一种红外相机主动降噪系统、控制方法及应用

技术领域

本发明属于红外相机成像技术领域，尤其涉及一种红外相机主动降噪系统、控制方法及应用。

背景技术

目前：利用红外相机进行弱小目标成像探测是当前遥感成像领域的一个热点。目前常用的探测方案是红外相机装在飞行器(卫星、飞机等)上对地观测，或者红外相机从地面对空探测，通过高分辨率成像来实现对地或对空搜索包括飞机、流星、空间站在内的各种目标。

随着遥感成像技术的发展，对成像的灵敏度要求越来越高，也就意味着信噪比要进一步提高，而在目标信号辐射强度确定从而相机探测能到的信号大小也基本确定的情况下，只能通过进一步降低噪声来提升信噪比。

而对于红外相机，除了传统遥感意义上的信噪比这一核心指标外，背景杂波的影响是不可忽略的，尤其是中长波谱段，红外探测系统在没有入射光时依然存在不均匀性的背景电平，即固定图形噪声，直接影响成像效果。因此在该领域内人们分析了各种降低噪声和杂波影响从而提高信杂噪比的方法，往往是通过提高红外探测器的峰值探测率D*、降低光学系统温度从而降低背景、低噪声高稳定电子学耦合等方法来降低系统的噪声。但这些方式要么需要对系统进行较大的改动；要么在设计之初就需要对部组件提出较高的指标要求，代价较大；要么在多通道多谱段系统里进行高速同步采样而忽略了地弹的影响，导致各通道或谱段成像噪声差异较大，在系统设计出来后只能被动接受系统性能，而且在红外相机的使用过程中面对不同场景下还需要调试性能参数，无法满足快速使用的需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的红外相机的降噪方式需要对系统进行较大的改动，对部组件的指标要求较高，代价较大，各通道或谱段成像噪声差异较大，在红外相机的使用过程中面对不同场景下还需要调试性能参数，无法满足快速使用的需求。

解决以上问题及缺陷的难度为：不同的红外系统，噪声分布是有差异的，因此为提高信噪比，传统方法只能通过对个体试件逐一分析、逐一处理，包括提高红外探测器的峰值探测率D*、降低光学系统温度从而降低背景、低噪声高稳定电子学耦合等方法来降低系统的噪声，但这些方式需要对系统进行较大的改动，需要较多资源，且针对单一应用环境，难以适应大多数红外系统的应用。

解决以上问题及缺陷的意义为：针对红外系统的特性，特别是应用在探测领域的红外系统，主动降噪技术具有一定的通用性，能迅速完成红外系统噪声的抑制，有利于红外探测系统凸显目标，解决了红外系统背景噪声对系统探测性能的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种红外相机主动降噪系统。

本发明是这样实现的，一种红外相机主动降噪系统设置有：

数据获取装置、固定图形噪声抑制装置和主动采样控制装置；

所述数据获取装置通过连接线路分别与固定图形噪声抑制装置和主动采样控制装置连接，所述固定图形噪声抑制装置通过连接线路与主动采样控制装置连接。

进一步，所述数据获取装置设置有AD转换器、均匀辐射源、伺服机构、光学单元和探测器，所述均匀辐射源位于光学单元的入射光路一端，所述探测器位于光学单元的出射光路一端，所述探测器通过连接线路与AD转换器连接，所述伺服机构与光学单元连接。

进一步，所述光学单元设置有反射镜和光学透镜，所述光学透镜位于反射镜的反射管路一端。

进一步，所述固定图形噪声抑制装置设置有DA转换器和减法器。

进一步，所述主动采样控制装置设置有时序控制器、第一数据存储器、第二数据存储器，所述第一数据存储器通过时序控制器与第二数据存储器连接。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述红外相机主动降噪系统的控制方法，所述控制方法包括：通过伺服机构将相机入射端发射镜转向均匀黑体辐射源，通过均匀辐射源控制器对辐射源进行加热和温控，光学单元对辐射源进行汇聚成像，探测器用于光电转换，高速AD转换器用于将探测器曝光产生的模拟信号转换成数字信号；固定图形噪声抑制装置用于将相机对均匀辐射源在低温点获取的数据记录为背景，在均匀辐射源高温点处相机信号扣除辐射源低温点的背景信号，完成了固定图形噪声的抑制；主动采样控制装置中的时序控制器控制AD、DA的时序以及数据收发，第一数据存储器用于存储背景数据，然后缓存输出给DA，恢复到模拟前端，与当前信号进行减法运算。第一数据存储器用于存储各种状态下的量化数据，供处理模块分析计算。

