[发明专利]凝视型数字TDI短波红外微光成像仪及成像方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种红外成像仪，具体涉及一种凝视型数字TDI短波红外微光成像仪及成像方法，它应用于光电成像领域中的短波红外成像和微光成像领域。

背景技术：

微光成像技术在安全、工业、科学研究等领域有着广泛的应用需求。微光成像仪是利用月光、星光等夜空辉光，以及仪器自身补光，对目标的反射光信号进行采集、成像。

短波红外成像仪的工作波段一般在0.9μm~2.5μm，其成像原理与人眼可见光成像相同，都是捕捉目标反射光，因此相比捕捉目标热辐射成像的红外热像仪更接近目视成像效果，易于实时监控时的目标辨认。夜空辉光中，该波段的能量明显优于其他波段；且短波红外光不被人眼所见，仪器自带补光器进行照明仍能保持隐蔽，因此该波段非常适合夜间进行微光安防监控。

微光条件下，入射光信号很弱，因此提高仪器的信噪比是微光成像仪的技术难点。除了采取补光、前置增强器等方法增加入射到探测器表面的能量以外，以探测器为核心的光电转换系统也需要特殊的高灵敏度设计。以往提高短波红外成像系统信噪比的手段有三：一是优化电路设计，降低探测器读出电路以及电子学的噪声；二是选用大电荷增益探测器件；三是延长积分时间。目前，读出电路以及电子学的噪声在诸多产品当中已经得到良好的抑制，很多相机的电路噪声达到光子噪声限，接近设计极限。利用大电荷增益的探测器也可以有效提升微光条件下的信噪比，但该措施会牺牲一定的动态范围，因此电荷增益的增幅受其制约，不能无限扩大。延长积分时间获取有效信号的同时，系统结构的背景辐射也被短波红外探测器更多地捕捉到，占据了一定的动态范围，也带来了背景辐射噪声，尤其在弱信号探测中，背景辐射甚至会淹没有效信号。因此，通过增大积分时间来增大短波红外成像系统的信噪比，其效果在微光条件下也十分有限。

时间延迟积分（Time Delay Integration）技术是增强小积分条件下信噪比的有效方法，它最早应用于可见光CCD器件，通过对同一目标的多次曝光、叠加，实现信号增强，提高信噪比。CCD器件的结构本身易于实现线列扫描TDI功能，而短波红外探测器的原理与之有所差别，要实现TDI功能只能在数字域进行叠加。

以往的各种TDI方式，无论是探测器本身完成TDI还是数字域TDI，都属于线列扫描TDI，因此只能用于高速光机扫描成像，比如机载、星载遥感器。而本发明应用于地基观测平台的区域监控设备，此类设备一般采用结构简单、可靠性高的凝视成像，因此线列扫描TDI并不适用于这类仪器。

发明内容：

本发明旨在提供一种利用数字整帧TDI技术获取高信噪比图像的凝视型短波红外微光成像仪。

如附图1所示，系统包括短波红外镜头，短波红外LED灯，探测器组件及电子学，图像数据缓存器，带有数字整帧TDI模块的主控系统以及显示装置。

所述探测器组件采用大电荷增益短波红外探测器。

所述电子学包括探测器驱动电路和采集电路。

所述图像数据缓存器可用高速大容量RAM实现。它分为原始图像数据乒乓存储区、叠加图像数据存储区和最终图像数据存储区3个存储分区。其数据位宽需要根据最高TDI级次以及A/D转换器位数进行计算，保证容量可以满足叠加图像数据存储要求。假设A/D转换器位数为x，最高TDI级数为n，则存储器数据宽度y需要满足：y≥x+log₂ n。存储一帧图像数据需要的空间为存储器位宽与一帧像元数目的乘积。原始图像数据乒乓存储区的大小等同于两帧图像数据的大小，最终图像数据存储区和叠加图像数据存储区的大小等同于一帧图像数据的大小。

所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，可以是单片机、DSP、FPGA等逻辑控制芯片。它的主要职能包括控制短波红外LED灯的开关，控制探测器及电子学工作，实现图像存储与数字整帧TDI的逻辑控制，完成图像输出。

主控系统控制各部分工作顺序如下：

1、主控系统控制打开一定数量的LED补光灯进行补光照明。

2、主控系统配置参数，包括探测器工作参数以及TDI级数n和动态范围补偿系数m。如果探测器需要制冷则预先完成制冷。

3、探测器开始工作，获取的图像信号经A/D转换后送入图像数据缓存器的原始图像数据乒乓存储区。

4、按照下文所述的数字整帧TDI算法，完成n级TDI叠加运算。

5、根据设置的动态范围补偿系数m，完成动态范围补偿，在图像数据缓存器的最终图像数据存储区获得最终图像数据。