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您的信息已提交成功，我们会尽快与您联系！基于LabVIEW的非制冷红外焦平面读出电路测试系统的研究
非制冷红外热成像技术在我国军事、民用等领域起着重要的作用，已经成为构建国防安全体系、保障国家安全的关键技术之一。读出电路作为非制冷红外探测器的主要组成部分，其性能直接影响红外探测器的整体性能以及成像质量。因此，对红外读出电路进行性能测试评估已经成为红外热成像技术的一个重要研究领域。　　本论文基于国内外非制冷红外读出电路及热成像技术的现状和发展趋势，立足于课题需求，研制出一套基于LabVIEW的非制冷红外读出电路测试系统，具有高速度、高精度、稳定性好等优点，且支持不同分辨率、不同输出制式的读出电路，系统适用范围广。　...展开
非制冷红外热成像技术在我国军事、民用等领域起着重要的作用，已经成为构建国防安全体系、保障国家安全的关键技术之一。读出电路作为非制冷红外探测器的主要组成部分，其性能直接影响红外探测器的整体性能以及成像质量。因此，对红外读出电路进行性能测试评估已经成为红外热成像技术的一个重要研究领域。　　本论文基于国内外非制冷红外读出电路及热成像技术的现状和发展趋势，立足于课题需求，研制出一套基于LabVIEW的非制冷红外读出电路测试系统，具有高速度、高精度、稳定性好等优点，且支持不同分辨率、不同输出制式的读出电路，系统适用范围广。　　读出电路测试系统包括硬件和软件两部分。硬件上采用低噪声设计，为读出电路提供了精确、稳定的直流和偏置电源，将输出模拟信号进行高速模数转换后，通过高速数据采集设备进行数据采集。软件上依托LabVIEW方便快捷的图像化编程环境和NIDAQmx开发套件实现了对读出电路进行数据采集；同时利用LabVIEW丰富的互联接口完成了对数据的分析计算。此外，测试系统还完成了对非制冷红外探测器的非均匀性校正、灰度拉伸等基本的图像处理，丰富了系统功能，为成像系统的进一步开发奠定了基础。　　读出电路测试系统在实现了测试系统的平台化集成的同时，完成了对非制冷红外焦平面读出电路噪声特性以及其他技术指标的分析测试，同时完成了实时成像系统的开发。使用本测试系统为法国ULIS公司UL03162的非制冷红外焦平面阵列提供电源、时序激励，并对其进行测试分析，得时间噪声值为472.442μV，空间噪声值为0.122529 V，像元响应率平均值为3.867 mV/K，功耗为95.7 mW，与该探测器规格书的标称值基本一致，表明读出电路测试系统达到设计要求。并在此基础上对本教研室自制的不同规格的非制冷红外读出电路进行了测试与分析，为读出电路的进一步设计、优化提供了依据。收起
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非制冷红外热成像系统的小型化改进
南京理工大学 硕士学位论文 非制冷红外热成像系统的小型化改进 姓名:蔡良锋 申请学位级别:硕士 专业:物理电子学 指导教师:钱芸生
摘要非制冷红夕}委成穰系统的小型化改进摘要红外热成像技术是当今夜视技术的发展热点之一.无论是观瞄成像,还是目标寻找,红外热成像系统都扮演着愈来愈重要的角色.采用微测辐射热计焦平面阵列 作为探测器件的非制冷红外热成像系统,以其体积小,重量轻,功耗低,可靠性高,性价比高等优点,在红外热成像系统的发展中占据着举足轻重的地位.本文在已研 制成功的非制冷红外热成像系统的基础上,对原有的系统进行了小型化的改进,同 时对性能进行了优化和改进,并增加了一些新的功能.本文第一章主要介绍了红外热成像技术的发展概况,数字系统的设计技术和 FPGA的概况等基础,并阐述了论文研究背景和主要工作;第二章主要分析了非制冷红外热成像系统相关基本理论,探讨了红外热成像系统的基本成像原理:包括系统成像原理,红外焦平面阵列结构,实时信号处理,热平衡方程,非均匀性校正算法等.第三章基于前两章的理论基础,并参考已有的非制冷红外热成像系统,采用DSP+FPGA结构对原系统进行了小型化和性能优化的改进,设计了一套新的小型化非制冷热成像系统,并在新系统中加入了SPI接口功能,实现了DSP和FPGA对外部 SRAM的共同访问.本章详细介绍了针对原系统的各种改进和实现方法,最后也给出了新系统调的试验截图. 第四章专门针对新增加的电子变倍功能进行详细的介绍,并在一套可见光处理 的系统中验证了该功能,并给出了相应的试验截图,以展示其功能效果.- 第五章总结了全文,并探讨了本文的有待进一步研究和解决的问题.关键词:非制冷红外热成像,FPGA,红外焦平面阵列,非均匀校正,SPI接El,电子变倍Abs仃an非制冷红外热成像系统的小型化改进AbstractInfrared technique is advantages suchasahotspot of current night-vision technology.Relyingonitssmall volume andweight,highan Oilreliability and performance―cost ratio,uncooled infrared imaging system plays watching and searching targets.Basingincreasingly important role in the fields of the successful uncooled infrared imaging optimizationonsystem,this paper makesagreatimprovement andthe old system,adding some new function to the new system at the same time. In the first chapter of this paper,we introduce the development and theory of the infrared imagingtechnology.Wealso introduce thetechnologyof digital system designand FPGA design.Then we talk about the background and the work of this basic knowledge of infrared imagingpaper.Thetechnology,focal planearray,thermal balancedequation is discussed in the second chapter.Themain study of this paper is how to miniaturize the old infraredimagingsystem,which is discussed in the thirdchapter.Thedetails of theimprovementare written in thischapter,including the SPI interface,the real-time signal processing and the ununiformitycorrection ere.Therealization of electronic magnification function iS intruduced in the describe this theory of electronic magnificationforthchapter.In this chapter,wepictures toandlist someshow theresult of this function.At the last chapter,We talk about some innovations in this paper and some work which iS still needed to be improved.Key words:Uncooled infrared imaging systems,FPGA,Infrared focalUnuniformity correction,SPI interfaces,Electronic magnification.array,Ⅱ尸 声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在 本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料.与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明.研究生签名:2-砑08年6月日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送 交并授权其保存,借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容.对 于保密论文,按保密的有关规定和程序处理.研究生签名:沙吕年6月日南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进1绪论1.1红外热成像技术概况1934年,红外变像管在德国问世,第一次使人类的非可见光谱观察成为可能. 红外变像管在二战和朝鲜战争中得到了广泛应用n卫1.五十年代以后,夜视技术发展 迅速,并逐渐分化为两个发展方向:微光成像技术和红外热成像技术.两者的主要区别是,前者利用景物目标对夜天空光谱辐射的反射获得目标图像,主要工作于0.5-2.5pm的大气窗121;后者利用目标自身发射的光谱辐射获得目标图像,主要工 作于3-5prn和8.14pm两个大气窗121 n吲.与微光成像技术相比,红外热成像技术制作工艺复杂,生产维护成本高,但在作用距离,昼夜共用,可应用领域等方面具有 显著优势'7捌.探测器技术是红外热成像技术的核心技术.按照工作温度分类,红外探测器分 为制冷型和非制冷型.自第一台热像仪问世至今,制冷型红外热像仪已经发展到第 三代.第一代热像仪采用多元线列或小面阵探测器,光机扫描机构复杂,信号处理 简单,图像质量低于黑白电视图像;第二代热像仪采用长线列或与黑白电视分辨率相 当的凝视焦平面阵列,读出电路采用大规模集成电路并有一定的信号处理功能;第 三代热像仪采用长线列或与高清晰度电视分辨率相当的凝视焦平面阵列,具有多个 工作波段,读出电路采用超大规模集成电路并有复杂信号处理功能叭u.制冷型红外探测器主要有HgCdTe,InSb光量子型探测器和GaAlAs/GaAs量子阱型探测器啼1. 非制冷红外热成像技术起步相对较晚,但发展非常迅速.目前非制冷红外焦平面阵 列的分辨率与二代制冷型热像仪相当.成熟的非制冷红外探测器主要包括热释电型 和微测辐射热计型两种类型n2.14】.1.1.1制冷型红外热成像技术发展概况 二十世纪五六十年代,美国研制成功需要制冷的PbS红外探测器,并将其用在防空导弹的导引头上晴'1日.同时,窄带半导体技术迅速发展,为响应波长的延伸和 响应率的提高提供了理论指导,同时也为红外热像仪的发展铺平了道路.美国德州仪器公司利用Ge:Hg探测器研制成功了第一台红外热像仪,但它受探测器性能的影 响,该热像仪的扫描速度很慢,并不能实时显示n¨刀.1958年,英国Lawson公司 研制成功HgCdTe红外探测器.1964年,利用该探测器研制成功世界第一台实时显 示的红外热像仪n吼捌.七十年代美国完成了热成像系统通用组件计划,英国,法国 等也相继研制了通用组件热像仪.各国通用组件略有不同,其中以美国的第一代热 像仪通用组件技术的影响最大.西方国家生产的第一代热像仪产品总数约有10万1绪论南京理工大学硕士学位论文台之多.瑞典AGA公司首先研制成功第二代红外热像仪.