一种可变增益放大器的非均匀性校正系统及校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外焦平面器件信号处理技术，具体指一种可变增益放大器的非均匀 性校正系统及校正方法，可应用于机载红外成像、红外预警等对红外图像质量及信号处理 实时性要求较高的场合。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着红外技术的快速发展，其应用领域也日益广泛，已渗透到军事和国民 经济的各个领域，如红外侦察、红外跟踪制导、红外预警、环境监测、资源调查、工程建设等， 对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。
[0003] 在航空航天领域，由红外焦平面器件为核心构成的光电仪器是对地观测、军事侦 察等卫星的重要载荷。但由于制作工艺的限制和背景辐射的影响，红外焦平面器件各像元 的输出信号之间均匀性很差，传统的非均匀性校正都是通过软件对获取的红外数字图像进 行后处理，这种处理方法的实时性较差，而且一定程度上影响了系统的动态范围。
[0004] 红外焦平面器件的非均匀性校正作为红外技术中一个重要的研究方向，受到了广 泛的关注。已有许多人对其展开了研究工作，并取得了一些成果。
[0005] 在公开号为CN101303258A的申请中，公开了一种应用于红外焦平面成像系统的 像元增益控制方法。其方法是利用电阻网络与运放来实现像元增益控制，通过模拟开关的 切换进行增益的设置。
[0006] 上述方法在增益设定的精度与速度上均有一定的局限性，针对该问题，本发明提 出使用数模转换器DAC与可变增益放大器VGA实现增益的高精确、快速控制，可变增益放 大器VGA生产厂商提供增益与输入模拟电压严格的、明确的计算公式，只要输入电压的精 度与变化速度足够高，对应的增益就能达到很高的精度与速度，如今高性能的数模转换器 DAC种类多、应用广，其精度及速度都能达到很高的水平，所以使用该方法能实现对增益高 精度、快速控制。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种可变增益放大器的非均匀性校正系统及校正方法，能够 高精度、快速实现输出信号增益控制，实时调整红外焦平面器件像元响应的非均匀性。
[0008] 由于制作工艺的限制和背景辐射的影响，红外焦平面器件各像元的输出信号之间 均匀性很差，如图1中（1)所示；通过在红外焦平面成像系统前放置标准黑体找出各像元中 最低响应值，可得到各像元的增益系数，再对每个像元分别设置各自的增益系数，使其响应 均匀一致，校正结果如图1中（2)所示；这样不仅可以降低红外焦平面器件的非均匀性，同 时也可以扩大系统的动态范围，增益控制后动态范围由ΔΡ扩大到ΔΡ'，如图2所示；方 法步骤如图3所示；系统构成如图4所示。
[0009] -种可变增益放大器的非均匀性校正系统，包括：现场可编程门阵列FPGA、存储 器FLASH、数模转换器DAC和可变增益放大器VGA，其特征在于：现场可编程门阵列FPGA的 逻辑单元数不少于30000个、I/O管脚数不少于200个；存储器FLASH的容量不低于IMbit ; 数模转换器DAC的更新率不低于100MSPS、分辨率不低于12bit ;可变增益放大器VGA的增 益可变范围不低于10dB、增益误差不高于0. 5dB，存储器FLASH输出连接现场可编程门阵列 FPGA，现场可编程门阵列FPGA输出连接数模转换器DAC，数模转换器DAC输出连接可变增益 放大器VGA。
[0010] -种可变增益放大器的非均匀性校正方法包括以下步骤：
[0011] (1)在红外焦平面成像系统前放置一个标准黑体，调整该黑体的温度，使红外焦平 面器件中响应最大的像元刚好达到饱和状态，记录此时红外焦平面器件所有像元的响应信 号DN值N1, N2, NfNn，设其中最小值为N_，计算出各像元对应的增益值Ic1并存储下来，其
[0012] (2)根据步骤（1)得到的增益值Ic1，通过可变增益放大器VGA生产厂商给出的输 出增益-输入电压换算公式，计算出与增益1^对应的输入电压V u i = 1，2, 3. .. η ;
[0013] (3)根据步骤（2)得到的输入电压值V1，通过数模转换器DAC生产厂商给出的内 部编码-输出电压的换算公式，计算出与V1对应的二进制编码CODE b i = 1，2, 3. .. η ;
[0014] (4)将步骤（3)得到的二进制编码CODE1写入存储器FLASH中；
[0015] (5)通过现场可编程门阵列FPGA将步骤（4)中存储器FLASH的编码读出后传递给 数模转换器DAC，数模转换器DAC根据编码输出对应的电压，通过该模拟电压控制可变增益 放大器VGA的输出增益，对红外焦平面器件各像元的输出信号进行实时增益控制。
[0016] 本发明有以下优点：
[0017] 1.本发明的电路结构简单，集成度高，元器件选型限制小，容易实现。
[0018] 2.本发明对像元的增益控制速度快、精度高。
【附图说明】
[0019] 图1是基于可变增益放大器的非均匀性校正原理图，其中：图（1)是非均匀性校正 前红外焦平面器件输出信号，图（2)是非均匀性校正后输出信号。
