[发明专利]一种焦平面探测器读出信号的数字信号处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字信号处理方法，尤其涉及一种焦平面探测器读出信号的数字信号处理方法。

背景技术

传统的焦平面探测器读出电路主要是普通放大器结构。如：源极跟随器结构，直接注入结构等。这些普通的放大器结构只能将信号放大，不仅不能对信号进行去噪声处理，更加会带来较多的电子器件噪声。

因此，为了解决上述普通放大器无法降低噪声的问题，人们设计出了带有初步去噪功能的电容跨阻抗放大器等，并在放大器后面加上一个相关双采样结构。该结构是通过相关双采样的差分结构将信号中的KTC噪声去掉，同时也可以去除一些1/f噪声。但是由于读出电路中增加了电容，使得集成的面积变大，功耗增加，且带来了电子器件固有的噪声，这就是它的不足之处。

目前焦平面红外读出电路在相关双采样的基础上采用了一些结构上的改进。如：相关四采样，差分平均法，双复位法等，但是这种使用电路的方法降噪实际上还存在一定得缺陷：第一，电路的面积会增大，功耗会增加，显然在探测器上的应用就会有功耗和面积的限制作用；第二，电路中元器件数量的增加会增加更多的噪声，在不使用其他方法降噪的情况下反而会增加读出信号的噪声含量。

在电路无法更好的降低探测器噪声的情况下，人们期望采用信号处理的方法来消除信号中的噪声，小波变换作为一种新的正交多尺度自适应信号分析工具在各个领域中引起了广泛的兴趣，本发明采用小波变换的方式来消除焦平面探测器读出信号中的噪声。

在探测器读出信号的噪声中，占主要地位的有热噪声、1/f噪声、散粒噪声，和其他一些噪声。

热噪声：传感器材料中的热噪声是由于温度变换引起的晶体表面电子不规则运动而产生的电压噪声。热噪声电压功率谱密度表达式为：

S_V(f)＝4kTR                        (1)

式中，k为波尔兹曼常数，T为材料的温度，R为电阻。可以看出与频率无关，即属于白噪声。

散粒噪声：由于载流子各自独立而随机地通过势垒所引起的噪声。其功率谱密度为：

S_I(f)＝2qI                         (2)

式中q为载流子电量，I为通过器件的电流。由式(2)可知散粒噪声功率谱密度与频率无关，属于白噪声。然而，该式仅在中低频范围内有效，在高频区，散粒噪声也将随频率的上升而增加。但是结合本文的实际应用，焦平面红外读出信号在10Hz～10KHz，属低频区，即在处理的过程中可直接把散粒噪声归为白噪声处理。

1/f噪声：存在于所有有源器件中，对于半导体器件，它与载流子散射几率的涨落有关。它是一种低频噪声，主要出现在1KHz以下。1/f噪声是一类具有长程相关性、自相似性以及非平稳性的随机噪声。其功率谱密度为：

S_V(f)＝AI^β/f^γ                    (3)

式中，I为通过器件的电流，f为频率；参数A由器件结构特性决定；常数γ＝0.8～1.2，典型值为1.0；β＝2.0(均匀材料)或1.0～2.0(结构较复杂的器件)。1/f噪声具有两个基本特征：在一个相当宽的频率范围内，1/f噪声的功率谱密度与频率成反比；1/f噪声电压或电流的功率谱密度与通过器件的电流的平方成正比。

小波变换：给定平方可积的信号x(t)，即x(t)∈L²(R)，则x(t)的小波变换(wavelet transform，WT)定义为

式中b是时移，a是尺度因子。ψ(t)为基本小波。ψ_a，b(t)是母小波经移位和伸缩所产生的一组函数，称之为小波基函数。

小波去噪是通过低通滤波器和高通滤波器将信号的频谱分解到不同的频率范围，从而得到一个个的子带信号；又由于正交变换具有去除信号中的相关性和信号能量集中的功能，因此，通过小波变换就把信号的能量集中到某些频带的少数系数上。通过将其他频带上的小波系数置零或是给予小的权重，即可达到有效抑制噪声的目的。

令信号

x(n)＝s(n)+u(n)                    (8)

式中，s(n)是有用信号；u(n)是噪声序列。假定u(n)是零均值且服从高斯分布的随机序列，即服从N：(0，σ_u²)分布。对(8)式两边做小波变换，有