用于红外成像系统的自动增益控制方法研究

　　文章编号:100125078(2009)1021119204・图像与信号处理・用于红外成像系统的自动增益控制方法研究

张大纬,李江勇

(华北光电技术研究所,北京100015)

摘　要:介绍了目前应用于红外成像系统中的几种自动增益控制方法,并从动态控制范围、响

应时间、起控点调节、线性增益大小等特性方面进行了对比分析。重点介绍了用数字信号反馈

控制放大器实现AGC的工作原理及实现方法。

关键词:自动增益控制;红外成像系统;灰度直方图

中图分类号:TP391.4　　　文献标识码:A

Research of the auto mati c2ga i n control method for

i n frared i m agi n g syste m

ZHANG Da2wei,L I J iang2yong

(North China Research I nstitute of Electr o2op tics,Beijing100015,China)

Abstract:This paper intr oduces several AGC M ethods f or infrared i m aging syste m.And it contains the contrast and a2

nalysis on the dyna m ic range,res ponse ti m e,the adjust m ent of the beginning contr ol point and the range of the linear

gain.This paper focuses on the working p rinci p le and the method of using digital signal feedback contr ol AGC a mp li2

fier t o achieve AGC.

Key words:aut omatic gain contr ol;infrared i m aging syste m;gray hist ogra m

1　引　言

随着在红外探测技术的不断发展,红外成像系统探测距离越来越远,探测视场越来越大,系统探测产生模拟信号动态范围也越来越大。为保证信号处理的高分辨率,信号处理动态范围往往会受到一定。因此,信号处理电路需要考虑如何用一定的动态范围处理能力实现实际大动态范围的信号处理。通过自动增益控制技术(AGC)可以有效解决这一问题。

ACC技术就是根据信号的幅度自动控制信号增益,这样既可以保证在实际信息动态范围小时起到信号放大的作用;又可以保证在信号幅值超过电路处理能力范围时起到适当抑制作用,使得图像不产生饱和及淹没,也不会因抑制损失场景信息。在实际工作中,红外成像系统所观察的场景较为复杂,为了在各种应用环境下均可以得到清晰图像,特别是对那些不允许进行手动增益调节操作的使用场合,根据观测目标的变化自动调节系统增益显得尤为重要,因此自动增益控制技术越来越多的在红外成像系统中得到应用。

目前常用的AGC方法有以下三种:

1)应用晶体管改变系统输入电阻实现AGC;

2)应用可变增益放大器实现AGC;

3)用数字信号反馈控制放大器实现AGC;

这三种方法各有特点,在不同领域均得到了应用。通过数字信号反馈控制放大器方式实现AGC,由于其调整范围可控,调整结果可预测,调试方法简单,且满足系统实时性要求,因此非常适合在红外成像系统中应用。下面将在分别阐述其他几种方法工

　　作者简介:张大纬(1979-),男,工程师,长期从事红外成像系统信号处理研究。E2mail:zdw609@yahoo.com.cn

　　收稿日期:2009207214;修订日期:2009208206作原理和实现途径的情况下,重点介绍数字信号反馈控制放大器方式实现AGC在实际工作中的应用。

2　应用晶体管改变系统输入电阻抗实现AGC 二极管的伏安特性曲线(只考虑正偏压)如图1(a)所示。按如图1(b)所示将其接入电路,当输入信号幅值增大时,由于二极管等效阻抗减小,系统输入阻抗相应减小,系统增益减小,从而实现对模拟信号的自动增益控制。由于单个二极管的阻值变化范围较小,这样使得系统增益变化范围有限,在实际应用中接入形式如图1(c)所示,多个二极管串联使用,使系统增益变化范围得以增大。

(a)(b)(c)

图1　晶体管法实现系统AGC原理

　　随着场效应管的普遍使用,电路变形为图2所示。将输出的信号通过检波、低通等处理,最后直流电压通过场效应的栅极,以改变栅源电压,达到改变输入阻抗的目的,最终实现系统自动增益控制。

图2　场效应管实现AGC电路图

　　此类方法的优点是实时性好,响应时间、起控点和线性区增益可调整。缺点是:晶体管等效阻抗变化率不大,使得电路适应的信号动态范围受限;晶体管的分布参数差别较大,在多路成像系统中使用会影响到图像的非均匀性;电路由分离元件组成,调试难度较大,不利于工程化及批量化应用。

