一种可同时对可见光谱段和短波红外谱段成像的电子学系统

技术领域

本申请涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种同时对可见光谱段和短波红外谱段成像的电子学系统。

背景技术

近年来，随着红外焦平面探测器的发展，多谱段的成像光谱仪已经广泛应用于航空航天探测、大气成分分析以及军事国防等领域。可见光谱段(400nm-700nm)和短波红外谱段(1000nm-2000nm)是高光谱成像系统最常见的两个谱段。传统情况下，可见光谱段通常采用CMOS图像探测器或CCD探测器，短波红外谱段采用InGaAs探测器，二者无法采用相同的传感器技术。光学系统除了常规的望远镜系统、聚焦系统、准直系统以及狭缝，还需要分光系统，将入射光分配给不同谱段的成像系统。

由于可见光谱段和短波红外谱段分别采用不同的探测器，所以多谱段的光谱仪通常需要多片昂贵的探测器以及独立的光机系统，整机尺寸和系统成本居高不下。同时常规的FPGA接口无法兼容索尼探测器SLVS标准，另外常规的温控做法是采用运算放大器、功率晶体管等模拟器件实现温度反馈控制，该方法调节参数需要更改电路板上的阻容器件，操作麻烦，不易更换。

发明内容

基于此，本申请提供一种可同时对可见光谱段和短波红外谱段成像的电子学系统。

为解决上述技术问题，本申请提供一种可同时对可见光谱段和短波红外谱段成像的电子学系统，其特征在于，包括：

探测器，用于探测可见光谱段和短波红外谱段的目标，

温控单元，用于保持所述探测器温度恒定，

FPGA控制单元，用于处理和整合图像信息和温度信息，

数据输出单元，用于将处理好的信息传输给快视设备，

电源供电单元，用于为其他单元提供所述直流电平。

进一步的，所述探测器采用输出寄存器的方式，以数字量的形式提供所述探测器的实时温度。

进一步的，所述探测器为探测器IMX991，其输出信号标准为五路，其中四路为图像信号，一路为伴随时钟信号。

进一步的，所述探测器采用MC20901芯片，设计转换电路，将SLVS转换成FPGA可兼容的LVDS标准，使所述FPGA控制单元对图像数据进行处理和整合。

进一步的，所述温控单元采用热电制冷的方式对所述探测器的温度进行控制，通过所述探测器自带或外接的热敏电阻反应探测器实时温度，反馈给所述温控单元。

进一步的，所述温控单元采用温控芯片MAX8520，在FPGA内部实现PID算法，采用数字化的方式实现探测器温度的闭环反馈控制系统。

本申请的有益效果：

1、本申请采用最新的索尼探测器IMX991，覆盖可见光谱段和短波红外谱段(400nm～1700nm)，原本需要两套甚至更多的成像电子学系统，现在只需要一套，对应的光机系统也会减少，可有效降低系统成本，减小空间需求。此外，本申请采用单个成像系统，可有效提高入射能量，提高整机性能。

2、针对探测器IMX991特殊的输出信号电平标准SLVS，采用MC20901芯片，设计转换电路，将SLVS转换成FPGA可兼容的LVDS标准，方便FPGA对图像数据进行处理和整合。

3、本申请采用热电制冷得方式降低探测器自身温度，降低了暗电流对图像信号的影响。

附图说明

图1为本申请实施例提供的电路总体框图；

图2为本申请实施例提供的图像信号电平标准转换部分的电路图；

图3为本申请实施例提供的温控模块的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

实施例1：

本申请基于索尼公司的探测器IMX991,构建一套具有温度反馈控制功能的电子学成像系统，实现对可见谱段和短波红外谱段同时成像的目的。

一种可同时对可见光谱段和短波红外谱段成像的电子学系统，包括：

探测器，本申请的探测器采用索尼公司的探测器IMX991,用于探测可见光谱段和短波红外谱段的目标，输出代表目标辐亮度的数字信号，同时将探测器输出标准SLVS转换成FPGA兼容的电平标准；

温控单元，由于探测器需要对短波红外谱段进行探测，所以采用热电制冷的方式，保持所述探测器温度恒定；

FPGA控制单元，用于处理和整合图像信息和温度信息；

数据输出单元，用于将处理好的信息传输给快视设备，采用常规的Cameralink接口；

电源供电单元，用于为其他单元提供所述直流电平。

具体的，探测器IMX991：其输出信号标准为五路SLVS(Scalable Low VoltageSignaling)，其中四路为图像信号，一路为伴随时钟信号，SLVS由索尼公司特殊定义，电平标准如表1所示，用于高帧频和高分辨率的图像采集，可以提供更高的传输带宽和更低的功耗，最大传输速度为2.3Gbps。

现有FPGA的I/O接口无法兼容SLVS标准，需要特殊的外围电路或者专用的转换芯片，将SLVS转换为FPGA可兼容的LVDS或HSTL。本申请的技术方案选择专用转换芯片MC20901，可同时将五路SLVS信号转换成LVDS标准，并传输给FPGA进行数据处理整合。图像信号电平标准转换部分的电路图如图2所示，D-PHY-A/B/C/D/E为五路输入管脚，用来接收探测器的四路图像信号加一路时钟信号，在管脚处分别添加100欧姆差分电阻，提高信号完整性。