[0020] 图2是非均匀性校正前后系统动态范围变化图。
[0021] 图3是基于可变增益放大器的非均匀性校正方法步骤图。
[0022] 图4是基于可变增益放大器的非均匀性校正系统构成图。
【具体实施方式】
[0023] 红外焦平面器件选用中国科学院上海技术物理研究所研制的2KX1长波红外线 列探测器，现场可编程门阵列FPGA选用Altera公司EP3C40F484,可变增益放大器VGA选 用ADI公司AD8338,数模转换器DAC选用ADI公司AD9764,存储器FLASH选用SAMSUNG公 司 K9WAG08U1B。
[0024] (1)在红外焦平面成像系统前放置一个标准黑体，调整该黑体的温度，使红外焦平 面器件中响应最大的像元刚好达到饱和状态，记录此时红外焦平面器件所有像元的响应信 号DN值N1, N2, N^Nn，设其中最小值为N_，计算出各像元对应的增益值Ic1并存储下来，其 中每=- i = 1，2, 3. . . η ;
[0025] (2)根据步骤（1)得到的增益值Ic1，通过可变增益放大器AD8338生产厂 商ADI公司在芯片数据手册上提供的输出增益-输入电压换算公式Gain(dB)= (￥-〇.1)\80+201呢〇?_議/心)-26，计算出与增益1^1对应的输入电压￥1，1 = 1，2,3·..!!;
[0026] (3)根据步骤⑵得到的输入电压值V1，通过数模转换器AD9764生产厂商ADI 公司在芯片数据手册上提供的内部二进制编码-输出模拟电压的换算公式Vdiff= {(2C0 DE-16383)/16384}X(32RU]AD/RSET)XVREFI。，计算出与V 1对应的二进制编码C0DE1，i =
[0027] (4)将步骤（3)得到的二进制编码CODE1写入存储器FLASH K9WAG08U1B中；
[0028] (5)将步骤⑷中存储器FLASH K9WAG08U1B的编码通过现场可编程门阵列 EP3C40F484读出并传递给数模转换器AD9764,数模转换器AD9764根据编码值输出对应的 模拟电压，通过该模拟电压控制可变增益放大器AD8338的输出增益，对红外焦平面器件各 像元的输出信号进行实时增益控制。
【主权项】
1. 一种可变增益放大器的非均匀性校正系统，包括现场可编程门阵列FPGA、存储器 FLASH、数模转换器DAC和可变增益放大器VGA，其特征在于： 所述的现场可编程门阵列FPGA的逻辑单元数不少于30000个、I/O管脚数不少于200 个；所述的存储器FLASH的容量不低于IMbit ;数模转换器DAC的更新率不低于100MSPS、分 辨率不低于12bit ;所述的可变增益放大器VGA的增益可变范围不低于10dB、增益误差不高 于 0. 5dB ; 系统中，存储器FLASH输出连接现场可编程门阵列FPGA输入，现场可编程门阵列FPGA 输出连接数模转换器DAC输入，数模转换器DAC输出连接可变增益放大器VGA输入。2. 根据基于权利要求1所述的可变增益放大器的非均匀性校正系统的非均匀性校正 方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 在红外焦平面成像系统前放置一个标准黑体，调整该黑体的温度，使红外焦平面 器件中响应最大的像元刚好达到饱和状态，记录此时红外焦平面器件所有像元的响应信号 DN值N1, N2, N^Nn，设其中最小值为N_，计算出各像元对应的增益值Ic1并存储下来，其中(2) 根据步骤（1)得到的增益值Ic1，通过可变增益放大器VGA生产厂商给出的输出增 益-输入电压换算公式，计算出与增益1^对应的输入电压V u i = 1，2, 3. .. η ; (3) 根据步骤（2)得到的输入电压值V1，通过数模转换器DAC生产厂商给出的内部编 码-输出电压的换算公式，计算出与V 1对应的二进制编码CODE b i = 1，2, 3. .. η ; (4) 将步骤（3)得到的二进制编码CODE1写入存储器FLASH中； (5) 通过现场可编程门阵列FPGA将步骤（4)中存储器FLASH的编码读出后传递给数模 转换器DAC，数模转换器DAC根据编码输出对应的电压，通过该模拟电压控制可变增益放大 器VGA的输出增益，对红外焦平面器件各像元的输出信号进行实时增益控制。
【专利摘要】本发明公开了一种可变增益放大器的非均匀性校正系统及校正方法。该系统包括现场可编程门阵列FPGA、存储器FLASH、数模转换器DAC和可变增益放大器VGA，系统中，存储器FLASH输出连接现场可编程门阵列FPGA输入，现场可编程门阵列FPGA输出连接数模转换器DAC输入，数模转换器DAC输出连接可变增益放大器VGA输入。本发明的优点在于能大幅改善红外焦平面器件输出信号的非均匀性，同时在一定程度上提高系统动态范围。
【IPC分类】G01J5/02
【公开号】CN105181146
【申请号】CN201510296076
【发明人】刘银年, 陈凯, 孙德新, 曹开钦
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年6月2日