3　应用可变增益放大器实现AGC

由于可变增益放大器的特点非常适合在AGC 设计中应用,所以在模拟通道上,越来越多的人采用它来实现AGC。以AD603为例,应用电路如图3所示。其中反馈控制信号由一对NP N和P NP管对输出信号进行检波得到。在此系统中,其响应时间、起控点和线性区增益均可根据设计者的要求进行调整。

图3　AD603实现AGC电路图

0211激光与红外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第39卷　　此类方法的优点是实时性好,响应时间、起控点和线性区增益可调。缺点是AD603放大倍数过大,设计时在输入级对信号进行了衰减处理,降低了信噪比;调高响应时间,系统工作不够稳定;分离器件

的分布参数差别较大,在多路成像系统中使用会影响到图像的非均匀性;电路由分离元件组成,调试难度较大,不利于工程化及批量化应用。

4　用数字信号反馈控制放大器实现AGC

以上所述的AGC方法均在模拟信号处理电路中直接实现,随着数字信号处理技术的不断进步,在红外成像系统中越来越多的采用数字信号处理技术已提高系统的整体性能。在实际工作中将数字信号处理技术与模拟信号处理电路相结合,就实现了数字信号处理结果反馈回模拟通道来控制放大器实现AGC的方法,其原理如图4所示。下面重点介绍该方法的实现过程。

图4　信号控制流程图

　　在该系统中,将程控增益运放串联在系统的模拟信号处理通道上,通过改变该运放的控制端实现模拟信号增益调节。其中控制信号来自后端数字信号处理的结果,在数字信号处理过程中,我们采用直方图统计的方法对当前系统输出的图像数据进行统计[1-2],将统计结果经过运算形成程控增益运放的控制信号。

在实际系统应用中,我们选用的程控增益运放为LT C6910-2。该芯片是一款低噪数控增益方放大器,它将可变电阻网络集成到很小的尺寸的运算放大器中,通过32bit数字输入分档调节放大器的增益系数。其内部示意及增益分档情况如图5所示

。

　　在数字信号处理单元我们采用了FPG A,DSP

等高速信号处理芯片以提升系统的响应速度[3-4]。

在处理过程中首先对信号进行灰度直方图统计,

以灰度级L=256,大小m×n的图像f(x,y)为例,

其灰度直方图H(k),k=0,1,…,(L-1),获得其

直方图的步骤为:

1)初始化:f or(k=0;k2)统计:for(x=0;xfor(y=0;yH[f(x,y)]++;

3)规格化:f or(x=0;xf or(y=0;yH[f(x,y)]/=fl oat(m×n);

考虑到系统噪声等影响,设置阈值为B。当H

[k]>B时,最小的k值定义为最小有效灰度E,最

大的k值定义为最大有效灰度F。由公式可计算出

系统所能接受的最大增益系数为G=256/(F-E)。

然后,根据电路各部分参数的分布,可以反相推导增

益控制部分,增益可以调整的幅度。如图5(b)图所

示,系统选用芯片为6910-2,当系统初始化时

(G2,G1,G0)=(0,0,1)。如果此时计算出的G=2,

则由数字处理单元将控制字改为(G2,G1,G0)=

(0,1,0)即可。

经过前期系统调试,该方法可以实现系统的自

动增益控制,达到改善图像质量的效果。如图6所

示,其中图6(a)和图6(b)为没有加入自动增益算

法时不同时段得到的两幅图像,图6(a)整体偏亮,

平均灰度级偏大;图6(b)则整体偏暗,平均灰度级

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激光与红外　No.10　2009　　　　　　　　　　张大纬等　用于红外成像系统的自动增益控制方法研究

偏小;图6(c )则是采用了该方法后系统所成图像,其平均灰度级刚好在系统设定范围内,图像质量也优于前两幅。通过对系统成像过程进行监控发现得到图6(c )的图像时系统增益系数小于图6(a )时且大于图6(b )时。

在系统调试过程中,我们采集了大量的图像数

据,给系统进行前期“学习”,分析图像的灰度分布规律,这样系统中设置的阈值参数和调节增益系数更接近实际,在实际工作中可以更加准确的定位其调节起控点,从而节省了调节时间,使得系统具有了更强的实时性

。

5　结　论

在红外成像系统中,对小信号的放大使得图像细节得到改进,对大信号的抑制压缩了信号幅度,防止了信号饱和,可以很好地改善图像质量。由于目前红外成像系统中大量采用数字图像处理技术,采用数字反馈控制放大器实现AGC 的方法可以有效利用数字信号处理的优势,灵活选择AGC 的策略,根据实际情况选择适当的起控点,使得信号幅度保持在适当的范围内,保证成像质量。

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