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硬士论文非制冷红井成像系统阻像赶理及通信接口技术研究 摘要 非制冷红外成像系统，以其价格低、可靠性离、体积小、功耗低等优势在红外热 成像系统的发展中占据着重要地位。根据非制冷红外图像的特点，需要特定的图像算 法对其进行处理；在图像数据的采集上，需要有可靠、方便的通信接口来实现红外数 据的采集。本文主要对红外图像的算法进行了研究，对通信接口进行了探讨。 本文就“非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究”这一课题，从以下 的几个章节予以叙述。第一章介绍了红外成像技术的发展、现状、前景、国内外的差 距以及本论文所做的工作，比较了制冷型和非制冷型红外成像技术，讲述了非制冷型 红外成像技术的发展优势。第二章讲述了目前已经完成的非制冷红外成像系统，并对 信号采集模块、图像处理模块和显示模块予以较详细的介绍。第三章重点介绍了目前 系统的通信模块串口通信，介绍了串口通信上位机和下位机的程序设计，采集了 红外图像原始数据，并在红外图像原始数据的基础上进行非均匀校正、图像增强、盲 元补偿等算法的评估。第四章对c a n 总线和u s b 通信接口进行了探讨，设计了通信接 口的软件和硬件，并进行了仞步的软硬件调试。 关键字：红外成像系统，非均匀校正，图像增强，盲元补偿，c a n 总线， u s b 堡堡茎 芏塑堡垒竺塞堡墨竺望堡壁矍垄望堕堡里茎查竺塞 a b s t r a c t u n e n o l e di n f r a r e di m a g i n gs y s t e mt a k e sa l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f i n f r a r e di m a g i n gs y s t e mb e c a u s ei th a sa d v a n t a g ei nl o wp r i c e h i g hr e l i a b i l i t y , 蜘i i c u b a g ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft m e n o l e di n f r a r e d i m a g e , i tn c c d sp a r t i c u l a ri m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mt 0d e a lw i t h i nt h ec o l l e c t i o no f t h e i m a g ed a t a , i tn e e d sr e l i a b l e ，c o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et 0r e a l i z et h ec o l l c e t i o ft h eu n c o o l e di n f r a r e di m a g ed a t a t h i sp a p e ri sm a i n l yd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h e a l g o r i t h me v a l u a t i n go f i n f r a r e di m a g ea n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ， t h er i f l eo ft h i sp a p e ri st h ep r o c e s s i n go fu n c o o l e di n f r a r e di m a g ea n dt h er e s e a r c h o fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t , c u r r e n ts i t u a t i o n , p r o s p e c t , d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld i s p a r i t yo ft h ei n f r a r e di m a g i n gt e c h n o l o g ya n dt a s k s o ft h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h ec o o li n f r a r e di m a g et e c h n o l o g y , i ti so b v i o u so ft h e d e v e l o p m e n ta d v a n t a g eo fu n c o o l e di n f r a r e di m a g et e c h n o l o g y c h a p t e rt w oi n t r o d u c e s t h ef i n i s h