前二代的热像仪重量可小于 1千克,噪声等效温差(NETD)d,于20mK,测温精度可达±0.5%.美,英,法,德, 日,以色列等国都可以生产第二代热像仪.自上世纪八十年代起,西方国家部队已 经开始装备第二代红外热像仪.与第一代热成像技术相比,第二代热成像技术的主 要特征为:探测器元数大为增加;探测器件带有大规模集成电路,具有一定信号处 理功能;温度灵敏度更高;在相同的工作条件下,作用距离是第一代的1.5至2倍 n刖.第三代制冷型红外热成像技术的发展开始于上世纪九十年代后期,美,法,日, 以色列等国在该领域研究处于领先地位. 我国于九十年代初完成了第一代热成像组件的研制,开始少量装备部队,产品性能与国外第一代的相当,在热成像技术领域中实现了从无到有的转变.2000年前后,上海技术物理研究所相继研制成功四种型号64x64元InSb光伏型红外探测器,像素尺寸为50x509m,电学串音小于2%乜m 2¨.目前,上海技术物理研究所和重庆 大学等单位正在研制128 x 128元及更大规模的InSb红外探测器,昆明物理研究所正在研制288x4元HgCdTe红外探测器.1.1.2非制冷型红外热成像技术发展概况非致冷红外热成像技术开始于20世纪80年代.90年代,非制冷凝视型红外热 像仪迅速进入应用市场.至今,非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发 展到中,大规模320x240和640×480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的非制冷焦平面阵列(FPA).像素尺寸也由50I-tm减d,N25p.m,使焦平面灵敏度进一步提高.这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广 泛,部分型号产品已装备部队,尤其在轻武器(枪械)瞄准具,驾驶员视力增强器, 单兵头盔式观瞄,手持式(便携)热像仪等轻武器,以及部分导弹的红外成像末制 导等方面,非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高,可靠性差,体积大而又笨重的制冷型热成像系统. 1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪 系统,主要红外材料为0【.Si(非晶硅)与BST(钛酸锶钡).1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器,使用了硅微型机械加工技术,使热隔离性提高,成本 降低.目前市场上有热像仪整机产品,也有各种功能模块单独出售,供用户选用. 目前,国际上美国,法国,英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世 界领先水平.英国的公司主要是BAE公司,正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器,单元式结构的正在研制.国内主要几家公司研制生产状况:1995年,中科院长春光学精密机械研究所采2南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进用微机械加工技术研制成低成本线列32元,128元硅微测热辐射计阵列,NETD为 300inK,存储时间为lms.2000年12月,中科院上海技术物理研究所采用新工艺 制成的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能通过鉴定达到国际领先水平,与美国TI公司演 示的第一代非制冷探测器所用材料相同. 我国在非制冷红外热像仪方面的研发集中在公司,研究所和个别高等院校,他 们都主要从事在整机系统方面的开发应用工作,而热像仪的核心部分,即红外焦平 面阵列都还是从国外进口的. 1.1.3非制冷型红外热成像技术的优势及前景 非制冷红外热成像技术起步较晚,但发展非常迅速,这种热像仪与制冷型凝视 红外热像仪相比,虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距,但具有一些突出的优点:不需制冷,成本低,功耗小,重量轻,小型化,启动快,使用方便,灵活, 消费比高.非制冷红外热成像技术的优势主要表现在: (1)非制冷红外焦平面阵列探测器可靠性高.低温制冷系统常常是红外系统 的故障源.制冷型红外成像器件必须工作在低温下(例如77K),而且对温度稳定 性要求非常高,否则将不能正常工作.而非制冷热成像系统可以工作在常温和低温 下,省去了复杂的制冷系统,可靠性大大提高. (2)非制冷红外焦平面阵列探测器价格低.低温制冷系统是制冷型热成像系统价格昂贵的主要因素,省去了低温制冷系统和扫描装置使系统的价格大为降低; 非制冷热成像系统价格的低的另一个原因是非制冷探测器的生产成本远远低于制冷型探测器的生产成本. (3)非制冷红外焦平面阵列探测器体积小,重量轻,功耗低,易于设计便携式热成像系统.非制冷红外焦平面阵列探测器的不足之处是灵敏度和响应速度不如制冷型红 外探测器.目前最好的非制冷红外探测器的NETD已降至30mK以下,与制冷型探 测器差距并不大,但是帧频只有几十Hz,与制冷型探测器还有一个数量级的差距.非制冷热成像技术发展前景广阔,由于具备价格低,体积小,重量轻,功耗低,可靠性高等优点,非制冷热成像系统将极具市场竞争力,特别适合性价比要求高的低端军事领域和厂矿企业的应用.由于制冷型热成像系统价格昂贵,目前无法进入这些市场.在军事领域,非制冷热成像系统特别适合低成本武器系统的应用,如单兵侦查, 夜间车辆驾驶,轻武器瞄具等.在工业和商业领域,非制冷红外热成像系统可以用 于电力,冶金,医疗,交通,公安,消防,海关等.非制冷红外热像仪可以设计成 测温系统,对电力设备,高温炼炉进行远距离,无接触测温,降低了测试风险,方l绪论南京理工大学硕士学位论文便了人员操作.目前大立,高德等企业生产非制冷红外测温仪.随着我国经济的快速发展,特别是重工业和制造业蓬勃发展,国内对低成本热 成像系统的需求量也在逐年增加.据中国光学协会预测,在今后五年,我国红外热 像仪市场需求总量在4万台左右.1.2数字系统的设计技术九近20年来,电子系统的设计方法和设计技术都发生了深刻的变化.在以前, 数字系统通常是采用搭积木式的方式设计的,即由一些固定功能的器件加上一定的外围电路构成模块,由这些模块进一步形成各种功能电路,进而构成系统.构成系统的&积木块&是各种标准的芯片,如74/75系列(TTL),系列(CMOS)芯片等,这些芯片的功能是固定的,用户只能根据需要从这些标准器件中选择,并按照推荐的电路达成系统.在设计时,几乎没有灵活性可言,设计一个系统所需要 的芯片种类繁多且数量大.PLD器件和EDA技术的出现,改变了这种传统的设计死思路,使人们可以立 足于PLD芯片来实现各种不同的功能,新的设计方法能够由设计者自己定义器件内部逻辑和管脚,将原来由电路板设计完成的工作大部分放在芯片的设计中进行.这样不仅可以通过芯片设计实现各种数字逻辑功能,而且由于管脚定义的灵活性,减轻了原理图和印制电路板设计的工作量和难度,增加了设计的自由度,提高了效率.同时这种设计减少了所需芯片的种类和数量,缩小了体积,降低了功耗,提高了系统的可靠性.在基于EDA技术的设计中,有两种基本的设计思路,一种是自顶向下的设计思路,一种是自底向上的设计思路.下面分别进行介绍.1.2.1Top-down设计Top.down设计,即自顶向下的设计.这种设计方法首先从系统设计入手,在顶 层进行功能方框图的划分和结构设计.在功能级进行仿真,纠错,并用硬件描述语 言对高层次的系统行为进行描述,然后用综合工具将设计转化为具体门电路网表, 其对应的物理实现可以是PDL器件或专用集成电路(ASlC).由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这一方面有利于早期发现结构上的错误,避免设计工作的浪费,同时也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率.在Top.down的设计中,将设计分成几个不同的层次:系统级,功能级,门级,开关级等,按照自上而下的顺序,在不同的层次上,对系统进行设计与仿真.图1.1是这种设计方式的示意图.如图中所示,在Top.down的设计过程中,需要有EDA工具的支持,有些步骤EDA工具可以自动完成,比如综合等,有些步骤4南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进EDA工具为用户提供了操作平台.图1.1 Top-down设计方式Top.down的设计必须经过&设计一验证―修改设计一再验证&的过程,不断反复,直到得到的结果能够完全实现所要求的逻辑功能,并在速度,功耗,价格和可靠性方面实现较为合理的平衡,不过,这种设计也并非是绝对的,在设计过程中, 有时也需要用到自下而上的方法,就是在系统划分和分解的基础上,先进行底层单 元设计,然后再逐步向上进行功能块,子系统的设计,直到构成整个系统.1.2.2Bottom―up设计Bottom-up设计,即自底向上的设计,这是一种传统的设计思路.这种设计方式,一般是设计者选择标准集成电路,或者将各种基本单元,如各种门电路以及像加法器,计数器等模块做成基本单元库,调用这些基本单元,逐级向上组合,直到 设计出满足自己需要的系统为止.这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔,不 仅效率低,成本高,而且容易出错.综上所述可知,Top.down的设计由于更符合人们逻辑思维的习惯,也容易使设计者对复杂的系统进行合理的划分和不断的优化,因此是目前设计思想的主流.而 bottom.up的设计往往使设计者更关注细节,而对整个系统缺乏规划,当设计出现 问题时,如果要修改的话,就会很麻烦,甚至前功尽弃,不得不从头再来.因此, 在数字系统设计种,主要采用Top.down的设计思路,而以Bottom.up设计为辅.51绪论南京理工大学硕士学位论文1.2.3IP复用技术∞1当电子系统的设计越来越向高层发展时基于IP复用(rP Reuse)的设计技术越来越显示出优越性.IP(IntellectualPrope啊),其原来的含义是指知识产权,著作权等,在IC设计领域,可将其理解为实现某种功能的设计,D核(IP模块)则是 指完成某种功能的设计模块. 一般将口核分为硬核,固核和软核三种类型.软核指的是在寄存器级或门级对电路功能用HDL进行描述,表现为Verilog HDL或VHDL代码.用户在使用软核时可以修改设计文件,以满足自己的需要.软核主要用于接口,算法编译码和加 密等模块的设计.硬核指的是以版图的形式实现的设计模块,它基于一定的设计工 艺,而且用户不能改动,用户得到的硬核只是产品的功能,而不是产品的设计.常用的硬核有存储器,模拟器件一些接口等.固核介于硬核和软核之间,固核允许用 户重新定义关键的性能参数,内部连线也可以重新优化. 一般软核的开发成本低,使用灵活,但其可预测性差,延时不一定能达到要求;而硬核的开发成本相对较高,但它的可预测性强,可靠性高,能够很快的投入使用;固核的性能介于硬核和软核之间.1.3FPGA概述现场可编程门阵列(FPGA:Field Programmable GateArray)阱1是由可配置(可编程)逻辑块组成的数字集成电路,这些逻辑块之间用可配置的互联资源.设计工程师可以对这类器件进行(编程)配置来完成各种各样的任务.FPGA是在PAL,GAL,EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物.