一种红外相机主动降噪方法，具体包含下列步骤：

S1、红外相机入射端反射镜转向均匀辐射源，将固定图形噪声抑制装置中的减法器设置为减0，M元探测器输出信号，读出频率记为f

S2、第一温度点的数据写入第一存储器，经过多帧累加平均后作为背景数据，写入第一存储器；

S3、均匀辐射源加热升温到第二温度点即高温点；

S4、第一存储器中的背景数据读出，送固定图形噪声抑制装置中的DA转换器转换成模拟信号，即背景信号；

S5、背景信号接入固定图形噪声抑制装置的减法电路，当前红外探测器输出的信号与背景信号进行相减，扣除固定图形噪声；

S6、减后的信号送AD转换器进行模数转换，像元信号读出频率为f

S7、训练和决策装置对写入第二存储器的数据进行处理：

1)数据累加处理器对数据进行累加平均，累加的次数与过采样次数N相同；

2)对累加平均后的数据，按传输的通道或者谱段进行分区并行处理，在时间序列上逐元统计均方根n

i为通道号或者谱段号，Mi为通道或者谱段像元数，统计样本数不小于50；

3)统计综合噪声：

L为通道数或者谱段数，ai为各通道或者谱段的权重；

S8、判断综合噪声是否达到了阈值，若未达到，则改变采样点位置，即调整探测器像元读出周期内的起始采样点与探测器读出时钟CLKrd的上升沿的时间差ts，调整采样次数N，继续从S6开始，循环迭代，直到满足要求，然后保持当前的参数，开始进行成像探测。

本发明的另一目的在于提供一种弱小目标成像探测方法，所述弱小目标成像探测方法使用所述红外相机主动降噪系统。

本发明的另一目的在于提供一种遥感成像方法，所述遥感成像方法使用所述红外相机主动降噪系统。

本发明的另一目的在于提供一种飞行器对地观测方法，所述飞行器对地观测方法使用所述红外相机主动降噪系统。

本发明的另一目的在于提供一种红外相机从地面对空探测方法，所述红外相机从地面对空探测方法使用所述红外相机主动降噪系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的综合噪声小，同时由于各个通道或者谱段的采样点是可以调节的，也抑制了通道/谱段之间同时采样引起的瞬时地弹扰动，具有实时性强、数据运算量小的特点，应用后能有效降低红外相机的系统噪声，解决了多谱段多通道之间由于同步采样引起的地弹扰动，提高了系统灵敏度。采用该方法的中波红外相机，经过采样点动态训练后系统噪声指标测试值为0.35mV(积分时间500us)，而未采用该方法的同型中波红外相机系统噪声值0.65mV(积分时间500us)，降低了约46％，相对而言系统信噪比提升了约85％。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的红外相机主动降噪系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的红外相机主动降噪系统的连接原理图。

其中，1、数据获取装置，2、均匀辐射源，3、反射镜，4、光学单元，5、AD转换器6、探测器，7、伺服机构器，8、固定图形噪声抑制装置，9、第一数据存储器，10、时序控制器，11、第二数据存储器，12、主控采样控制装置，13、DA转换器，14、减法器，15、训练和决策装置，16、噪声加权统计器，17、阈值判断器，18、单谱段噪声统计器，19、数据累加处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种红外相机主动降噪系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的红外相机主动降噪系统包括数据获取装置、固定图形噪声抑制装置和主动采样控制装置；

数据获取装置通过连接线路分别与固定图形噪声抑制装置和主动采样控制装置连接，所述固定图形噪声抑制装置通过连接线路与主动采样控制装置连接。

数据获取装置设置有AD转换器、均匀辐射源、伺服机构、光学单元和探测器，所述均匀辐射源位于光学单元的入射光路一端，所述探测器位于光学单元的出射光路一端，所述探测器通过连接线路与AD转换器连接，所述伺服机构与光学单元连接。