e du n c o o l e di n f r a r e di m a g i n g s y s t e ma tp r e s e n t ，i n c l u d i n gt h eg a t h e r e dm o d u l eo f s i g n a l ，i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l e c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h eu r a t c o m m u n i c a t i o n , i n c l u d i n gt h ec o l l e c t i n go ft h eu n c o o l e di n f r a r e di m a g ed a t aa n dt h e a l g o r i t h me v a l u a t i n go fn o n - u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n 、i m a g ee n h a n c e m e n t 、b l i n dp i x e l s c o m p e n s a t i o n c h a r p e rf o u ri n t r o d u c e st h ep o p u l a rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ：c a nb u s a n du s b i ti n c l u d e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e s d e s i g n i n go ft h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，a n dt h ep r e l i m i n a r yd e b u g g i n g k e y w o r d s ：i n f r a r e di m a g i n gs y s t e m ，n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n ，i m a g e e n h a n c e m e n t ，b l i n dp i x e l sc o m p e n s a t i o n ，c a nb u s ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s n 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：盈! 拯蓝a f 年d 月玩目 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：一磊l 这蓝 。g 年f 月“日 硕士论文 非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 1 绪论 红外热成像技术实际发展于二十世纪二十年代末期，由于其自身的特点和作用， 已经引起了世界各国的高度重视，是当今世界各国高技术领域发展的热点。冷战结束 后，美军进行了全球战略调整，对未来战争提出了七种作战能力，其中前两种都与红 外热成像技术密切相关现在，发达国家的陆，海空武器系统中，红外系统已经 是不可缺少的，甚至是主要的传感器。红外技术的发展主要以红外探测器的发展为核 心，军事技术的需要和工艺水平的提高不断推动红外探测器的向前发展。到目前为止， 红外探测器已经发展到了第三代，其中的典型代表是灵巧的红外焦平面阵列 ( i r f p a ) 。本章介绍红外成像技术的发展、现状，应用及本论文所做的工作。 1 1 红外成像技术的发展概况 红外成像主要是一个红外探测的过程，是通过红外探测器将不可见的红外辐射转 换为可见或可测量信号的过程。红外探测器主要有采用制冷方式低温工作红外探测器 和非制冷室温工作的红外探测器。以下分别介绍制冷型红外热成像技术的发展概况和 非制冷型红外热成像技术的发展概况。 1 1 1 制冷型红外热成像技术的发展概况 从1 9 5 8 年英国的l a w s o n 研制出h 工d t c 探测器以后，1 9 6 4 年出现了第一台实时 显示的军用热成像仪o 。2 0 世纪7 0 年代美国完成了热成像系统通用组件计划。相继 英国、法国等也研制了使用通用组件的热像仪，各国通用组件略有不同，其中以美国 的第一代热成像仪通用组件技术的影响最大。西方国家生产的第一代热成像仪产品总 数大约有1 0 万台之多。我国于9 0 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，打破了技术封锁。1 。 目前，国外制冷型红外热成像技术从第一代已经发展到了第三代。第二代红外热 成像系统已经开始装备部队，并逐步取代第一代热成像系统。第二代红外热成像系统 主要使用i i v i 族的h g c d t 。三元化合扬，广泛地用于l 3pm ，3 5 i tm ，8 1 4l im 波段的红外探测“1 。 