它是作为专用集成电路(ASIC)领域种的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点.20世纪80年代中期,FPGA刚出现时,大部分用来实现粘合逻辑,中等复杂 度的状态机和相对有限的数据处理任务.在20世纪90年代早期,FPGA的规模和 复杂度开始增加,那时它们的主要市场在通信和网络领域,这些都涉及到大量的数据处理.后来,到了20世纪90年代末,FPGA在消费,汽车和工业领域的应用经 历了爆炸式的增长.FPGA经常用于制作ASIC设计的原型或是提供一个硬件平台来验证一个新的 算法的物理层实现.但是,FPGA的低开发成本和短上市时间意味着越来越多公司使用它制造最终的产品.到了21世纪早期,已经可以买到有数百万门容量的高性能FPGA.这些器件中 有的内嵌了微处理器核,高速输入/输出(I/o)接口和类似的模块.这样,今天的6南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进FPGA几乎可以用来实现任何东西,包括通信设备和由软件定义无线电;雷达,影 像和其他数字信号处理(DSP)的应用;直接包括硬件和软件的片上系统(SOC) 更确切的说,FPGA正在吞食4个主要的市场:ASIC和定制贵,DSP,嵌入式 微处理器应用和物理层通信芯片.另外,FPGA还创建一个属于自己的新市场:可重配置计算(RC)技术.FPGA是在PAL,GAL等逻辑器件的基础上发展起来的,同以往的PAL,GAL 等相比较FPGA的规模比较大,它可以代替几十甚至几千块通用IC芯片.FPGA继 承了ASIC的大规模,高集成度,高可靠性的优点,又克服了普通ASIC设计周期 长,投资大,灵活性差的缺点,逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选器件.1.4本论文研究背景及主要内容非制冷红外热成像技术无论在军事领域还是在民用领域,都有着重要的作用和 广泛的应用市场及前景.目前我国在非制冷红外热成像系统方面还远落后于西方发 达国家,积极发展非制冷红外热成像系统无论对于我国的国防建设,巩固国防,还 是政治经济的稳定发展都有着极其重要的作用.近几年我国在非制冷红外热成像系 统的研究上投入了很多资金,希望在非制冷热成像系统上能够有所突破,不断缩小 与西方发达国家的差距.基于以上所述,我们曾经与某单位签订了研制小型化非制冷红外热成像系统的技术合同:该单位负责进口非制冷红外探测器;我们负责系统总体方案的设计,信号处理电路的设计,和军品级原理样机研制.前一阶段,我们成功设计了基于 FPGA+DSP结构的信号处理电路,所研制的非制冷红外热成像系统可以在一4℃～60℃的温度范围内正常工作.但是系统体积较大,未能很好的满足系统的小型化要求;同时,由于进口的非制冷红外探测器属于商业级别,其各项性能未能达到军品级性能要求;此外,在系统的一些功能设计和可操作性方面还需要进一步改进和完善[25_盯】o本论文正是基于已研制成功的非制冷红外热成像系统进行进一步的优化和改 进,研制新一代的实现了小型化,便携带功能的改进型非制冷红外热成像系统.在 查阅完大量相关文献资料和阶段性的学习准备后,本论文展开了如下的工作: (1)了解了红外热成像技术的发展概况,理解和掌握了红外热成像系统的基本工作原理,为课题的研究打下理论基础.(2)对系统中所要使用的非制冷微测辐射热计阵列的基本结构和工作原理进 行了学习和掌握,熟悉了非制冷微测辐射热计的特点,使用环境及性能. (3)对原有的已研制成功的非制冷红外热成像系统的工作原理进行了总体掌 握,特别是对系统中红外图像在FPGA中进行实时处理的部分深入而详细的学习,7l绪论南京理工大学硕士学位论文该部分是整个红外热成像系统的核心部分,是对系统进行优化和改进的重点部分,也是本论文研究工作的核心内容. (4)对在新一代小型化系统中所要涉及到的改进细节,新增功能算法和新用芯片等等进行了大量资料的查阅和学习,为系统的成功改进奠定了重要基础.(5)对新一代小型化系统硬件电路的调试,以及对在FPGA中实现红外图像 实时处理的软件改进编写和调试.同时在另一套信号处理板上对电子变倍功能进行了设计,调试,并最终成功的进行了试验.8南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进2非制冷型红外热成像系统基础理论2.1非制冷红外热成像系统工作原理红外热成像系统一般由红外光学系统,红外焦平面阵列(IRFPA),电路系统和 显示设备构成,如图2.1所示.显示图2.1非制冷红外热成像系统结构图红外焦平面阵列作为成像系统的探测器件,为成像系统提供原始红外图像信 号;而电气系统是成像系统的核心,它为红外焦平面阵列提供电源和驱动信号,并 且针对红外焦平面阵列的特点进行相应的实时信号处理,最后合成为标准的视频信 号供显示设备显示.对于微测辐射热计焦平面阵列,实时信号处理的主要内容为非 均匀校正,盲元替代和自动增益控制等.一个完整的红外热成像过程为:目标发出的红外辐射经大气传输后到达热成像 系统,光学镜头把红外辐射会聚到红外焦平面上,焦平面对红外辐射产生响应信号, 读出电路把响应信号输出到信号处理板上,信号处理板对其进行一系列信号处理,最后合成为标准视频信号送往监视器显示.因此,红外成像过程不仅反映了目标的 红外辐射特性和焦平面的响应特性,还涉及红外辐射的大气传输效应,红外光学系 统的折射和透射特性等多方面的因素,人眼所观察的红外图像是这些因素共同作用 的结果.下面将分别介绍红外辐射和红外焦平面阵列IRFPA(微测辐射热计焦平面)的相关理论知识.2.2红外辐射基础原理泌删2.2.1红外辐射特性及规律自然界中任何温度高于绝对零度(-273.C)的物体,都会向周围产生热辐射, 这是因为物质皆为分子形成,分子间的相互运动就会产生热辐射.红外辐射是热辐 射的一部分,是一种与可见光相邻的不可见光.如图2.2,整个光谱包含了Gamma 射线,X光,紫外线,可见光,红外和微波等等,可见光波段约在0.4&--'0.7um之间,92|r制目型&外#m像g‰g畦gⅫ南京4I^学《t{忾n女而红外的波段大致在l～lOOum之删.这些红外辐射肉眼是不可见的,可见光摄像机也拍摄不到,需要特殊的探测器才行&&;._‖._-一一一_&..dum':,.---l,i',&.,O1.温.I羔冀l,.悬.l 7…岬 15^∞m1∞um/ / /,\ ,\\,崮2.2能量光谱分巾幽红外辐射的强度与光睹成份取决于物体的辐射温度,因此可以}f{据不问的探测 目标选择不同渡段的探测器. 红外辐射具有光的一般特眭,如直线传输,反射,折射,干涉,衍射等性质.同时.它还遵循若田有的规律,这些规律揭示了红外辐射的木质属性,主要为基尔 霍夫定律,斯忒藩一玻尔兹曼定律,维恩位移定律和酱朗克定律. 1859年,基尔霍夫指出,在热辐射平衡情况下,物体的出射辐射度&(^,r)和 吸收本领口(^,T)的比值与物体的|生质无关,谶比值对所有物体来说是波长和温度的 酱适雨数,者Ij等L卜同一温度同一波眭下绝对黑体的出射辐射度吖.(丑.丁).这就是有名的基尔罐夫定律,其表达式为丝(!,旦:M.魄r1aC2,?)(2 1)该定律表明,物体的啦收本领大的物体,其发射本领也大;如果物体不能发射 某波长的辐射能,则它也绝时不能吸收该渡长的辐射能,反之亦然.绝对黑体就足定义为吸收和发射所有波段的辐射体,即发射率为1.自然界中,绝对黑体是不存在的,但是可咀根据要求,做出与绝对黑体性质非常相似的黑体,称为灰体,其发射率小于1.且与波长无关.1879年,蜥忒墙通过试验得山了兴体的总辐射功率M.与其热力学温度r的四次方成正比的结碱,l 884年,玻尔兹曼从理论hm明了该结论.称为斯忒藩一玻尔兹曼定律.其表达式为:Ⅳ^r=【M b(^,T)d2=o-T4(2 z)式中:埘..为湿度为T的黑体的总辐射功率(w/cm2):O-为期忒藩一玻尔兹曼常数,南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进一玻尔兹曼定律表明,黑体温度的微小变化将会引起总辐射功率很大的变化. 1893年,维恩指出,黑体发射本领的表达式中,辐射的频率与温度应以比值的 方式出现,并得出了维恩位移定律: 五一r=b(2.3)式中:k为黑体辐射最大值所对应的波长;b为与温度无关的常数,近似值为0.2897cm?K.维恩位移定律表明,黑体辐射最大值对应的波长随温度升高而向短波方向移动.1900年,普朗克突破了经典理论的束缚,提出了量子假设.在量子假设的前提 下,得出了黑体辐射的普朗克公式,其形式为: M6(兄,T)=c12.【P.z,(柳一1】'1式中:q=3.d6 W.1112,称为第一辐射常数;c2=1..2 称为第二辐射常数. (2.4)111.K,普朗克公式及其量子假设被后来的物理学家的所证实.普朗克公式在物理学史上具有重要地位,它揭示了物体热辐射的本质规律.2.2.2大气对红外辐射传输的影响∞侧 目标发射出的红外辐射,要在大气中传输相当长的距离才能到达探测器.红外 辐射在大气中传输时要受到大气衰减,主要是大气中水蒸汽,二氧化碳和臭氧的吸收以及云雾,雨,雪等微粒的散射.尽管水蒸汽,二氧化碳在大气中的含量非常少, 但却对特定波长红外辐射具有强烈的吸收,是决定红外光谱大气透过特性的主要因素:臭氧对红外辐射的吸收作用也很强,但是臭氧主要存在于10km以上高空,在 考虑地面或低空条件下的红外传输时,可以将其忽略;氮气,氧气和其他微量气体 只有在非常长的大气路程中,才有明显的吸收,其影响通常可以忽略不计. 研究红外辐射在大气中的传输特性对于研究红外成像系统的作用距离具有重 要意义.红外辐射的强弱视物质温度而定,辐射在传输过程中会出现衰减和吸收, 吸收某一波长的区域称为吸收波带,相对的,在电磁波谱的某些区域,吸收和散射 都非常微弱,常常称为窗口,或成为大气传输波带,如图2.3所示,3-51am,对红外来说,3-51xm和8～12&m都视其窗口区,8～12岬为长波区,大气吸收率很低,这个区域也成为大气窗口,目前红外探测器也大都采用此波段为观测波段,在 3-51am的短波段内仍有部分衰减,主要是因为水蒸气与二氧化碳的吸收,因此,对于红外探测的最佳区域是8～121xm的长波段区域汹1.2非制冷型红外热成像系统理论基础南京理工大学硕士学位论文囊塾《图2.3红外辐射的窗口2.3非制冷红外焦平面阵列基础2.3.1非制冷红外焦平面探测器结构 非制冷红外探测器是一种把热辐射转变为温度变化并加以检测的装置,又称为 热探测器.根据不同的探测机理,热探测器分为两类:一类是铁电.热电型探测器,主要材料有锆钛酸铅;另一类是电阻型微测辐射热计,敏感元是热敏电阻,主要材料有氧化钒和非晶硅口7瑚1.非制冷红外焦平面阵列是一个二维的热探测器阵列,每个探测器包括一个与衬 底相连的敏感层.红外辐射会聚到探测器表面,被敏感层吸收,引起温度升高.同时,敏感层向周围环境传递热量.热量传递方式有三种:热传导,热对流和热辐射.热传导的可能途径包括:热量沿支撑物传向衬底;如果阵列没有固定在一个抽真空 的封装盒内,热量会流向周围的空气;热量从一个像素直接流向邻近的另一个像素. 像素间的热传导必须加以避免,否则会引起像素间的&串音&.如果周围空气存在,敏感层还会通过对流向大气传递热量.热辐射指敏感元向周围环境辐射热量,周围环境也向敏感元辐射热量.理想情况下,焦平面阵列的热损失机制为热辐射.如果主要热损失是辐射性的,则阵列是受背景限制,这种限制对于工作性能影响是非常 大的.为了获得高性能红外探测器,阵列应置于真空封装中以避免与空气的对流和传导,相邻像素应保持一定空隙以避免横向热损失.在高性能红外探测器中,除去热辐射这种不可避免的热损失,主要的热损失应该是通过支撑结构传递给衬底的热量.支撑结构是取得高性能焦平面阵列的关键.支撑结构具有三个功能:机械支撑, 热传导和电子传导.实际应用中,主要有两种支撑结构.稍早出现的是倒装焊结构, 如德州仪器的混合型热电.