光学单元设置有反射镜和光学透镜，所述光学透镜位于反射镜的反射管路一端。

固定图形噪声抑制装置设置有DA转换器和减法器。

主动采样控制装置设置有时序控制器、第一数据存储器、第二数据存储器，所述第一数据存储器通过时序控制器与第二数据存储器连接。

训练和决策装置设置有单谱段噪声统计器、数据累加处理器、噪声加权统计器、阈值判断器，所述数据累加处理器通过线路与单谱段噪声统计器连接，所述数据单谱段噪声统计器通过线路与噪声加权统计器连接，所述噪声加权统计器通过线路与阈值判断器连接。

本发明在使用时，通过伺服机构将相机入射端发射镜转向均匀辐射源，均匀辐射源可以选用标准面源黑体，通过均匀辐射源控制器来对面源黑体进行加热和温控，光学单元对辐射源进行汇聚成像，探测器用于光电转换，高速AD转换器用于将探测器曝光产生的模拟信号转换成数字信号；固定图形噪声抑制装置用于将相机对均匀辐射源在低温点获取的数据记录为背景，在均匀辐射源高温点处相机信号扣除辐射源低温点的背景信号，完成了固定图形噪声的抑制；主动采样控制装置中的时序控制器控制AD、DA的时序以及数据收发，第一数据存储器用于存储背景数据，然后缓存输出给DA，恢复到模拟前端，与当前信号进行减法运算。第一数据存储器用于存储各种状态下的量化数据，供训练和决策装置分析计算。

具体过程为：

S1、红外相机入射端反射镜转向内置黑体，将固定图形噪声抑制装置中的减法电路设置为减0，2048元探测器输出信号，读出频率为1MHz，通过AD转换器获取第一温度点数据，测温精度控制在±0.1K，AD转换器的采样点设置为与探测器读出时钟同步，采样频率为16MHz，AD转换器采用AD9240；

S2、第一温度点的数据写入第一存储器，经过16帧累加平均后作为背景数据，写入第一存储器，存储器采用容量128Mbit的SDRAM；

S3、内置黑体加热升温到第二温度点即高温点，第二温度点与第一温度点温差大于5℃，且不能使红外系统输出信号饱和；

S4、第一存储器中的背景数据读出，送固定图形噪声抑制装置中的DA转换器转换成模拟信号，即背景信号，DA转换器选用AD9761；

S5、背景信号接入固定图形噪声抑制装置的减法电路，当前红外探测器输出的信号与背景信号进行相减，扣除固定图形噪声，减法器选用AD8042；

S6、减后的信号送AD转换器进行模数转换，像元信号读出频率为1MHz，采样频率计为16MHz，一个探测器像元读出周期内的起始采样点与探测器读出时钟CLKrd的上升沿的时间差设为0，像元内的过采样次数为16，转换后的数据写入第二存储器；

S7、训练和决策装置采用4片DSP TMS320C6416并行处理实现，对写入第二存储器的数据进行处理：

1)数据累加处理器对数据进行累加平均，累加的次数与过采样次数16相同；

2)对累加平均后的数据，按传输的通道或者谱段进行分区并行处理，在时间序列上逐元统计均方根ni，平均值即为通道或谱段噪声：

i为通道号或者谱段号，Mi为通道或者谱段像元数，统计样本数100；

3)统计综合噪声：

L为通道数或者谱段数，ai为各通道或者谱段的权重；

S8、判断综合噪声是否达到了阈值，阈值可以设置为0.3LSB，若未达到，则改变采样点位置，即调整各个通道或者谱段的探测器像元读出周期内的起始采样点与探测器读出时钟CLKrd的上升沿的时间差ts，调整采样次数为32，继续从S6开始，循环迭代，直到满足要求，然后保持当前的参数，开始进行成像探测。

采用该方法的中波红外相机，经过采样点动态训练后系统噪声指标测试值为0.35mV(积分时间500us)，而未采用该方法的同型中波红外相机系统噪声值0.65mV(积分时间500us)，降低了约46％，相对而言系统信噪比提升了约85％。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。