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： ( 1 ) 探测器元数大为增加； ( 2 ) 有一定信号处理功能的大规模集成电路，简单的光机扫描或无扫描机构； ( 3 ) 在与第一代热像仪大致相同的条件下，作用距离是第一代的1 5 至2 倍， l 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 温度灵敏度在5 0 m k 左右，工作波段可以为长波和中波波段”1 。 为了提高红外热成像系统在作战时的明显优势，提高抗伪装、抗尘埃和烟雾的能 力，发现可探测性低并经过伪装的目标，目前，世界上正在开发第三代热成像技术。 第三代热成像要求探测和识别复杂背景中隐蔽目标的能力提高5 0 ，提高帧速；并要 求系统更轻、更小、零件更少、功耗和成本更低；作用距离是第二代的2 倍，对坦克 的识别距离将达l o k m 左右，并且具有强大的信号处理功能。 第三代热成像技术主要的探测器材料为 l ，i 。s b 和q w i p ( 量子阱) 等。由于制 冷型红外探测器材料昂贵，探测器的成品率很低，导致了制冷型红外热成像系统的价 格的昂贵，另外，制冷型红外热成像系统需要一套制冷设备，增加了系统成本，降低 了系统的可靠性。制冷系统一直是制冷型热成像系统可靠性最差的部件。另外，制冷 型系统的功耗大，重量约为非制冷系统的3 4 倍，难以实现小型化。这些都限制了 制冷型红外热成像系统的广泛应用隔“。 1 1 2 非制冷型红外热成像技术的发展概况 非制冷型红外热成像系统省去了复杂的光机扫描和电子扫描系统以及价格昂贵 的制冷系统，使其具有价格低、体积小、功耗低、性能可靠、操作方便等诸多优点。 成为当今世界高技术领域发展的热点之一。 非制冷型阵列技术最早开始于二十世纪八十年代，美国军队夜视实验室首先意识 到低成本、轻重量的重要性，联合了d a p r a ( d e f e n s ea d v a n c e dp r o j e c ta g e n c y ) 奠基了铁电材料以及电阻型阵列的发展方向。 非制冷成像阵列基本上可以分为两类： ( 1 ) 铁电一热电辐射热探测器； ( 2 ) 电阻型微测辐射热计，其材料具有很大的电阻温度系数。 美国从8 0 年代初开始设计和发展非制冷红外技术，生产出一系列以氧化矾微测 辐射热计为基础的非制冷红外焦平面阵列，包括中心距为4 6um 的1 6 0 x1 2 0 、3 2 0 x 2 4 0 阵列和中心距为2 8 um 的3 2 0 2 4 0 、6 4 0 4 8 0 阵列。中心距为4 6 l a m 的3 2 0 2 4 0 非制冷焦平面阵列，是具有高的灵敏度、宽动态范围和短的热时间常数，透射率为 7 4 、6 0 h z 、f o 8 的系统，使用焦平面阵列时的瞬时噪声等效温差，在偏压为1 7 5 v 时小于2 6 m k 。中心距为2 6 um 的6 4 0 x 4 8 0 阵列是一种高分辨率非制冷焦平面阵列。 以这种阵列为基础，制造并演示了红外熟像仪。该热像仪具有一个先进的6 4 0 x 4 8 0 成像电子系统。电子系统仅需要6 w 的功率，可完成增益、精细偏置和偏置粗略修正， 并提供视频信号电平的自动电平和增益调节能力。热像仪帧频3 0 h z ，场频6 0 h z ，能 提供黑白、彩色、数字或复合隔行扫描视频输出。读出集成电路能以6 0 h z 的帧速工 作。测量的6 4 0 x 4 8 0 焦平面阵列的可使用率大于9 0 。采用6 4 0 x 4 8 0 焦平面阵列的 2 硕士论文 非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 热像仪，噪声等效温差小于1 5 0 m k ( f 1 ，3 0 h z ) ，可以探测到3 9 0 0 m 处的行人；采用 3 2 0 x 2 4 0 焦平面阵列的、噪声等效温差为1 1 3 m k 的热像仪，仅能探测到2 3 5 0 m 处的 行人m 。 在国防部基金资助下，法国c e a l e t i 公司于1 9 9 2 年开始了基于非晶硅微测辐射 热计技术的非制冷红外焦平面的研究。近年来，其生产企业s o f r a d i r 公司及后来的 u l i s 公司不断将其产品推向货架，主要有像素尺寸为4 5 肛m 的1 6 0 x 1 2 0 、3 2 0 x 2 4 0 阵列和像素尺寸为3 5 m 的1 6 0 x 1 2 0 、3 2 0 x 2 4 0 阵列。像素尺寸为4 5 l l m 的3 2 0 x 2 4 0 红外焦平面阵列n e t d 可达8 5 m k 。2 0 0 1 年，u l i s 公司公布了像素尺寸缩小为3 5l am 的3 2 0 x 2 4 0 红外焦平面阵列，其n e t d 为3 5 i n k 。2 0 0 5 年，u l i s 公司也推出了6 4 0 4 8 0 红外焦平面阵列。采用非晶硅设计红外焦平面阵列的优点是与基于硅材料c m o s 技术 相兼容，有利于读出电路及其他复杂信号处理电路的集成，也有利于降低探测器的生 产成本m 1 。 我国开展非制冷红外热成像技术研究比发达国家起步晚。2 0 0 0 年，上海技术物理 研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目通过中国科学院上海分院鉴定。