铁电辐射计阵列(如图2.4所示).12南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进B C2.4热释电探测器的倒装焊结构探测层是由相对较厚的(约为25微米)钛酸锶钡制成,中间以一种直径为数 微米的薄片形式相互隔离开来,硅衬底上有复合的探测像素,每个像素之间用倒装焊形式连接,以提供机械支撑,高电导和低热导.另一种主要的支撑是隔板结构,如图2.5所示.图2.5微测辐射热计的隔板结构隔板结构已经由Honeywell用在单片式微测辐射热计阵列上.这里的探测层是一个沉积在Si3N4隔板上的薄层(&1&m),薄层为热敏电阻材料(如Ⅱ.Si和VO.).隔 板置于衬底之上,有两个相对方向的腿支撑.每个像素的电子装置已嵌入衬底,与读 出集成电路相连.硅薄层以一种类似于集成电路的方式应用..隔板结构不仅要防止敏感层倾斜或接触衬底,还要防止受机械振动的影响.2.3.2非制冷红外焦平面阵列的热平衡方程 热探测器以目标的热辐射为探测信号.为了分析热探测器的响应特性,必须全 面考虑热探测器的所有能量输入和能量输出. 设探测像素有一定的热容能力C,主要的热传导为支撑的热传导为G,热辐射 以调制角频率∞,光功率幅度Po照在探测像素上,入射光吸收部分为q,敏感区上 像素温度增加为AT,则热流量公式:Cd(A;_T)+G(Ar)=,TP:犯exp(jcot)(2.5)2非制冷型红外热成像系统理论基础南京理工大学硕士学位论文其中,=√一1,t为时间.在电阻型或铁电辐射计工作模式下,由于外加电压偏置,可以忽略在敏感区域的功率耗散.1962年K_rllSe给出电阻测辐射热计的准确的解∞钔: (2.6), '△丁=鬻G icoc=―G赢(1++功2f2,1,2这里f是热响应时间,定义为f=三(2.7)式(2.6)是红外热成像阵列的基础.它描述了以功率R入射到探测像素温度增加或减少.当频率很低,掰&&l时,温度增加为AT:堕 G高频时缈r&&1,温度增加为(CO/&&&1)(2.8)△丁=煎缈C(国f&&1)(2.9)式(2.6)适用于所有的热探测器.为-fN定辐射计的响应率,将信号幅值用信 号参量温度系数来表达.对于微测辐射热计,就是电阻温度系数.用上述等式中温度 系数△T来表示信号幅值.响应率是等式两边除以辐射能Po.2.4红外图像的处理红外焦平面阵列的响应非均匀性,响应漂移性,盲元,目标辐射对比度是决定 原始红外图像质量的主要因素.非均匀性导致红外图像存在固定图案噪声,漂移性 导致图像信号的缓慢变化,盲元导致红外图像存在亮点或暗点,目标的辐射对比度系数小导致红外图像对比度低.因此,在红外热成像系统中必须要对原始红外图像 进行实时的非均匀性校正,漂移补偿,盲元替代和对比度增强等处理九. 2.4.1红外图像的非均匀性和漂移特性 对于理想的IRFPA,如果入射辐射相同,每个探测器的输出信号幅度应该完全 一致.实际上,由于制作工艺,材料质量等因素的限制,每个探测器在阻抗,容抗, 热敏面积,电阻温度系数等方面均略有差别,因此输出信号幅度并不相同,这就是IRFPA响应的非均匀性n8'191.不同种类的IRFPA非均匀性各不相同.PtSi型IRFPA 的非均匀性可做到小于1%,而HgCdTe和InSb型IRFPA的非均匀性为10%左右, 而微测辐射热计IRFPA的非均匀性可达20%n引.如此严重的非均匀性,如果不进行校正,将无法获得清晰的图像. 响应漂移主要由工作条件的改变引起的,如环境温度的波动,偏置电压的变化14南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进都可以导致IRFPA响应的漂移.影响漂移的因素之间也是相互关联的,例如环境温 度的变化会导致电源芯片的属性略有改变,进而影响到偏置电压的幅度. 工作条件的改变是对整个器件施加的影响,因此响应漂移具有一种整体性变化 趋势.而工作条件的改变对每个探测器的影响是略有不同的,因此在整体变化过程 中,各探测器的漂移也略有差别.整体性变化趋势表现为直流成分,可以通过自动 增益控制过程消除,而不同探测器的差别性变化则需要通过校正系数的更新来消除.2.4.2基于标定技术的两点定标非均匀校正 非均匀性校正的方法有很多,大致可以分为两类:基于标定技术的算法和基于 场景技术的算法.基于标定技术的算法是指在实验室内利用均匀的高温和低温黑体 对红外焦平面进行标定,从而计算出增益和偏移系数的方法.常见的算法有单点法, 两点法和扩展两点法.此类算法结构简单,易于硬件实现,但是漂移补偿效果欠佳. 基于场景技术的算法不需黑体标定,而是利用场景的统计特性,获得每个像素的校 正系数.如Scribner提出采用时域高通滤波器法,Ratliff等提出采用场景运动估计来计算增益和偏移系数,Hayat和Torres相继提出Wiener滤波法和Kalman滤波 法等.此类算法因校正系数的获取和成像过程同时进行而具有一定的漂移补偿能力,但是算法一般都很复杂,滩于硬件实现.为了满足实际应用过程的实时性需求和硬件处理能力,目前市场上无论是军用 还是商用红外热成像系统基本都采用基于标定技术的方法来进行非均匀性校正.而 对于响应的漂移特性,可以通过现场实时标定进行补偿. 两点非均匀性校正方法假设红外探测器的响应为线性响应,其响应方程为 置√=Gf,,≯+q,,(2.10)式中,X&为第(f,_,)像素的响应,Gu和q,,分别为其增益和偏移系数,≯为其 输入辐射功率. 因此,在线性响应的假设下,IRFPA非均匀性表现为每个像素的增益和偏移系 数的不同.图2.6给出了不同像素非均匀性响应的示意图.由图a可以看出,不同 像素在相同输入条件下,具有不同的输出特性.输入输出曲线截距的不同反映了偏 移系数的非均匀性,曲线斜率的不同反映了增益系数的非均匀性.非均匀性校正基本思想就是使相同辐射条件下的不同像素的响应曲线重合于二条曲线.为此首先设定一条基准曲线,将各探测元的响应曲线分别做旋转和平移变换,可得到图b和c 所示的曲线,最终使所有探测元的响应曲线完全重合.2非制冷型红外热成像系统理论基础南京理工大学硕士学位论文U 口∞ oO- 们(tJ吲:B,.adianceaRadiance b:R.adia.t3.ce0图2.6两点非均匀性校正原理假设基准响应曲线在输入辐射分别为≯日和≯L(≯圩&≯￡)时的响应为jH和又., 像素(f,.『)对应的响应分别为Xu(≯圩)和Xu(≯上),那么每个像素的增益校正系数么u和偏移校正系数占u为h:墨丝=墨墨l''.Xr,/(≯Ⅳ)一X,,』(矽工)l轧:茎!毡堕2二垄丝堕丝2【..X1,.,(≯日)一x&(九)而像素(f,.,)经过两点校正后的输出表示为 E,J(≯)=At,JXI,』(≯)+Bf,, (2.12)r9 11,式中X&(矽)为像素(f,/)非均匀性校正前的输出,E√(≯)为两点非均匀性校正后的输出.方程(2.12)说明,获得任意像素的校正系数并不需要知道它的实际增益和偏移量,只需要获得它的Xu(≯H)和Xu(≯￡)即可.基准响应牙Ⅳ和牙工可以任意选 取,通常选取所有像素在输入辐射分别为≯日和≯￡时的响应平均值. 2.4.3红外图像的盲元替换盲元,产生于器件的制造过程.由于制作工艺,材料质量等因素的限制,每个 探测器在阻抗,容抗,热敏面积,电阻温度系数等方面均略有差别,这导致了焦平 面阵列的非均匀性.如果某个探测器的非均匀性无法通过校正消除,那么该探测器就被认为是盲元. 盲元的数量及其分布对器件性能的影响很大,如果盲元过多,输出红外图像中将出现大量的亮点或暗点,严重影响图像质量.因此在成像阶段对II强PA中的盲元 进行补偿,对提高红外图像质量,改善人眼视觉效果具有重要意义. 盲元替代技术是指根据相邻像素或前后帧图像的相关性对盲元信息进行预测 和替代的过程.红外成像系统主要是对景物的实时动态成像,根据图像信息理论, 其相邻像素或相邻帧之间的图像数据具有极高的相关性.根据插值理论,对于连续 变化的函数,任何一点都可以通过邻域进行插值预测.插值分为线性插值和非线性16南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进插值.非线性插值计算复杂,对于实时性要求很高的红外热成像系统显然并不适合. 目前均采用线性插值技术对盲元进行替代.假设像素(f,j『)为盲元,则其替代方程为(2.13)霉,Ⅳ)=∑Otr,so)I-TJ-￥(k-t)',,J',)E妒式中,沙为Z.,(七)的时空邻域或空间邻域,口v(f)为邻域权系数,∑坼.,(f)=1.权系数口,.(f)要根据邻域情况做出选择,如果邻域内某个像素也同为盲元,则其对应的 权系数应该为0,其权值应按比例分配给其他邻域像素.替代方程计算量与邻域大 小成正比,实际应用中,应选择合适的邻域.常见的方式为帧内4邻域替代方式, 其邻域为盲元的上下左右4个像素.如果邻域内不存在盲元,则其替代方程为霉,(七):鱼塑±塾塑±坠坠墨艘''.4(2.14)如果邻域内存在盲元,则替代方程的权系数必须按上述原则调整.173非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文3非制冷红外热成像系统的小型化改进设计3.1非制冷红外热成像系统的小型化改进工作简介小型化改进工作主要是针对整个系统中的信号处理电路系统的改进.我们已经研制出的非制冷红外热成像系统中的电路系统部分,是基于 FPGA+DSP的结构,采用两块120ramx 80mm大小的印制电路板上下叠加组合在 一起来实现红外图像处理功能.该系统可以在一4℃～60.C的温度范围内正常工作,但是系统体积较大,未能很好的满足系统的小型化要求.因此在新一轮的红外热成 像系统改进中,我们将把重点放在小型化上的改进;在结构上我们采用四块47mmx41mm大小的印制电路板重叠在一起,并去掉三片隔离芯片,增加数字可调变阻器芯片和数模转换芯片等等,并对FPGA内部数字系统进行优化改进和新功能的增 加,同时系统前端部分将考虑到对分辨率更高,性能更高更可靠,适合民用和军用的红外热成像探测器的兼容性.一部分的改进工作首先在原信号处理电路系统上进 行,然后再把改进工作转移到新的系统中去.改进工作大致如下:(1)首先,把三片隔离器件SN74AVCH20T245芯片去掉,使得DSP直接通过FPGA来实现对外部SRAM的访问,而不是通过隔离器件来实现与FPGA共同 访问外部SRAM,这样在缩小系统体积方面有很大改进,非常有利于系统的小型化;(2)其次,将原来的FPGA内部各个功能模块进行整理:在时序延迟,访问 外部SRAM速度,内部各模块的协调性,多个模块的整合精简等方面进行优化,提高工作性能;(3)再次,在FPGA内部增加SPI接口功能模块以实现对数字可调变阻器芯 片AD5160和数模转换芯片AD7390的配置;在电源系统设计中用AD5160数字电 位器代替固定电阻连接到LTl762ADJ电源芯片上,通过FPGA内部的逻辑控制使 微测辐射热计阵列在切换不同的工作温度点时自动设定最佳的偏置电压值,从而获得更好的响应性能.而AD7390则为ADN8830提供可变电压,以实现TEC温控电路对IRFPA温度的调节,从而确保IRFPA能在正常的工作温度下稳定工作.一(4)在FPGA内部新增加一个功能模块,用来实现电子变倍功能,将监视器 中间选定区域的图像进行2×2倍放大,从而可以实现枪瞄系统中远处物景的放大, 以便于肉眼观察和分辨.(5)目前我们所使用的红外探测器是法国ULIS公司的UL01011型非制冷微 测辐射热计,该探测器的分辨率为320X240,现在该分辨率的探测器逐渐退出主流市场,取而代之占据主流市场的则是分辨率为384X288或更高分辨率的探测器,18自京理t大≠Ⅲ±譬Ⅱ论女非制An**成像磊%的十型化改进因此在系统的小型化改进中要考虑到对384x288分辨率的探测器的兼容性问题.