紅外熱像儀前端信號采樣設計優化

華中光電技術研究所——武漢光電國家實驗室 李 哲

紅外熱像儀前端信號采樣設計優化

華中光電技術研究所——武漢光電國家實驗室 李 哲

紅外探測器模擬輸出信號采集是很重要的一環，有用信號中夾雜許多噪聲，如何最大程度的濾除噪聲僅僅靠硬件濾波完全不夠，需要數字濾波的配合，本文通過多次采樣技術獲取更多的目標信息，同時消除幀間噪聲，利用多次采樣技術并取算術平均值，來降低紅外探測器模擬輸出信號的噪聲，提高信號的信噪比。

噪聲；多次采樣技術

一、引言

紅外焦平面模擬輸出信號不僅包含了背景與目標的有用信號，而且還夾雜了熱噪聲、1/f噪聲等多種噪聲，造成紅外圖像疊加噪聲信號。目前我所線陣熱像儀探測器模擬信號采集所用ADC為AD9240，該芯片為14位，采樣頻率最高位10MHz。ADC的采樣時鐘與探測器控制信號時鐘MC同頻，一個AD采樣時鐘只能采樣一次有用信號，為了在一個MC周期內獲取更多的信號，我們在硬件電路不變的的前提下，對 1024*6紅外傳感器前端信號采集采取過采樣技術。該技術可以減少量化噪聲和增加AD的信噪比，并且在不增加相關電路的前提下，提高了分辨率。

二、紅外熱像儀模擬輸出信號采樣優化設計

在凝視型紅外熱像儀中，空間采樣頻率由探測像元的尺寸與間距決定，但是在實際場景中，被探測對象的空間頻率遠高于紅外探測器像元空間重復率的一半，往往存在欠采樣［1］，產生重疊混淆效應。欠采樣是焦平面陣列普遍存在的問題，被探測對象為自然圖像，其頻帶不受限，空間頻率可認為無限大。

1.傳統線陣探測器輸出信號采樣方法

目前288*4探測器、480*6探測器、576*6探測器模擬信號采樣處理中，均采取如圖1所示方法，對探測器模擬輸出信號只采樣一次。傳統的方法選用的ADC為AD9240，位數為14位，該ADC的采樣頻信號在MC的低電平期間數據處于穩定期，由于AD9240的采樣沿在時鐘上升沿，因此在FPGA中生成如上示意的ADC的采樣時鐘AD_ CLK。探測器每個MC時鐘周期內，ADC只能采樣一次，為了更多的獲得信號的細節信息，我們對AD采樣方法進行了改進。

2.采樣方式改進

根據奈奎斯特采樣定理可知，被測信號的頻率至少小于等于采樣頻率的二分之一，該信號才能重建，被測信號頻帶中會混疊白噪聲，該頻帶內白噪聲的噪聲能量譜密度表示為：

圖1　

圖2　

圖3　

由上式可知，隨著采樣頻率的增加，頻帶內的噪聲能量譜密度降低。因此從原理上可以論證提高采樣頻率降低噪聲具有可行性。

本文所選的探測器為長波1024*6紅外焦平面組件，其陣列規格為1024*6，F數為2，像元中心間距為18um*54um，光譜響應范圍為7.7um～10um，1024*6線陣掃描型紅外傳感器模擬輸出信號電平在1.7V至4.2V之間，其動態范圍為2.5V，該型探測器的主時鐘MC最大可達5MHz，設計中采用3.4MHz，目前前端信號選用ADC為AD9245-40，該型ADC芯片為高精度14位模數轉換器，分辨率可達0.15mv，最大采樣頻率為40MHz，在設計中我們設置AD采樣時鐘頻率為34MHz。為了配合模擬輸出信號的動態范圍，需要設置AD9245的參考電壓。利用AD9245多次采樣示意圖如圖2所示：

在設計中根據探測器資料和現有的硬件條件，我們選取的AD_CLK=10MC，探測器MC時鐘頻率為3.4MHz。在一個MC時鐘周期內，MC時鐘低電平期間為探測器模擬輸出信號的穩定期，在數據穩定期對同一個像素進行多次采樣，得到多個探測器模擬輸出信號數字量化值，最后取算術平均值作為該MC時鐘周期內像元的信號值。

該方法為常規平均，為避免AD在MC高電平時采集探測器模擬輸出電壓，在此需要設計獲取AD采樣的有效值的方法。使用MC時鐘的下降沿作為有效值采樣啟動信號并開啟計數，MC時鐘的上升沿作為有效值采樣停止信號。通過對1個MC時鐘低電平數據穩定期的信號連續采樣5次，當計數值達到5次時，在第5個AD_CLK的下降沿讀出算術平均值。等到下一個MC的下降沿時更新AD的算術平均值。

實驗裝置如圖3所示。

在產品中，通過使用過采樣技術，得到了非常細膩的圖像，該方法在所有的產品均適用，在以后的設計中，可以提高采樣率來消除幀間噪聲。

三、結論

通過對1024*6紅外熱像儀使用過采樣技術，得到了非常細膩和平滑的紅外圖像，該方法得到的信號平滑度較高，對一般具有隨機干擾的信號有良好的濾波效果。將過采樣的結果進行平均的同時將噪聲也進行了平均，提高了信噪比。

［1］郭世勇，陳錢等.紅外焦平面空間積分抽樣噪聲分析［J］.電光與控制，2011，18（1）.

［2］隋修寶，陳錢等.紅外焦平面多次采樣濾波技術［J］.紅外與激光工程，2010，12（39）.

李哲（1989-），男，助理工程師，主要研究方向為紅外探測器信號處理。