该项目 采用新工艺制各的铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。2 0 0 4 年。国内非制冷红外 探测器技术实现了零的突破，昆明物理研究所采用锆钛酸铅( p z t ) 材料研制成功阵列 规模为1 2 8 x 1 2 8 ，像素中心尺寸为l o o p 口n 的热释电非制冷焦平面探测器，其探测率( d ) 达到l 1 0 8 c m l - l z o5 w 一。2 0 0 2 年，中国科学院上海技术物理研究所报道了其研制的非 制冷红外热像仪。该仪器由3 2 0 x 2 4 0 电阻型焦平面列阵探测器、长波红外透镜、d s p 处理器、嵌入式p c 机以及液晶显示器等组成，其光谱范围为8 - 1 4 1 a n ，视场为 6 0 。x1 2 0 。，帧频为3 0 h z ，噪声等效温度为0 1 k 。整个仪器系统由嵌入式p c 机控制， 可实现单色和伪彩色、温度分析与显示以及现场记录等功能嘲。 近几年，国内从事红外热成像系统研发的单位也在逐渐增加，主要有武汉高德、 广州飒特、浙江大立等，其产品主要应用在民用和商业上。尽管如此，与西方发达国 家技术水平相比，我国在红外热成像技术方面的差距仍然很大，尤其是在焦平面器件 的研制方面，目前还没有高性能非制冷红外焦平面阵列的有关报道。 1 2 非制冷红外热成像技术发展优势和应用前景 由于非制冷红外热成像技术的种种优势，非制冷红外热成像技术在近年来得到飞 速发展，其主要发展优势表现在： ( 1 ) 非制冷热成像系统具有较高的可靠性。低温制冷系统和复杂扫描装置常常 是红外系统的故障源，非制冷热成像系统可以工作在常温下，省去了复杂的制冷系统， 另外，非制冷热成像系统采用大面阵的焦平面阵列，无需扫描装置，因此非制冷热成 像系统与制冷型热成像系统相比，可靠性大大提高； 3 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 ( 2 ) 非制冷热成像系统的价格低。低温制冷系统和扫描装置是制冷型热成像系 统价格昂贵的两个主要因素之一，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低的另一个主要原因就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。首先是制冷型探测器的材料生产困难，大面阵的材料 就更是困难；其次，制冷型探测器的制备工艺复杂，成品率很低，因此造成制冷型探 测器的价格一直居高不下。这也给制冷型热成像系统进入民用市场带来困难。而非制 冷探测器无论在材料和制备工艺上都比制冷型廉价，因而也要比制冷型热成像系统具 有更广阔的市场空间； ( 3 ) 非制冷热成像系统体积小、重量轻、功耗低。可以应用到便携式装备上汹。 制冷型热成像系统由于需要制冷系统，限制了其在便携式装备的应用。 非制冷热成像系统的不足之处是：在灵敏度和响应速度上不如制冷型红外探测 器。但是非制冷热成像系统在价格、可靠性、体积、功耗等方面优势大大扩展了非制 冷热成像系统的使用范围，在军事和民用方面都得到了广泛的应用。 在军事上得到了日益广泛的应用。与第一代成像系统相比较，红外成像系统的结 构大大简化，提高了可靠性、分辨率和探测灵敏度，并降低了造价。采用红外焦平面 阵列的红外侦察系统能在远距离和恶劣气候条件下有效地探测和跟踪目标：具有红外 焦平面阵列的红外成像导弹能够有效地对抗光电干扰，自动识别目标并能选择命中 点。非制冷热成像系统特别适合陆军的轻武器使用，作为单兵侦查、夜间驾驶、轻武 器瞄具等。截止到2 0 0 3 年9 月，r a y t h e o n 已经向美国陆军交付1 0 0 0 0 只武器热瞄具， 包括轻、中和重型武器热瞄具，其中以轻型武器热瞄具装备的武器有m 1 6 、m 4 、 4 2 0 3 和m 1 3 6 等，可以探测并识别2 0 0 米以外的行人“”。 a n v a s 一5 型驾驶员影像增强器( d v e ) 是战斗和战术轮式车辆驾驶员使用的一种 被动非制冷热成像系统。能使车辆在昼夜和存在人工遮蔽物( 如烟、雾或尘) 情况下 连续工作。d v e 传感器信号输出至平板液晶显示器，视频图像通过与数字化战场相连 的可用数据通道还可与其它车辆操作人员共享。1 9 9 5 年1 0 月，d v e 被指定为一种陆 军水平技术集成( h t i ) 项目，适应任何当前或未来美国或北约的战斗及战术轮式车 辆。 在商业和民用方面，可以用于工业、医学、交通、公安、消防、海关等，这是制 冷型热成像系统因为其高昂的价格目前无法打入的市场。尤其在2 0 0 3 年春的防非典 过程中，用于红外测温仪的非制冷热成像系统发挥了巨大作用。非制冷热成像系统的 在商业和民用方面的需求量也在逐年增加。 1 3 国内、外非制冷热成像技术发展差距与战略对策 近年来，我国红外成像技术取得了长足的进步，由于我国起步晚，与国外比还有 4 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 很大的差距，应该说我国的红外热成像技术仍处于初级阶段，一代红外热成像在技术 上虽已取得突破，但在装备上仍很少，二代红外热成像装备基本上还处于空白阶段。 