比较自利的一点是该型号的探测器和此前所用的搛测器均为同一家公司所生产的同一系列产品,各项性能指标及使用方法都大体上相同,由于分辨率的增大,仅在 驱动信号的提供L略有不同.3.2红外焦平面阵列1RFPA3.2.1 ULISULOIOll型微测辐射热计阵列目前国内红外热成像系统生产厂家所采用的微删辐射热计阵列绝大多数由法国ULIS公司提供.其中,UL01011型微测辐射热计阵列&&是对8～14um长波段 红外辐射敏感的热成像器件,在ULIS公司从SOFRADIR公刮独立出来之前型号为 IDML073一V3,其外形图如图3 1所示,◇,◇图3 lULOl011型礅洲辐身『热计阵列外形嘲UL0101I型微测辐射热计阵列是由非晶硅(n.Si)制蔷的320列×240行两维 阻抗式阵列,每个探测器单元的尺寸为45×45p.m2,敏感面积为144×10 8mm2, 025K一1,填充园子&80%,典型的热时间常数为4ms,微测辐射热计材料的TCR约为O阵列推荐工作温度为30.c.红外窗口是崩tmm晖的锗晶体_I__f料制备的,窗口上的 防反射膜层和光学过滤膜层使得8～149m波段的红外辐射具有最大透过率.器件内部集成了Marlow公司的热电稳定器DT3.4和热敏二极管PTl00,整个器件用金崩 进行真空封装. 为了获得较好的响应性能,UL0101】型微测辐射热计阵列采用了方形微桥结 构,如图2.5所示.阵列的读出集成电路(ROIC)采用硅CMOS技术嵌于阵列衬底内 Ⅻj,迎止曲条刖稿,刚史撑脏与,吐J利慷上/J的&一s L热皱]2;tti琏.3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文图3.2UL0101I型微测辐射热计阵列读出集成电路上图3.2给出了ROIC的原理示意图.阵列工作时,运放每次只允许对每一列中的一个像素的响应电流进行积分,并把它转化为电压信号;而多路复选开关会把一行像素的响应信号逐一输出,其输出频率与主时钟相同.阵列的响应率通常为4mV/K,动态范围通常为0.4.2.1V.阵列的最佳输出频率为5.5MHz,完全满足50 帧/秒的PAL制或60帧/秒的NTSC制视频标准.UL01011型微测辐射热计阵列需要输入一个模拟电源信号%n.,一个模拟地信号矿妒‰r=‰,一个数字电源信号‰,一个数字地信号‰,一个固定偏置电压圪娜,两个可调偏置电压‰和%删∞,三个脉冲数字驱动信号MC,INT和RESET,三个增益控制信号CALIBERl,CALIBER2和CALIBER3;输出一个模拟 视频信号Sortie,两个同步信号DATAVALID和LINEl.在帧频为60Hz,光学孔径为F/1,工作温度为300C度时,UL01011型微测辐射热计阵列的NETD小于120mK,非均匀性小于20%,可工作像素大于99%.3.2.2 ULISUL03081型微测辐射热计阵列UL03081型微测辐射热计阵列汹1与UL0101 1型微测辐射热计阵列一样也是由法国ULIS公司生产的,属同一系列的产品,实物图见下图3.3.自imI★#日±≠i论文#制冷n外热成侮辱‰的小型化改进影@图3.3 0308I型微删辐射热计阵列探测单元结构UL0308l型与ULOloll型微测辐射热计阵列在总体结构原理上,使用方法等方 面基本上相同,但在UL0308l工艺上的很大改进使其性能具有大幅度的提高,是一 款更高级的,高可靠性的,轻巧便携带的,低输入功耗的,高密度集成的非制冷热 成像探测器,不仅适用于民加(如监控,非破坏试骑,过程控制,车辆危险警告等), 而且更重要的是也适用于军事领域的应用/如武器和车辆的视景观察系统,低成本 单兵作战头盔瞄具等). UL0308l型微测辐射热计阵列的另一大特点就是拥有更高的384×288分辨率, 即像素阵列为384列,288行,同时兼容320×240分辨率的显示,因此UL03081 具有384×288和320×240两种分辨率的显示模式,显示尺寸大小的区别如下图3.4 所示.384320 目3.4 UL0308】型探测器的384×288和320×240显示区域这两种分辨率模式的选择是由一位SIZE信号(探测器外壳的第二个管脚)来确定.在默认的情况下,分辨牢为384×288,此时SIZE信号的值为3 3V:要切换到320×240分辨率的显示模式下,则SIZE信号应该被置为地,即低电平零.下图35为3 84×288模式下的时序配置图.3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文S盯{RES明SYPVlD￡O品胍册图3.5UL03081型探测器384X288分辨率的时序配置图3.3非制冷红外热成像系统小型化设计3.3.1信号处理电路系统的总体结构和工作原理 信号处理电路的主要作用就是针对IRFPA的缺点进行各种相应的实时信号处 理,主要完成图像信号采集,图像信号处理,标准PAL制视频的合成,数据通信等功能,确保IRFPA的温度稳定,同时还要对IRFPA提供所需的驱动信号,为整个电路系统提供时钟管理等功能.实时信号处理的内容是因焦平面而异的,不同类型 的焦平面所需的信号处理是不同的,本系统采用的是一种针对UL0101 1型微测辐射 热计红外焦平面阵列的信号处理电路的实现方案.信号处理电路系统结构原理图如下图3.6所示.南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进图3.6信号处理电路系统结构原理图图3.6中,电路系统由A,D,D/A,FPGA,DSP,FLASH,SRAM,TEC温控 电路,通信接口和电源构成.FPGA处于系统的核心位置,它将承担信号处理,视 频合成,逻辑仲裁,时钟系统管理,SPI接口等功能,并且为IRFPA提供数字驱动 信号,为A/D,D/A,红外焦平面阵列提供时钟信号;DSP将完成系统管理,数据通信,数据加载,图形界面的生成等功能;此外,TEC温控电路对IRFPA进行自 适应温度调节,保证其温度稳定在O±0.010C或者30±0.010C;电源系统为电路板和IRFPA提供电源.系统定义了两种工作模式(用S表示):校正模式(S=1)和标定模式(S=0). 在校正模式下,FPGA接收来自A/D的数字图像信号,同时从SRAM读取校正系数, 在流水线内完成非均匀校正,盲元替代和图像增强等功能算法处理,然后由视频合 成模块转化为标准视频格式,最后送往视频D/A转化为标准的模拟视频,供监视器 显示.在标定模式下,FPGA不进行任何信号处理,直接把原始图像信号送往视频 合成模块,监视器显示的是未经校正的原始图像信号;同时,FPGA还可以在DSP发出的信号S Pulse控制下把原始图像信号存储到SRAM内,供标定使用...系统的上电时序由IRFPA的工作特性决定的.微测辐射热计IRFPA对驱动信 号的上电顺序有严格要求.IRFPA需要工作在温度稳定的环境内,在温度稳定之前, 不能加载任何驱动信号.3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文…图3.7红外热成像系统工作流程图3.7给出了红外热成像系统的工作流程.系统开机以后,TEC温控电路立即 开始调节IRFPA的温度向设定温度靠拢,直到温度稳定.这个过程所需时间与设定 温度和环境温度的差别有关,通常大约需要10一50秒时间.与此同时,FPGA开始加载程序.在程序加载阶段,FPGA的引脚处于高阻状态,由FPGA控制的驱动电源和驱动信号将无法输出到IRFPA上.FPGA的程序加载结束以后,把DSP的INT0 引脚置为&0&,DSP开始初始化.从此时开始,DSP接管系统的控制权,系统进入标定模式.在初始化阶段,DSP会把开机画而和校正系数写到SRAM的不同地址空间.DSP初始化结束后,系统进入校正模式.在IRFPA温度稳定之前,DSP设 :置地址选通信号(用T表示)为&1&,FPGA的信号处理模块在信号T的控制下,读取 开机画面数据,系统输出信号显示为开机画面;当温度稳定后,TEC温控电路向 FPGA发出温度稳定标志.接收到稳定标志以后,FPGA按照顺序加载IRFPA的驱 动信号,最后向DSP发出温度稳定中断(用Templock表示).DSP的中断程序会把 地址选通信号T设置为&0&,FPGA开始读取校正系数,系统开始显示目标图像.南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进在校正模式下,如果系统接到外部发出的标定申请,它会自动转入标定模式.此时, 可以对系统进行标定,获得校正系数;也可以向PC传送采集的未校正的原始红外 图像数据.当标定模式结束以后,系统重新加载校正系数,返回校正模式. 信号处理电路是一个多时钟电路系统.IRFPA,A/D,基于流水线的信号处理 模块工作于5.625MHz,其时钟频率由红外焦平面阵列的技术指标决定;视频合成 模块和D/A的工作于7.5MHz,其时钟频率由采用模拟视频标准决定;两个时钟系 统之间的数据传输通过FPGA内部的双口RAM来完成;两个时钟信号由FPGA内 部的时钟系统产生.DSP工作于75MHz,其时钟信号由独立的晶振提供.DSP和FPGA之间的通信以及共享资源控制权的确定由FPGA内部的逻辑仲裁模块和DSP 内部的IO口实现.3.3.2前端A/D数据采集电路设计 A/D数据采集是进行数字信号处理的前提条件,它处于数字信号处理前端.系 统根据红外焦平面阵列的时钟频率,响应率,噪声等效温差的大小以及信号的动态 范围选择了ADI公司的AD9240模数转换芯片H扣.其主要特征如下:(1)单片集成14位的10MSPSA/D转换器; (2)超低功耗:285mW; (3)单+5V供电;溢出标志指示; (4)无失真动态范围:90dB. 对于UL01011型红外焦平面阵列,其最佳工作频率约为5.5MHz,响应率通常 为4mV/K,噪声等效温差为接近120mK,动态范围通常为O.4.2.1V,显然,AD9240完全满足其功能要求. 下图3.8给出了系统采用的A/D采集电路的原理图.图中基准电源芯片采用 ADR421,它可以为AD9240提供2.5V高精度电源基准:信号输入采用直流耦合; 输入端的二极管其保护作用,防止AD9240的死锁.关于A/D采集还需要着重说明 几个问题: (1)A/D采集的时钟和红外焦平面阵列的主时钟(MC)的频率相同,但相位是有区别的,这是因为焦平面阵列在输出平坦的有效的响应信号之前,会首先输出过渡性的脉冲振荡信号.为了避免对无效的脉冲振荡信号进行采集,A/I)的采样时钟 的相位应该有严格要求.一(2)由于焦平面自身的噪声以及系统电磁干扰带来的噪声,在A/D采集之前 必须对由焦平面输出的模拟信号进行滤波.系统采用了两级低通滤波,一级为有源低通滤波器,它位于焦平面信号的出121;另一级为无源滤波,它位于A/D采集的入口.滤波器的截至频率由信号和噪声的频谱特性决定.同时,为了防止系统电磁干3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文扰噪声进入信号,应该采取一定的保护措施,如屏蔽,模拟信号尽量远离数字信号 线等.图3.8前端部分原理图(3)焦平面响应信号的动态范围为0.4～2.1V,而AD9240为&鬼对鬼&器件,其量程为0-5V,为了充分利用AD9240的量程,系统对输出信号进行了2倍放大.放大作用是由有源低通滤波器完成的. (4)估算A/D采集噪声对系统噪声的贡献.假设红外焦平面阵列输出信号的噪声电压为仃矿,而AD9240的最小可分辨电压为‰,那么总的噪声电压为&r,r2仃删=(仃;+乇譬)&2l二(3.1)如果红外焦平面阵列的噪声等效温差为100mK,对应噪声电压为0.4mV(n[甸应率为4mY/K),而AD9240的采样精度为14位,满量程为5V,那么经过A/D采集 以后,系统总的噪声电压为0.41mV,系统的噪声等效温差为102.5mK,因此,系统采集引入的噪声相对于原有噪声来说是可以忽略的. 3.3.3后端D/A转化电路设计为了能够观察到红外图像,必须把来自FPGA的数字图像信号转化为标准的模 拟视频信号.