[发明专利]基于固定积分时间的嵌入式红外图像超帧处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于固定积分时间的嵌入式红外图像超帧处理方法，属于红外成像技术领域。

背景技术

由于红外成像系统具有隐蔽性好、抗干扰、能识别伪装、获取的信息丰富等优点，目前被广泛应用于战略预警、战术报警、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和科学研究等军事和民用的各个领域。特别是随着与红外成像技术相关的一些基础研究得到快速发展之后，对现代红外成像系统的性能也提出了更高的要求，譬如要求红外成像系统具有较高的灵敏度以及较大的动态范围等等。

在红外焦平面成像系统中，探测器组件作为其核心部件，能够实现红外辐射到光电流的转换。而这一组件中的读出电路的作用是：检出红外焦平面探测器输出的微弱信号，经处理后按一定的时序输出到后续电路。读出电路从功能上可以分为读出单元电路及多路传输电路两部分，读出单元电路是读出电路的重要组成部分，其功能是将探测器产生的光电流信号提出、放大、积分并转换为电压信号；多路传输电路是将来自各探测器单元的电压信号依次传输到读出电路的单个输出端，实现电学扫描。读出电路的具体工作原理为：探测器单元输出的光电流i_p在积分电容C_int上进行积分，经过一定的积分时间T_int，电容两端的电压v_o经多路传输电路输出，此时读出单元电路输出的信号电压为：

总噪声电压v_n为：

其中表示热噪声平均功率，具体由下式给出：

表示散粒噪声平均功率，具体由下式给出：

式(3)和式(4)中Δf为噪声带宽，约为2T_int的倒数，R_D是探测器的内电阻，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，i_p是探测器单元输出的光电流。

读出单元电路信噪比可由下式给出：

从上式可以看出，读出单元电路输出信号的信噪比与积分时间T_int的平方根是成正比的，增加积分时间T_int可以提高输出信号的信噪比，同时可以降低探测器的噪声等效温差(NETD)，进而提高成像系统的灵敏度。

假设v_omax为读出电路最大输出电压幅度，则电荷存储容量Q_max由下式决定：

Q_max＝C_int·v_omax＝i_p·T_{int_max}(6)

上式中读出电路最大输出电压幅度v_omax最大时为电源电压值，因此电荷存储容量Q_max主要由积分电容的容量限制，也即读出电路的动态范围由积分电容的容量限制。由于在凝视型探测器读出电路中，积分电容是集成于像元单元电路中的，其电路面积受到像元尺寸的限制，因而能够获得的积分电容的容量是非常有限的，以目前常用的CMOS工艺来说，积分电容能够做到1pF～2pF左右。假设像元面积为15μm×15μm，积分电容容量为1pF，电源电压为5V，则读出单元电路的电荷存储容量最大为5pQ，约合3.13×10⁷个电子电荷。假设探测器输出的平均电流为5nA，则最长的积分时间只能达到1ms。如果根据现实情况将红外焦平面探测器的暗电流以及背景电流计入，最长积分时间还将变得更短。对于长波探测器来说，较大的探测器暗电流及较高的背景电流使得探测器的积分时间将更进一步减小。如果希望通过增大像元内积分电容来提高光电流的积分时间是不现实的，因为现代模拟读出电路的电荷存储能力约在10⁶～10⁷个电子电荷之间，这样的电荷存储容量也只能支持中波探测器的光电流积分时间到毫秒量级，对于长波探测器，由于更大的暗电流、背景电流，致使需要10⁹个电子电荷的电荷存储容量才能实现毫秒级的光电流积分，这样就需要数百个皮法的电容来存储这些电荷，以目前的CMOS工艺在极小的像元面积内集成如此大的电容是不可能完成的。