从总体上看，我国红外热成像技术要比国外落后1 5 2 0 年“”。 另一方面，西方国家对我国进行严密的技术封锁。美国出口管理法明令规定， 禁止向中国出口任何可能用于军事目的的产品和技术。依据欧盟对华军售禁令，任何 盟国不得向中国出口军事产品和军事技术。而西方国家内部军事产品和军事技术交流 频繁。例如美国批准h o n e y w e l l 公司将其基于v o x 的非制冷红外探测器技术转让给日 本n e c 公司和加拿大i n o 公司，美国i c c 公司获得了澳大利亚国防部的授权，引进了 基于非晶硅的非制冷红外探测器技术“”。目前可以出口我国的红外成像器件主要是法 国u l i s 公司的1 6 0 x 1 2 0 和3 2 0 x 2 4 0 的非制冷红外焦平面阵列，其n e t d 小于1 2 0 m k ， 在欧盟它属于商业级产品。 因此，大力发展新一代红外热成像技术成为目前刻不容缓的事情。根据我国目前 非制冷红外热像仪的发展水平，首先要立足自我，加强基础理论研究，研制两种类型 的非制冷红外焦平面探测器： 一、发展高性能的非制冷红外焦平面阵列，主要用于满足军事装备的需要。其性 能要求； ( 1 ) 相同性能条件下进一步减小像素的尺寸； ( 2 ) 响应时间短，满足目标搜索的需要； ( 3 ) 低功耗； ( 4 )高分辨率； ( 5 ) 发展大阵列； ( 6 ) 进一步缩小系统体积。 二、发展低成本的非制冷焦平面阵列，适用于对分辨率要求不太高的场合，主要 市场在民用领域。其性能要求： ( 1 ) 提高探测器的灵敏度，采用新的光学材料； ( 2 ) 发展小阵列； ( 3 ) 电子学部分易于操作； 其次，在引进国外先进的非制冷焦平面阵列的基础上，发挥我国信息技术和微电 子技术发展的优势，研制新一代非制冷热成像系统，满足目前我国在非制冷热成像系 统上的需求。 1 4 本文研究背景和主要内容 非制冷红外热成像系统的研究对国防建设和民间应用都有着非常重要的意义。国 外已经做到了非致冷红外图像系统的小型化，并很好地实现了商业化，在性能上已经 ， 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 取得很好的效果。国内在非致冷红外成像技术方面也展开了研究。并取得的一定的成 果。这种情况下，本教研室与xx 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，实现小型化非制冷热成像系统的研制。到目前为止，已经完成了非制冷红外 图像处理的整机设计，为了进一步改进系统的性能，本人进一步对红外图像处理算法 进行了研究、对通信接口进行了改进，设计了非制冷红外成像系统的图像算法评估系 统，同时设计了不同的通信接口以满足不同的需要。本论文即是以此项目作为研究背 景的。 本论文的主要任务是： ( 1 ) 查阅，收集资料，分析红外图像的特点及其产生原因，比较论证了各种红 外图像处理算法，寻找合适的算法以实现实时处理红外图像。 ( 2 ) 设计串口通信与p c 机进行通信，采集非制冷红外图像数据，并在采集到的 原始图像数据的基础上进行非均匀校正、图像增强、盲元补偿等算法的评估； ( 3 ) 对c a n 总线进行了探讨，设计了d s p 与c a n 总线的通信接口，完成了电路 板的设计，并进行了初步的软硬件调试； ( 4 ) 对u s b 进行了探讨，设计了d s p 与u s b 的通信接口，完成了电路板的设计， 并进行了初步的软硬件调试。 6 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 2 非制冷红外成像系统 本系统由信号采集模块、图像处理模块、通信模块和显示模块四部分组成。信 号采集模块包括红外焦平面阵列、温度稳定电路、驱动电路和a d 数据转换；图像处 理模块主要是基于f p g a + d s p 的图像处理结构；通信模块主要涉及的是通信接口。显 示模块包括d a 数据转换和监视器。非制冷红外成像系统框图如图2 1 ： 图2 ，i 非制冷红外成像系统框图 整个系统按照工作状态可以分为标定状态和实时处理状态。 ( 1 ) 标定状态 由于图像处理算法的需要，首先必须采集高温黑体和低温黑体的图像数据，利 用d s p 计算非均匀校正系数以及图像算法的其他一些参数。 标定状态的工作过程：首先对低温均匀黑体进行数据采集。信号采集模块采集 图像信号，非制冷红外焦平面阵列首先将黑体的红外图像转化成模拟电信号，然后 a d 将模拟电信号转换成数字信号，并将数据送往f p g a ，f p g a 将数据送往s r a m 保存 起来，满一帧后采集结束。然后对高温均匀黑体进行数据采集，同样地将采集到的高 温黑体数据送往s r a m ，采集满一帧后结束。最后f p g a 通知d s p ，数据采集结束。d s p 开始计算非均匀校正系数以及其他的一些图像算法参数，并存入片外f l a s h 内，同时 可以通过通信模块与p c 机进行通信，将图像数据传到p c 上。 ( 2 ) 实时处理状态 实时处理状态是系统对采集的实时图像数据进行一系列的图像处理，最后完成 视频合成。