考虑到红外图像信号的精度要求,以及与未来伪彩色红外显示的兼容26南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进性,系统选择了ADI公司的ADV7123实现模拟视频信号的生成.ADV7123是一种 3通道高速数模转换集成电路,它自带1.23V内部参考电压源,兼容5V和3.3V供 电;包含3个独立的10位数据输入端口,提供两个独立的视频控制信号:消隐信号丽和同步信号万磊;可工作于-40~+85.c,满足战场恶劣条件的需要嘲.图3.9DA转换电路上图3.9给出了D/A转换电路.系统采用5V供电,灰度显示.图像数据,视 频控制信号Blank,Sync和时钟均来自于FPGA的视频合成模块,并且已经按照标准视频格式进行了编码.为了增加系统的负载能力,在D/A后增加了一级运放.在D/A转换电路上,还需要注意以下几点: (1)数字输入ADV7123的30Bits的像素数据R0.R9,GO.G9,B0.B9在时钟上升沿被锁存, 数据被分别送到三个独立的DAC中,转换成三个模拟信号输出(RGB).另外, ADV7123有两个额外的控制信号:复合同步Sync和复合消隐Blank,在DA时钟的 上升沿被锁存.同步和消隐信号以适当的权重电流加到模拟输出中去.复合同步 Sync和复合消隐Blank对输出信号的影响见表3.1. (2)灰度操作 ADV7123具有三个高阻抗输出端,可以提供彩色显示,但是对于用作观瞄的 热像仪,一般不需要彩色显示,只需要灰度图像.ADV7123的G通道支持灰度图3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文像的显示,此时,其他两个输入通道必须接逻辑电平零,对应的输出端应该通过下拉电阻接地.表3.1视频输入输出数据映射表种类 白电平 视频 视频一消隐 黑电平 黑电平一消隐 消隐电平 同步电平IOO(删26.67 V试ea+8.05 V谴ea g.05 0 8.05 0IOOCrr埔0 19.62.V过eo lg.62.V诅∞ l暑.62 19.62 18.62 18.62IORfIOB 18.62 V试eo Vicleo 0 口 0 a10R.『10B 0 1暑.62.研deo 19.62.Video 18.62 lg.62 18.62 18.62Sn4C1 1 0 1 0 l 0BL氏NK l l l l 1 0 0输入数据3FFH DATAD如_A000H 000H XXXH XXXH(3)终端和阻抗匹配 为了获得最优的性能,每个模拟输出端需要加入一个源端匹配电阻.这个电阻值的大小与应用环境有关,当负载是双751&)的负载时,这个源端匹配电阻的阻值也为75(1.还要注意的是,这个电阻应该尽可能靠近芯片以减少反射.对于未使用的 输出端口,应该通过等效电阻即37.512接地.3.4FPGA内部数字系统的改进FPGA作为红外图像实时信号处理的核心芯片,在整个红外热成像系统中有着重要的作用,是非常关键的一部分.基于FPGA平台所设计的数字系统是结构复杂, 规模庞大的,必须首先熟悉和掌握原来的系统设计原理,要对原来的数字系统进行整理优化,加入新的功能模块,必将导致新系统的设计在设计思路,代码编写,模 块结构间的布局规划上有一定程度的改变,另外原系统的设计语言使用的是VHDL语言,新系统的设计将采用Verilog HDL呻3语言.3.4.1基于FPGA的实时图像处理功能的实现 图3.7已经给出了本文设计的信号处理电路中FPGA片内逻辑所要完成的工作, 主要包括信号处理,视频合成,直方图统计,驱动信号控制,时序管理,SPI接口 控制,DSP通过FPGA访问外部SRAM等功能. 本红外图像实时处理数字系统设计采用了Top.down设计法(见第一章1.2节), 系统的实现载体则使用了ALTERA公司的专用于FPGA/CPLD开发的强大开发集成环境―QUARTUS II嵋21软件,设计输入方式采用了原理图设计和Verilog HDL语言设计的混合设计方式:整个数字系统的顶层模块结构原理图如图3.10所示,实际模块见图3.11.南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进图3.10FPGA内部顶层模块结构原理图各顶层模块的功能在这里只做简单介绍,在后面的小节中会针对模块改进而进 行详细的介绍. (1)基于流水线的实时图像信号处理模块(DataProeess):针对IRFPA的缺点对原始的红外图像进行非均匀校正,盲元检测替代和图像增强(或者称为自动增益 控制),在外部中断控制下把未经校正的红外图像数据存入片内的DPRAM中和FPG}A夕h部SRAM中. (2)配置模块(Configure Peripherals):DSP通过该模块实现对整个系统的配置管理,使FPGA内部各模块间,以及FPGA,SRAM和FLASH等芯片之间协调工作,保证信号有效的传输和处理,从而确保整个系统的稳定性.(3)时钟系统模块(Clock):信号处理电路板上一片24MHz晶振输出的时钟 信号进入FPGA中的时钟系统模块,并有此模块进行倍频和分频以产生FPGA内部各模块所需,以及FPGA外围芯片器件正常工作所需的时钟.(4)视频合成驱动模块(VideoDrv):产生视频控制信号,图像选择信号,菜 单选择信号,IRFPA驱动信号和复位信号等. (5)自动增益及图像输出模块(AGC):使红外图像实现自动增益控制,同时 输出并显示在监视器上.3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文图3.11FPGA内部实际顶层模块结构根据信号处理对工作频率和资源的要求,系统选择的FPGA器件为Altera公司 Cyclone系列的EPlC20H71,配置器件为EPCS4.FPGA提供了灵活的系统可编程能力,在硬件不变的情况下能对软件进行不断升级,因此在当今系统设计中FPGA的 使用越来越广泛,且开发成本越来越低.正是它的灵活性和高的性价比,使它得到了设计开发人员的青睐.3.4.2FPGA芯片Cyclone系列EPlC20的结构FPGA(Field Programmable Gate Array),全称现场可编程门阵列.以Altera公司Cyclone系列器件为例,FPGA内部主要由逻辑阵列块(LAB),嵌入RAM块(M4K RAM),快速通道互连资源和I/O单元四部分组成.每个LAB由10个逻辑单元(LE) 构成.LE是Cyclone器件的最基本结构,每个LE包括一个查找表(LUT),一个 触发器和相关的相关逻辑.30南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进da班, d壹l墨2 da%B3 d矗l■'裟嗽I西鹭簟略 I叠Ⅺ≈协图3.12LE内部结构原理图上图3.12是LE内部结构原理图.UJT本质上就是一个RAM.ALTERA公司的FPGA中使用4输入的LUT,每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16xl的RAM.由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线,然后作为地址线连到LUT, LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果,通过地址查找到相应的数据然后输 出.对于组合逻辑,查找表输出结果直接通过寄存器旁路输出或返回FPGA内部,而对于构建时序逻辑电路,每个LUT后提供了一个D触发器和相应的全局时钟,全局置位和清零信号.由于LUT主要适合SRAM工艺生产,目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的,而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失,一定需要外加一片专用配置芯片,在上电的时候,由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中,然后FPGA就可以正 常工作.在本系统中,考虑信号处理对工作频率和资源的要求,系统选择的FPGA 器件为Cyclone系列的EPlC20F400C8,配置器件为EPCSl6.EPlC20F400C8包含 20060个LE,64个M4K RAM块共包含多达294912位的片上RAM,支持两个锁 相环(PLL),最多支持301个I/o口. 3.4.3时钟系统的改进 对于任何同步时序系统,时钟在整个系统中都具有举足轻重的作用,它不仅为 各芯片的正常工作提供了必需的时钟驱动信号,同时更重要的是为系统提供了一个 时钟基准,使得系统中各信号的传输都是在同一时钟基准的控制下有节拍有顺序同 步的进行,确保了数据传输的精确性,从而保证了整个系统的稳定运行.3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文FPGA内部的时钟系统模块为FPGA自身以及A/D,D/A和IRFPA提供时钟信 号.时钟频率的选择要从IRFPA的工作要求,标准视频格式,FPGA的信号处理方式等三个因素综合考虑.表3.2给出了IRFPA和PAL制视频对客观限制条件.在FPGA内部,非均匀校正,盲元替代和图像增强采用流水线结构,因此,流水线的时钟频率应该和IRFPA的像素输出频率相同.为了视频合成的方便,IR.FPA的帧频和行频应该和PAL制标准视频保持一致,那么IRFPA的帧频也应该为50I-Iz,行频 应该为15625Hz.UL01011的用户手册指出,其主时钟(MC)应该工作在5.5MHz 左右,这决定了IRFPA的时钟频率不能偏离5.5MHz太远.综合这三个因素,我们确定IRFPA,A/D和信号处理流水线的工作时钟为5.625MHz,视频合成和D/A的 工作时钟为7.5MHz.IRFPA在5.625MHz的MC驱动下,行周期为360TMC;采用7.5MHz合成PAL制视频,每行包含480个像素时钟(TPC),其中行有效区间为390TPC,行消隐为90TPC,行同步为36TPC;表3.2决定时钟频率的客观因素Ⅱ王】iPAPAL制视频标准 帧频25I-Iz.场频50I-Iz行频1 56251VII-Iz最佳时钟频率:5.51VIt-Iz 阵列规模:320x 240行周期.T&340&I&lVIC每场312.5行,场捎隐25行 图像有效行为287.5行 行周期641as.行消隐121.ts 行同步4.7±o.1l-ts.行有效区间52积分时间.17&研&320'I'MCus原来的系统中虽考虑到了前后端A/D,D/A转换的时钟应与探测器输出的信号同频同相,这样才能保证图像数据能被准确采集到,但是对于时钟上的同频控制还 不够精确,因为焦平面阵列在输出稳定有效的响应信号之前,会首先输出过渡性的 脉冲振荡信号,为了避免对无效的脉冲振荡信号进行采集,A/D的采样时钟的相位 相对于探测器主时钟MC延迟1/4个MC周期.如图3.13所示,IRFPA在MC下降沿输出响应信号,AD9240在时钟上升沿对图像信号进行采集,MC与ADClock应该为同一频率,但是ADClock应该比MC 延迟1/4个相位,这样才能采集到稳定的图像信号.'32南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进信号振荡稳定的信号VideoMC升'梧 信号舶c妣k]厂]厂]图3.13 MC与A/D时钟的关系基于上述原因,下面将对时钟系统模块进行重新设计. 系统所需的时钟信号由FPGA内部的锁相环(PLL)啪'4们和分频器产生.各时 钟的产生原理如下图3.14.