5、重复步骤4，完成红外探测器输出的所有像素视频模拟信号的采样及数字域处理，获得所有像素灰度值；
步骤6、FPGA数据处理单元将所有像素点组成图像帧，将重组后的数据发送至数据输出单元输出，即获取了一幅完整图像模数转换。
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