具体步骤如下： ( a ) 系统上电后，d s p 从片外f l a s h 中载入程序，载入完毕后d s p 程序开始执 7 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 行，将预先存储在f l a s h 中的数据( 非均匀校正系数以及其他一些原始数据) 复制到 d s p 和f p g a 公共的s 戳d v 中，然后通知f p g a 初始数据加载结束，系统初始化已完成， 并将控制权给f p g ； ( b ) 系统正常工作时，将i r f p 传入的模拟电信号送到a d 中，经过的a d 的 采样，形成图像数字信号和视频信号，送入到f p g a 中： ( c ) f p g a 对图像进行各种算法处理后，将图像数据和视频控制信号送入d a 中， 经过视频合成转换成标准的视频模拟信号，最终通过监视器显示出来。 非制冷红外成像系统实物图如图2 2 ，其中主要由图像处理板和焦平面构成。 图2 2 红外图像处理系统实物图 下面分别介绍系统的各个功能模块，包括信号采集模块、图像处理模块和显示 模块。通信模块将在下一章节予以详细的介绍。 2 1 信号采集模块 信号采集模块主要由红外焦平面阵列、温度稳定电路、驱动电路和a d 数据转 换几部分组成，主要功能是将焦平面输出的模拟电信号转换成数字信号。 非制冷红外焦平面阵列必须有温度稳定电路、驱动电路才能正常稳定的工作， 完成将景物的红外图像转换成模拟电信号，然后a d 将模拟电信号转换成数字信号， 以供后续电路进行信号处理。根据t l f p a 的工作要求( 主时钟为5 6 2 5 m t t z ，动态范围 是7 0 d b ) ，系统选取了a n a l o gd e v i c e 公司的高速a d 9 2 4 0 。它的特点如下： ( 1 ) 单片集成1 4 位的1 0 m s p sa d 转换器； ( 2 ) 超低功耗：2 8 5 m w ； ( 3 ) 单+ 5 v 供电； ( 4 ) 溢出标志指示； ( 5 ) 无失真动态范围：9 0 d b ； s 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 ( 6 ) 片上集成s h 运放和电源参考。 如图2 1 1 所示为a d 信号采集电路。 图2 1 1a d 数据采集电路 选取a d 9 2 4 0 的原因如下： ( 1 ) 由于主时钟为5 5 m h z ，因此必须选择采样频率能够高于5 5 m h z 的 d 转 换器，a d 9 2 4 0 的最大采样频率为i o m h z ，满足系统的要求； ( 2 ) a d 9 2 4 0 具有十四位的采样精度，最小采样分辨率为5 2 “v ，即0 3 0 5 m y ，满 足系统的要求； ( 3 ) 具有采样率与功率消耗可编程管脚足。，能够更好的控制采样频率与功率 消耗这一对矛盾，其关系如图2 1 2 所示。由于本系统采样率为5 5 m h z ，考虑最小 功耗等因素，选取偏置电阻r 鲥s 为l o k t l 1 0 o i 、k 1 。辛 一 _ m i搿溶。 i髓 l | l ，撼 | | - - i - 懒 。| | il | i i 。， a i lil ii 。 - 一一 _ _ _ 畦一 乏 一 _ ，_ 一 一一 薤 一 - _ j ，_ 一 臻 杆 图2 1 2a 1 ) 9 2 4 0 采样频率与功率消耗关系图 9 磺士论文 非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 焦平面的输出信号如图2 1 3 所示，输出信号s o r t i e 在0 4 v s o r t i e 在标定状态下，完成非均匀性校正系数的计算，把校正系数存入片外f l a s h 芯片中，同时控制通信模块，与p c 机进行通讯，采集红外图像数据，实现红外图像 算法的评估： ( 2 ) 在实时处理状态下，系统上电时将f l a s h 芯片中的非均匀校正系数以及其 他一些原始数据加载到s r a m 中，使得f p g a 能够实现实时的图像处理算法： 在d s p 硬件设计时，应注意以下几部分： ( i ) t m s 3 2 0 v c 3 3 的工作模式选择： ( 2 ) t m s 3 2 0 v c 3 3 的中断触发和对输入信号的限制； ( 3 ) t m s 3 2 0 v c 3 3 系统时钟的处理。 2 2 1 1 1 m $ 3 2 0 v c 3 3 的工作模式选择 t m s 3 2 0 v c 3 3 可以运行在两种工作模式下，微机模式( m c b l ) 和微处理器模式( 卿) ， 在微机模式( m c b l ) 下，在系统上电时，能从外部f l a s h 或串口中自动加载程序，使系 统能够脱离仿真器运行。在不同模式下，所对应的地址映射( m a p ) 表是不同的，图 2 2 1 i 1 为处理器两种不同模式下的地址映射表汹1 ( a ) 做处理器懊式( 肝) ( b ) 徽计算机馕式( i c b l ) 圈2 2 1 1 in i s 3 2 0 v c 3 3 的地址映射表 考虑到系统的调试方便，在m c b u 丽i 管脚外加个跳线。在用仿真器进行调试 1 2 颈士论文 非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 的时候采用微处理器( m p ) 模式，在系统脱机运行时采用微计算机( m c b l ) 模式。 