囹鬻 揣『豢 石砺■■■■■■●■■●■■●■■■●●■■■■■一坌幽鲤至U一6一z7.SMHZ扒 1,1OMae阳f2l 5.625MHZI●_峥回ADV'/123坠垒型l内部PLLj口IRFPA■■●■■■_■■o-_■■__o一C1ADCLK l AD924045MHZ图3.14时钟系统结构图一ADCU相对于MC霄1/4&t&cl的延迟上图所示的时钟系统由一个晶振输入的24MItz时钟经过倍频,分频后得到两 个时钟7.5MHz和5.625MHz.(1)晶振提供的24MHz时钟经过FPGA内部锁相环PLL的5倍频后再经过2分频即得到时钟CO(60MHz),再经过分频器DividerI的8分频得到7.5MHz的时钟,此时钟作为后端视频合成现实的时钟,经过反相器反相后作为后端D/A转换的 时钟,因为图像信号要在内部用DPRAM缓存,而DPRAM读出则是在7.5MHz时 钟的上升沿,为确保后端D/A采集到稳定的图像信号,故将7.5MHz时钟反相后传3非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文输给D/A转换芯片,相当于延迟了1/2的相位. (2)晶振提供的24MHz时钟经过PLL的15倍频后再8分频即得到时钟Cl(60MHz).一方面Cl经过分频器DividerII的8分频得到5.625MHz的时钟,此时钟提供给红外焦平面阵列,作为其工作时钟:另一方面以C1作为基准时钟来驱动 两个串联的D触发器,D触发器的输入信号为5.625MHz时钟,输出信号即作为前 端A/D采集芯片的工作时钟ADClock(ADCLK),ADCLK的频率也是5.625MHz,但是相对于MC来说延迟了1/4的相位,从而实现了对IRFPA输出的稳定信号的采图3.15FPGA内部时钟系统模块模块&ClockDivider&的程序如下:module ClockDivider(c0,e l,MC,ADCLK,DACLK,CLKj5);input output reg wire reg reg cO,MC,ADCLK,DACLK,CLKj5;ADCLK;MC,DACLK,CLK._75; 【2:0】DividerI,DividerlI;always@(posedge cO)//cO=60MHzbeginDivideri&=Divided+3'b00 1;endalways@(posedge e 1)//c l=45MHzbegin DividerlI&=DividerlI+3'b001;34南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进endalways@(posedge c i)beginsclk《=DividerII[2];//5.625MHZendalways@(posedge c1)//ADCLK比MC延迟了2个c1时钟begin ADCLK&- endassign assign assignMC=DividerlI[2];//5.625MHZ //7.5MHZCLK._75=DividerI[2];DACLK=～DividerI[2];//7.5MHZDACLK与CLKj5相位相反endmodule时钟系统模块的时序仿真如下图3.16爵砷-睁0?治ic0 C￡X T5雷2 睁3 谚4 必5D^cu【cl眦朋腿图3.16时钟系统模块时序仿真图由图可知时钟ADCLK与MC频率相同,但比MC延迟了114的相位;DACLK 与7.5MHz时钟同频,但相位相反. 3.4.4视频合成及驱动的改进 视频合成及驱动模块的主要作用是产生视频控制信号,图像选择信号,菜单选择信号,IRFPA驱动信号和复位信号等.3.4.4.1PAL制视频同步,消隐控制信号'红外焦平面阵列IRFPA逐行输出的红外图像信号经过FPGA的处理后再经过后 端D/A转换以供显示器显示红外图像,我国通用的复合视频信号标准是PAL制标 准唧1,因此D/A输出的红外图像信号也应复合PAL制标准(见图3.17),即应产生 PAL制复合视频控制信号.由于红外图像采用灰度显示,因此只需要给后端D/A转换的ADV7123视频芯片提供一个同步信号和消隐信号.原系统中所提供的同步信 号和消隐信号在时序上未能严格按照PAL制标准,其场消隐时间只有8H(1H_1 个有效行的时间52眇),而标准的场消隐时间应为25H+121xs,因而其同步信号也少图3.17黑白全电视信号产生_PAL制同步,消隐信号的部分程序如下:J,,,幸枣幸宰牛宰率,I'卑宰?宰宰宰年枣?幸奉奉毒毒毒¨?枣木毒,|¨毒'IjI幸宰¨¨幸奉幸幸毒木本+幸幸j|奉幸幸牛幸掌毒宰宰+‖//幸?奉木幸¨幸枣木枣幸枣?幸木幸PAL制视频同步,消隐信号????宰?木?幸?奎??¨¨¨////幸幸奎幸枣木串宰串奉串宰串+?串?幸毒??幸'-+?奎木幸|l拳??幸掌?乖毒宰'I??謇木枣奎?串书幸宰木}丰+宰串卑牛牛牛奉半////计数器cnterP对每行像素(PiXel)个数计数,计数器cnterL对行(Line)计数 always@(posedgebeginCLU5)if(CnterP:==479)begin CnterP&=9'b0_;if(CnterL===624)CnterL&-1 0'b00_; else CnterL&=CnterL+1 0'b00_;endelseCnterP牟CnterP+9'b0_;南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进end//消隐信号BLKalways@(posedge CLK_75)beginif((CnterL&22)l(CnterL&=3 10&CnterL&335)l(CnterL&=623))BLK&-O.//第1H～22H,第3 1 1H-335H,第624H,625H时,BLK=0,信号消隐elseif((CnterL一22)&(CnterP&240 I CnterP&=468))BLK&_0;//第23H//同步信号SYNalways@(posedge CLK_75)beginif(((CnterL&2)l(CnterL&=3 1 3&CnterL&3 1 5))&(CnterP&204 I(CnterP&_240 &CnterP&444)))SYN&_0;//第1H,2H,314H,315H时,SⅥ忙0,信号同步elseif((CnterL一2)&(CnterP&204 l(CnterP&=240&CnterP&258)))SYN&-o}//第3Helseif(CnterL一622&(CnterP&36 l(CnterP&=240&CnterP&258)))SYN&等叫}第623Hif(((CnterL&=5&CnterL&3 1 0)l(CnterL&=3 1 8&CnterL&622))&(CnterPelse&36)) SYN&_0;//第6H～3 1 0H,3 1 9H～622Helse SYN&-1; end视频合成及驱动模块在Quartus II软件中设计的模块图如下图3.18,同时利用Quartus II中自带的仿真器对该模块进行了时序仿真,见图3.19.373非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文瓢 砑C限盯廷黧i麓…o譬兰,,,,t.,'麟÷臣一删÷ -≯'皤÷C邺8丫K嵫8LK ON.FPA}:::::::::::::::::::::::::;…蛳I)Ⅷ的一￥tm{ ; 擎&Tp叶,办UTPIITl I,vd的一8}a峨h国批Jd氟甜哺舸鞭嚆埘&矗鲥 lNT鼬.≯一&咖和.s稿l-6fⅥI.e^l 一.}'''籍ln.,trr ,一'弱.ilTP!汗:I.)Frame_Cl髓r'擘'mⅡtp&T''仃I)FfctYhM1)i盯)FPA.FPA睇t一一警'mI盯tIlresetI躐图3.18视频合成及驱动模块图斟C【显T5瑾.c墟豫n囝团 n叱日Lx SY哥 CnterL Cnter?图3.19QuartuS II中PAL制同步消隐信号(SYN,BLK)的仿真结果3.4.4.2图像,菜单选择信号前面已经介绍过,视频合成的时钟驱动为7.SMHz,因此在PAL制标准下,每 场一共312.5行,有效行287.5,另外25行为消隐行,每行一共480个像素,其中 90个像素处于行消隐期间,显示无效,而390个像素是处于行有效中,能有效显示, 所以实际的有效区间大小为390×287.5,而IRFPA所输出的图像阵列为320X240,另外,还有16行的菜单显示(菜单显示出你将要对图像进行的各种功能操作),故输出的实际图像大小为320列X(240+16)行,为了便于监视器的显示和观察,应 该把图像输出在中间区域,而原系统输出的图像区域则靠近左上方,使得图像显示 左右不对称,右边有一块很大的黑色无效区域.新系统中所设计的图像分布如下图3.20所示:南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进鹃OPixels图3.20图像菜单显示区域分布图3.4.4.3IRFPA驱动,复位信号要使IRFPA正常工作就要为其提供一些驱动信号,本系统中所使用的ULIS UL01011型微测辐射热计阵列&钉需要主时钟MC,积分信号INT和复位信号RESET三个数字驱动信号和CALIBREI,CALIBRE2,CALIBRE3三个增益控制信号.图3.21给出了数字驱动信号的时序要求.MC门:nq-1.-二一一八'r一._～n几1广几n门1脑盯十1l'-――――――――}i―LI――――――I―.00'一lllq&{P竺型坐掣l卜』迪巡型o&:: !型骘0P型型坠'■o:!竺3 SORTIE&画画亘巫耍正二二卜―&五亟五巫亚[二二=;――&匿面亟:;of删DATAVALID――――――――].一几赢而丽两i磊丽―_1秀两再犷};:;￡删―――――――――――磊磊西石忑忑i磊矗―――――一图3.21 IRFPA数字驱动信号时序图:available积分INT有效时间为17≤INT s 320TMC,实际选择为320TMC.RESET只能 出现在积分信号为低电平&0&的时间,持续至少1TMC;原系统中复位信号RESET 是在每一帧图像开始前输出的,而PAL制下,一帧隔行扫描为两场,为确保图像的 质量,新系统中将在每一场图像输出前对IRFPA进行复位,以清除残留在IRFPA393非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文每个单元像素中的信号电荷,减小上第一场图像信号对第二场图像信号的影响. 产生IRFPA驱动信号,复位信号的部分程序如下: 胪料料料料幸积分信号堆奎木木奎,I幸牛木串// always@(posedge CLK.75)beginif((CnterP&=12&CnterP&=435)&((CnterL&=41&CnterL&=280)[(CmerL&=354 &CnterL&_593)))IN耻ag&-l'elseINT-nag&-l'b0;endalways@(posedge MC)beginif(ON_FPA) INT&_INT-else INT&_1'bO; End//料¨¨料+木复位信号木幸木幸+木'|宰++‖always@(posedge CLKj5)beginif(CnterP&13&(CnterL叫1lCnterL一354))//每场第一行开始积分前复位FPAreset―FLAG&-1 b1; els FPAreset―FLAG&=1'bO; end图3.22是整个视频合成及驱动信号模块在Quartus II软件自带的仿真器中进行 时序仿真后仿真结果图,图中各个信号的时序关系都很好的满足了设计要求.