芯片MC20901包括两种输出标准：高速(HS)和低速(LP)，高速标准最大数据率为2.5Gbps，低速标准最大数据率为20Mbps。探测器输出数据率为594Mbps，故选择高速输出接口，输出标准为LVDS，直接发送给FPGA进行图像处理。低速输出接口悬空处理。

表1.SLVS的电平标准

温控单元：对于短波红外谱段，探测器本身的温度影响信号输出，采用TEC方式对探测器本身的温度进行控制，通过探测器自带或外接的热敏电阻反映探测器实时温度，反馈给温控单元，进而形成反馈闭环，保证探测器本身温度的稳定性。通常情况下，通过一个恒流源，将热敏电阻两端的电压值代替阻值，来反映探测器的温度，将这个电压值(模拟量)与目标温度进行对比，通过放大器与晶体管构成温度控制回路。

探测器IMX991采用输出寄存器的方式，以数字量的形式提供探测器本身的实时温度，故常规的模拟反馈温控方法不适用于本系统，此外模拟控制方案包括模数转换器、运算放大器、高精度电阻以及功率晶体管等，TEC工作参数设置不灵活；运算放大器固有的输入/输出失调电压，参考电压温漂以及模数转换器的量化噪声限制了TEC温控精度。本申请基于TEC温控芯片MAX8520，采用完全数字化的方式对探测器温度进行控制，保证探测器输出的稳定性和准确性。

通过控制探测器的寄存器TMDLATCH(由0变1)，读出实时温度值，读取频率为5次/秒，温度值以数字量的形式写入寄存器TEM_OUT，供FPGA读取。同时设置目标温度，在FPGA内将实时温度值与目标温度作差得到误差信号，执行FPGA内部的PID算法对误差信号进行处理，得到温度控制信号，发送给数模转换器(DAC)，通过控制MAX8520的输入电压，调整其输出到TEC的电流，进而实现温度的负反馈控制。控制MAX8520的输入电压中间值为1.5V，大于1.5V输出正向电流，TEC制冷；小于1.5V输出反向电流，TEC制热。同时输入电压偏离中间值1.5V越大，制冷/制热效果越明显，反之效果越微弱。将温度反馈控制的PID算法完全由FPGA代码实现，方便参数调整，且不受模拟器件性能影响，提高控温精度。

温控单元具体电路如图3所示，实测温度与目标温度作差后，通过FPGA内部的PID算法，以数字量的形式输出温度控制信号，经过DAC60501转换成电压控制信号，发送给MC20901的输入接口CTLI，进而控制其输出电流，具体公式如下：ITEC＝(VCTLI-1.5V)/(10*RSENSE)。具体的，RSENSE选择50mΩ，VCTLI在1V～2V之间变化，ITEC是提供给热电制冷片的功率电流，在-1A～1A之间变化(这里符号代表电流的方向，“+”代表制冷，“-”代表制热)，温度稳定性可以达到0.01℃。同时MC20901带有“最大TEC电压”和“最大TEC电流”设置，可以限制热电制冷的电压和电流，提高系统的安全性。

探测器的图像信号转换成LVDS标准后，输出给FPGA控制单元，经过像元读取、图像处理等操作，传递给数据输出单元，可根据项目要求选择不同的接口输出，本申请选择Cameralink接口输出图像数据。

常规的多谱段光谱仪通常包括可见光谱段和短波红外谱段，针对不同的波长范围，选择不同的探测器，需要分别设计成像电子学系统，甚至每个谱段都需要单独的光机结构，需要较高的费用和较大的空间。本申请采用最新的索尼探测器IMX991，覆盖可见光谱段和短波红外谱段(400nm～1700nm)，原本需要两套甚至更多的成像电子学系统，现在只需要一套，对应的光机系统也会减少，可有效降低系统成本，减小空间需求。

此外，对于一定的光学系统口径(受限于系统整体尺寸，口径不可能无限大)，传统的多谱段光谱仪需要分光系统，将入射光分配给不同的谱段通道，导致单个谱段入射能量有限，入射能量越强，系统信噪比越高。采用单个成像系统，去掉了分光结构，有效增加探测器输入能量，提高仪器整体性能。

针对探测器IMX991特殊的输出信号电平标准SLVS，采用MC20901芯片，设计转换电路，将SLVS转换成FPGA可兼容的LVDS标准，方便FPGA对图像数据进行处理和整合。

由于探测器可对短波红外谱段成像，为了降低暗电流对图像信号的影响，采用热电制冷的方式降低探测器自身温度。同时基于TEC温控芯片MAX8520，在FPGA内部实现PID算法，采用数字化的方式实现探测器温度的闭环反馈控制系统。常规的PID是由运算放大器和功率晶体管等模拟器件实现的，参数调节不方便，同时模拟器件本身的误差会导致控温准确性和稳定性降低。而本发明中只需更改FPGA代码即可。同时模拟器件本身的误差也会导致控温准确性和稳定性降低。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。