2 2 1 2t 蹒3 2 0 v c 3 3 的中断 t i 的t m s 3 2 0 c 3 x 的中断管脚i n t x 是一个同步输入端，在一个时钟周期的任何时 候都可以被确认，这些中断可选作电平触发或边缘触发，通过e d g e m o d e 管脚来选择。 中断在h 1 的下降沿被检测。因此中断必须在h l 的下降沿前建立并保持，以便得到正 确的检测。c p u 在取指令阶段响应中断。本系统采用的是边缘触发，此时，管脚 e d g e m o d e 端必须置为“1 ”，n t 0 一刷丁3 管脚在时钟h 3 下降沿进行同步逻辑检测。 此时对于中断输入脉冲，高、低电平必须大于或等于2 个c p u 的时钟周期。图 2 2 1 2 i 为d s p 内部的边沿触发模式和内部中断标志电路结构协1 。 图2 2 1 2 1d s p 边沿触发模式和内部中断标志电路结构 2 2 1 3t m s 3 2 0 v c 3 3 的系统时钟 系统时钟是整个系统运行的基准。根据不同的应用场合，t m s 3 2 0 v c 3 3 提供两种 时钟产生模式：外部输入时钟和内部时钟，这里采用的是由一个1 5 m h z 的3 3 v 有源 晶振提供外部时钟输入。设计上必须考虑以下几点： ( 1 ) 晶振时钟输出端应距d s p 的时钟输入线尽量短； ( 2 ) 在输入时钟中串接匹配电阻； ( 3 ) 晶振底部铺地，以减少干扰； ( 4 ) 时钟输入必须进行屏蔽包地处理，减少外部干扰； ( 5 ) 由于t m s 3 2 0 v c 3 3 内带锁相环，在使用中必须在c l k i v 0 ，c l k m l 端接1 8 v 的外部电源。c l k m 0 和c l k m l 管脚设置如表2 2 1 3 i 所示嘲1 。 嘴 熏 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 a j a 缸c u 1f e 目3 日a c kp u ，w rr n on a l l 蛋 00 0 斤o 厅 if 嘶t 衄：w 可l 口w 口 f 0lo m o 疗 i 20 5 c m 呦d a 曲k d l d o n o 斤 l o s c i l l a m r 出l e d ll o n o nj 1 0 越 l j g vp 【工p 口霄酣o 贸m 乱w 吼曲1 e d 表2 2 1 3 id s p 时钟选择模式 以上几个方面在d s p 的设计中是需要特别加以考虑的。另外在t m s 3 2 0 v c 3 3 中 有一个支持j t a g 仿真功能的仿真口，支持在线仿真。仿真口的抗干扰能力也是非常 重要的，在设计中需要设置上拉电阻，以提高其抗干扰能力。 2 2 2f p g a 功能设计 2 2 2 1f p g a 概述 f p g a ( f i e l dp r o g r a j m m b l eg a t ea r r a y ) ，全称现场可编程逻辑门阵列，一般可 以分为三部分：可编程逻辑模块、可编程i o 模块和可编程内部连线。f p g a 的产品 一般可以分为两种类型： ( 1 ) 基于乘积项( p r o d u c tt e r m ) 技术，用e 2 p r o m 或f l a s ht 艺制造，多用于 5 0 0 0 门以下的小规模设计； ( 2 ) 基于查找表( l o o ku pt a b l e ) 技术，用s r a m ( 静态存储器) 工艺制造，密 度高，触发器多，多用于1 0 0 0 0 门以上的大规模设计。 在电路中f p g a 的硬件设计相对简单，由于s r a m 工艺的特点，掉电后s r a m 内的 数据消失，因此在调试期间可以用下载电缆通过j t a g 口来配置f p g a ，调试完成后， 需要将数据固化在一个e 2 p r o m 中，上电时先由e e p r o m 对f p g a 加载数据，十几毫秒 后，f p g a 才可以正常工作。 本论文使用的是a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a ，c y c l o n e 系列的f p g a 的特点 如下四】： ( 1 ) 具有2 , 9 1 0 至2 0 0 6 0 个逻辑单元 ( 2 ) 具有至多2 9 4 ，9 1 2 位r a m ； ( 3 ) 支持使用低成本串口配置器件对f p g a 进行配置； ( 4 ) 支持l 、，r 几、l v c m o s ，s s t l - 2 和s s t l - 3i o 标准； ( 5 ) 支持6 6 m h z 3 2 位p c i 标准； ( 6 ) 支持高速( 6 4 0m b p s ) l v d si o ； ( 7 ) 支持低速( 3 1 1m b p s ) l v d sv o ； ( 8 ) 支持3 1 1 - m b p s r s d si o ； ( 9 ) 支持单个器件最多2 个p l l ( 锁相环) ，提供倍频和相位移动； 1 4 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 ( 1 0 ) 支持最多8 个全局时钟，每个逻辑阵列块( l a b ) 拥有六个时钟资源； ( u ) 支持外部存储。