南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进C断翻C铷玉I广]厂]厂]厂]厂]厂]厂]厂]n门厂]厂]:门n厂]n厂]厂]厂m: 0:甜葛 囹CnterL 囝CnterP 囝CnterFVYPArtstt'0:Ui4:l0:l'0::0 j 证{I{ I;I;0:0iI ;0{0距51静52x353羚贰Ⅺ磊帮磊Ⅺ衔撕百Ⅺ亟隧ii咂5i静62X383黼4X365羚B6超墅糙塑)唾V●■l-●―¨■■●●¨―■●●¨―■---__----●I― Ⅳ wire ■■■●■lll-―■―I―_■l―■N_ ■■J ■僵 _l-___一一; : l■■●U_ ■^■■■n■___■■_叩● i {i{I;●iIYrmt_cleir工l盯 Image..sel;l『]广-]广]广1广]门广1广_In广 矿 ]n门门广]广●{ {;t,-'!'.f]2■一■厂]厂 _L厂 玉 1厂U-1』- ]广]门厂|厂; ::硼tz毗,t1PicV-1id;广]广]m广1门门r ]广]m广1门广]门广图3.22视频合成,驱动模块在Quartus II中的仿真结果i;3.4.5实时图像信号处理的改进实时图像信号处理模块基于流水线结构设计,是整个信号处理电路的核心,它 不仅可以针对IRFPA的缺点进行非均匀校正,盲元替代和图像增强(或者称为自动 增益控制),还可以把未经校正的红外图像数据保存到SRAM内. 该模块是整个FPGA内部最为复杂的一个模块.在原来的系统中,该模块内项层划分为8大功能模块,其中几个项层模块下又划分为若干下属模块;整个实时图 像信号处理模块涉及到了整个电路系统的模式切换控制信号的产生和连接,实时图 像信号流的流水线结构处理,图像数据的在FPGA内部双端口DPRAM∞订中的存取,对外部SRAIVl访问的控制接口,数据在两个时钟域中的传输,对红外图像的非均匀校正,盲元检测和替换等功能.新系统中将要进行的改进主要在以下几个方面:将繁杂的模块功能重新划分布局布线,由8大模块精简为6大模块;去掉一些功能重复或者路径太长的走线,减少个别信号的传输延迟;对一些关键性的路径(如对DPRAM和SRAM的读写使 能控制路径,数据,地址传输路径等)进行时序约束,从而确保建立/保持时间条件的满足,以防止亚稳态的出现;数据传输在两个时钟域中传输要确保其准确性和稳 定性. 实时图像信号处理模块内的项层模块划分结构图见图3.23.实际模块图见图3.24.413非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文FPGA对SRAM的 读写控制SRAM CONTROISRAM数据流向控制SRAM GAlN BlAS(稹块飞)(毽块2了.:实时图像处理模块Data Pl-oCeSS模式控制模块l图3.23!RTC.垂dnM謦徽曩笺开ll u_鼍鬻秽珏. …7茁酊:.,一,+l|湍茹淼 .(概&一一,l实时校正模块Correcting(模块6厂实时图像信号处理模块内的顶层模块划分结构'o:::::::::::::::::::::::::鼍黧::::=曩※※※※※;※;※※※※※※※※※;;※※※※※;※;噩二舞蒙噩麓;曩蟹蔓蟹曩蟹i::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::::::::::叠=:::i!※※!※※:!!※※※※ij!!!!爱※ij!※ji※!!i※※爱※※!{辫;;≤;;茅薷磐q.■…州?'叫寡rl≈略～q÷^w-.I.. ;翌:互:==:::蒜裁兰蘩÷荸叶:{.■….一～J■■.一,H￥…I.. ;;器;i篡:==:::意鬟麓舞斗;; ?■……'.一■-■''一o…1.'?●……-?w^竹_●啼v'●op…r.. ;;誓￡鎏::二=:::篙鬣餮菩*§l!求翟嚣:::葺鬟暑餐兰寻誓E互囊葭翟窭翠互曩蕊圈欧丽焉浔丽――1莉飘旷―1藤甄嘉磊毓曰萄鞲弱百丽―々讲丽罚'―――=:_l 萄耵鬲广_―――1丽葡广―――1 职丽―弱r――1雨羽'―――1:?尚f衡r……'.一'置鼍:===:;:I::摩堕葱匿==密圈匿==j匾匠盈露￡j函霍三=j露……,?vJ●■■r●…-…?…1.….…,….…………-…-?..:::馏墨匿凰豢磊和-..?E图3.24Quartus II软件中的实时图像信号处理模块实图顶层模块一共由6大模块组成,模块1的功能是FPGA对外部SRAM读写访 问控制信号的产生,即读写信号和片选使能信号的产生.原系统中该模块调用Altera FPGA内部自带的原理图进行设计,但由于调用的原理图过多,在布局布线上没有 很好的规划,以至于出现了重复的,多余的走线,也不利于查看.该模块也采用了42南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进原理图设计的方式,但在布局布线上进行了精简优化,去掉了重复多余的走线等不 足,详细情况如下图3.25.ab图3.25重复的逻辑设计图中虚线框内的逻辑有所重复,这样不仅耗费了FPGA内部逻辑资源,还有可 能由于布线的长短不同,导致两个同样的逻辑块中所输出的信号有所延迟,把重复 的去掉即可,改进后的图如下图3.26.曩b图3.26改进后的逻辑设计模块2的功能是控制数据在外部SRAM和FPGA之间的流向,校正模式下FPGA 把SRAM中的校正系数读出,对实时红外图像进行实时校正;在标定模式下,FPGA 把未经过处理的原始红外图像存储到SRAM中.为确保从外部SRAM中读出稳定 的数据,需保证足够的建立时间和保持时间,防止进入亚稳态,新系统中用2个D 触发器对从外部SRAM中读出的数据进行了2次采集,从而避免了亚稳态的出现. 模块3的功能是对每一行的实时图像进行缓存.红外探测器IRFPA在5.625MHz 的时钟频率下输出红外图像数据,并切在内部的流水线处理中也按照5.625MHz的433非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文速度进行,但处理后的图像传输给后端进行D/A转换并显示时,却是在7.5MHz的 时钟频率下进行的,因此处理后的数据传输给后端显示时,经过了由5.625MHz到7.5MHz的频率转换,这样就出现数据在2两个时钟域传输的问题.为解决此问题, 系统中采用了FPGA内部的双端口DPRAM,一个端口用来将处理过的图像数据一次存入DPRAM中,在行有效期间从另一个端口将处理过的数据读出并显示,即数据先在5.625MHZ的时钟频率下被存入DPRAM,过了一小段时间后又在7.5MHz 的时钟频率下被读出来,由于有行消隐期的存在,所以DPRAM只需要存储一行的 图像数据,而7.5MHz的读出速度要追上5.625MHz的写入速度比传输一行数据的 时间要多一点,因此读出就追不上写入,故避免了对DPRAM中的同一地址同时进 行读写而导致数据不稳定的情况;另外,对DPRAM的读写也要考虑到保持时间和 建立时间,防止亚稳态的出现以致数据传输中出现错误,对付此问题的方法也是对读出的数据用D触发器进行两次采集,可有效的避免亚稳态的产生.见图3.27.图3.27数据在两个时钟域间的传输图3.28中ME.为5.625MHz的时钟,在它的控制下写模块(左上角)把处理后 的图像数据存入DPRAM中;CLK 75为7.5MHz的时钟,在它的控制下读模块(左下角)把图像数据读出并送到后端显示;中间的模块为双端口的RAM(DP删),该模块的读数据输出端口q[13..0】已经经过一级的D触发器采集,因此在其后只需要再接一级的D触发器即可,从而防止了亚稳态的出现,保证了数据读出的稳定性.模块4是模式控制信号的产生,以实现在DSP的控制下系统进入校正模式或者 标定模式;模块5是对红外图像和菜单图像进入FPGA的同步控制,这里值得注意的是红外图像从IRFPA输出后经过前端AD9240芯片进行A/D转化时,数据从进入AD9240到出来后并进入FPGA这一过程会有3个MC时钟的延迟,这是因为 AD9240芯片采用了三级流水线结构,其latency=3 Clock,因此要对数据的同步控 制信号进行3个MC时钟的延迟,保证同步控制信号与数据的同步. 模块6是对红外图像进行非均匀校正,该模块采用了原理图加Verilog HDL混 合设计的方式,需要注意的是整个过程经过了7个时钟的延迟,因此对相关的同步 控制信号也要进行7个时钟的延迟.南京理工大学硕士学位论文非制冷红外热成像系统的小型化改进另外,直方图统计数据和自动增益控制系数等.这些数据的规模并不大,但需 要在FPGA和DSP之间快速传递.QPRAM的一对读写端口连接于FPGA内部的直 方图统计模块,视频合成模块和自动增益控制系数加载模块,另一对读写端口连接 于DSP的数据和地址总线,因此DSP和FPGA均可以同时访问QPRAM,而无需复杂的访问权切换.直方图统计模块,视频合成模块和自动增益控制系数加载模块对QPRAM的访 问是通过时间来区别的.自动增益控制系数加载模块访问QPRAM是在每帧图像数据到来之前,直方图统计模块访问QPRAM是在图像数据有效期间,而视频合成模 块访问四口RAM是为了读取菜单图形数据,因此它的访问时间是每帧图像数据输 出结束以后.3.5外部SRAM共同访问的实现在原系统中,DSP与FPGA都要对SRAM进行访问,因此就涉及到了访问权 限问题,由于共同访问SRAM,故SRAM的数据线,地址线都同时与DSP和FPGA 相连,当FPGA访问SRAM是,就得把DSP上相应的数据地址线置成高阻状态(即 把DSP隔离掉),否则会烧坏DSP芯片.隔离功能的实现是通过TI公司的双向数据传输芯片SN74A,,CH20T245(简称20T245)来实现的,其结构原理图如图3.28.图3.28DSP通过隔离器件与FPGA共同访问SRAMSN74AVCH20T245是一款20位的双向总线传输器,其功能图和真值表如下图 3.29.20T245有两个20位的双向数据端口A和B,数据在芯片内中的传输方向由控制信号OE和DIR决定.当OE=0时,芯片正常工作,若此时DIR=0,则端口B上的数据将被传输到端口A上;若此时DIR=1,则端口A上的数据将被传输到端 口B上.当OE=1,无论DIR为何止,芯片都不会传输数据,端口A和B将被置成高阻状态,整个芯片处于隔离状态.453非制冷红外热成像的小型化改进设计南京理工大学硕士学位论文荏l0 20 bits SN74AVCH20T245图3.29DIRIDirection20 bits0 120T245芯片功能图及真值表在原来的系统中SN74AVCH20T245芯片的OE和DIR信号由DSP来控制.当 DSP访问SRAM时,将20T245芯片的OE置成低电平&0&,使其正常工作,同时 DSP将发出信号给FPGA使其不再访问SRAM;当FPGA要访问SRAM时,FPGA 发出中断请求信号给DSP,DSP则将OE置成高电平&1&,交出对SRAM的访问权 限.由此可见原系统中DSP通过隔离器件来实现与FPGA共同访问外部SRAM,这样就涉及到了繁杂的访问权限的切换问题,同时也使整个PCB电路板的面积增大,不利于系统的小型化,新系统的改进中将把三片20T245芯片去掉,使DSP直 接通过FPGA来实现对外部SRAM的访问,这样在缩小系统体积方面有很大改进,非常有利于系统的小型化.图3.30DSP通过FPGA访问SRAM新设计的DSP通过FPGA来访问SRAM的原理图如图3.30.其原理很简单, 即在FPGA内部新建立一个模块,其功能就是仿照20T245的工作原理实现DSP对 SRAM的访问,由于该模块集成在FPGA内部,因此与使用20T245相比,省去了很多PCB版走线布局的问题,在控制信号产生和访问权限的切换方面更为方便. 该模块被继承到了最顶层配置模块中,其部分Verilog HDL代码描述如下://??'I?幸}?事枣木★++?乖幸枣}幸+幸幸毒幸宰宰幸????宰}?事宰幸宰宰奉幸+奉幸木奉木?// //★木掌枣木木Access SR.AM(0xx0043FFFF)枣宰木+幸毒// //木?木+幸+}|'奉毒幸奉木宰jI幸牛幸宰奉幸幸?}?'I}拳