包括d d r s d r a m ( 1 3 3m h z ) 、f c r a m 和s d r a m ： ( 1 2 ) 支持多种i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 内核，包括：a l t e r am e g a c o r ef u n c t i o n s a n da l t e r am e g a f u n c t i o n sp a r t n e r sp r o g r a m ps m ) m e g a f u n c t i o n s 。 a l t e r a 的c y c l o n e t m 系列f p g a 内部有两个锁相环( p l l ) ，可以提供强大的时钟管 理电路。 2 2 2 2 系统f p g a 的功能 f p g a 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、时序管理 等功能，并且为a d 、d a 以及红外焦平面阵列( i r f p a ) 提供时钟信号；如图2 2 2 2 1 为f p g a 内部逻辑功能结构。 外部存惜器d 黯 t | |t| | 直方图统计辟 刊逻辑f 懒 i a d b - l 信号烛沏线p叫视频制 _ - , 4 d a l1l i 时钟 ll 时钟系统 f p g a 图2 2 2 2 1f p g a 内部逻辑功能结构 f p g a 内部的时钟系统为f p g a 自身以及a d 、d a 和i r f p a 提供时钟信号。 基于流水线结构的信号处理模块不仅要执行非均匀性校正、盲元补偿和自动增益 控制等三种实时处理功能。还要可以在d s p 发出的采样脉冲信号的控制下，把来自于 a d 的原始图像数据存储到s r a m 内，其中的系数加载模块实现了对s r a m 的访问管理， 它可以在实时处理模式下把校正系数从s r a m 内读取过来，也可以在标定模式下把原 始图像数据写入到s r a m 内。 d s p 与f p g a 之间握手信号的产生、中断信号的扩展、地址空间的映射、键盘信号 的传递都是由逻辑仲裁模块管理的。s r a m 是d s p 和f p g a 的共享资源，它们均会对s r a m 进行访问，因此需要加以管理和协调，避免访问权的冲突。 自适应图像增强算法的增益控制系数k 和磊是通过红外图像的直方图获得的。在 图像信号输出期间，直方图统计模块对输出的每个像素数据进行统计，获得一帧红外 图像的直方图；当每帧的统计结束以后，直方图统计模块会向d s p 发出中断，d s p 根 据这些数据进行处理，计算出自动增益控制系数k 和石。直方图统计的实现原理如图 2 2 2 2 2 所示。 硕士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 图2 2 2 2 2 直方图统计原理图 经过数字信号处理以后的图像数据不满足标准视频的数据格式。视频合成的作用 就是把这些图像数据转化为标准视频数据，按照标准视频的时序要求送往d a ，d a 将数字信号转化为模拟视频信号，供显示使用。 2 3 显示模块 显示模块主要包括d a 数据转换和监视器，主要由d a 数据转换芯片来完成。在 图像处理模块完成非均匀校正、图像增强、盲元补偿等算法后，f p g a 视频合成模块 将信号送入d a 数据转换芯片中，生成标准视频信号，再送入到监视器将图像显示出 来。d a 数据转换的主要功能：数字视频信号经过d a 转换成模拟视频信号以后，再 叠加上同步信号和消隐信号，最终输出标准的模拟视频信号。 视频合成的原理如图2 3 1 所示： 十钕教弘税撅依蟹 _ 雌呤 c l o c k _ - - - - - _ - _ 同步傣哆 消琵儒哆 耘准说频傣咯 d a 图2 3 1 视频合成原理图 从d 的转换速度和分辨率( 即转换位数) 出发，考虑系统所要实现的数模转换 要求( 转换速度、精度) 来选择d a 芯片，当然d a 要具有视频合成的功能。因此选 择a n a l o g 公司的三通道高速视频转换芯片d a c - - a d v 7 1 2 3 。a d v 7 1 2 3 的主要特点是1 ： ( 1 ) 集成了三路高速d a 转换器： ( 2 ) 具有3 3 0 m 的数据吞吐量、8 0 m h z 的流水线； ( 3 ) c o m s 结构，1 0 b i t s 数据宽度( 精度) ； 1 6 碗士论文非制冷红外成像系统图像处理及通信接口技术研究 ( 4 ) 采用单3 3 v 或5 v 电压供电： ( 5 ) 标准的t t l 数据输入和高阻的模拟输出电流源； ( 6 ) 输出格式为互补形式，与r s 一3 4 3 r s 一1 7 0 兼容； ( 7 ) 外有视频控制信号复合同步j ，丙已和复合消隐面：i 丙i ； ( 8 ) 采用的封装是l q f p ，便于系统小型化。 a d v 7 1 2 3 的功能模块如图2 3 2 所示： i n a lb l d c 整d i g r a m m o 一 瞒 亿e l