基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖龍龍，劉 昆，韓大鵬

（國(guó)防科技大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖龍龍，劉 昆，韓大鵬

（國(guó)防科技大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星紅外成像工作環(huán)境的溫度要求，選取了非制冷長(zhǎng)波紅外焦平面陣列探測(cè)器——UL 03 16 2，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。硬件電路采用了模擬電路和數(shù)字電路分離設(shè)計(jì)方案，以減小電路噪聲對(duì)紅外圖像的影響。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，以內(nèi)嵌MircoBlaze微處理器FPGA為主處理器，通過編程實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的獲取、處理和輸出以及整個(gè)系統(tǒng)各模塊的綜合管理，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。

紅外焦平面陣列；成像系統(tǒng)；FPGA；圖像處理

采用內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星方式測(cè)量大地重力場(chǎng)，需要在內(nèi)衛(wèi)星所受非保守力引起的擾動(dòng)加速度小于 1×10-11m2/s的情況下測(cè)量?jī)?nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)位置[1]，利用非接觸可見光測(cè)量帶來的光壓擾動(dòng)在 4×10-10m2/s左右，已超出了非保守力的干擾要求范圍。通過分析得出，利用內(nèi)衛(wèi)星表面和外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外發(fā)射率不同，采用三臺(tái)固定于外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外相機(jī)對(duì)內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行拍攝，可解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)位置。

由于內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星的特殊性，要求該星載紅外相機(jī)的體積、質(zhì)量、功耗都很小。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的商業(yè)紅外相機(jī)很難達(dá)到上述要求，且無法滿足航天要求。而制冷型相機(jī)需要冷卻裝置將探測(cè)器冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟?，這增加了整個(gè)系統(tǒng)的功耗和復(fù)雜度。因此，研制一種小型星載非制冷紅外相機(jī)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星有效載荷需要首先解決的問題?；谏鲜鲂枨?，本文通過分析內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星的紅外成像環(huán)境，選用了合適的長(zhǎng)紅外焦平面陣列探測(cè)器，對(duì)非制冷紅外相機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用FPGA實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦平面陣列探測(cè)器芯片正常工作所需各種信號(hào)的控制和圖像預(yù)處理算法以及整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理。

1 非制冷紅外成像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的非制冷紅外成像系統(tǒng)主要由光學(xué)鏡頭、非制冷紅外焦平面陣列、控制電路、圖像處理和輸出電路組成，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。紅外目標(biāo)光線經(jīng)過紅外光學(xué)鏡頭聚焦在CCD探測(cè)器上，模擬電路部分提供 CCD工作的基準(zhǔn)電壓，CCD探測(cè)器在數(shù)字電路部分提供的掃描時(shí)序驅(qū)動(dòng)下以模擬電壓的方式逐行輸出每一像素點(diǎn)的灰度值。該模擬電壓信號(hào)經(jīng)過高精度A/D采樣后生成數(shù)字圖像信號(hào)送入數(shù)字電路部分。數(shù)字電路部分實(shí)時(shí)完成各種圖像處理任務(wù)，并輸出處理后的圖像數(shù)據(jù)供PC機(jī)作后續(xù)處理或在電視機(jī)屏幕上顯示。

考慮到電路噪聲對(duì)紅外圖像信號(hào)的影響，本系統(tǒng)采用了數(shù)字電路和模擬電路分離設(shè)計(jì)思想，將數(shù)字電路和模擬電路設(shè)計(jì)在不同的電路板上，通過排針直接相連。它們之間只有數(shù)字信號(hào)的交互，這樣既可以減小數(shù)?；旌想娐返南嗷ジ蓴_性，也可以降低信號(hào)在傳輸線上的噪聲影響。模擬電路部分主要采用各類電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD探測(cè)器基準(zhǔn)電壓的設(shè)置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器輸出模擬圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及處理后模擬圖像信號(hào)的輸出。數(shù)字電路部分以內(nèi)嵌MicroBlaze 32位微處理器軟核的 FPGA為主處理器[2]，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括CCD探測(cè)器時(shí)序生成、圖像處理算法、處理后的數(shù)字圖像信號(hào)輸出以及整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理等[3]。 （ROIC）。

根據(jù)探測(cè)器芯片資料，探測(cè)器正常工作所需的電源和各項(xiàng)偏置電壓參數(shù)要求如表1所示。

表1 探測(cè)器電壓信號(hào)一覽表

2 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 CCD探測(cè)器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的紅外成像環(huán)境溫度（300 K）和黑體維恩位移定律，可得到紅外光譜輻照度的峰值波長(zhǎng)為9.66 μm，處于長(zhǎng)波紅外波段，因此可以選用典型波長(zhǎng)為8 μm～14 μm的紅外焦平面陣列探測(cè)器。在波長(zhǎng)范圍確定的情況下，綜合考慮航天運(yùn)用上高可靠性、低功耗、低噪聲和小型化等方面的要求，選取了ULIS公司生產(chǎn)的UL 03 16 2非制冷型長(zhǎng)紅外微型測(cè)輻射熱儀[4]。與之相匹配的紅外鏡頭委托相關(guān)公司設(shè)計(jì)了視場(chǎng)角120°、焦距3 mm、光圈F數(shù)為1的廣角鏡頭。UL 03 16 2微型測(cè)輻射熱儀焦平面陣列包含兩部分：由384×288個(gè)單元組成，采用多晶硅工藝制作的電阻型兩維探測(cè)陣列；連接到探測(cè)器陣列的硅工藝讀出集成電路

由表1可知，VDDA和VDDL為供電電源，選用了轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好的LT1086-5.0和 LT1086-3.3電源芯片，它可提供1.5 A的最大電流。4個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源需要為探測(cè)器提供低噪聲的偏置電壓（VBUS、GFID、VSK和GSK），比較此類芯片的特性，采用AD584配合精密可調(diào)電阻產(chǎn)生VBUS、GFID和VSK三種電壓，采用LM4041配合精密可調(diào)電阻產(chǎn)生GSK電壓。為了使電源噪聲達(dá)到上述要求，設(shè)計(jì)了放大器去噪電路，采用低噪聲精密放大器OP270，它在1 kHz下能達(dá)到5 nV的電壓穩(wěn)定精度，溫度漂移為1 μV/K。圖2以VSK（5.475 V）電壓為例給出了具體電路原理圖，其他電壓的電路原理基本類似。

探測(cè)器借助不同的外部時(shí)鐘和偏置電壓，內(nèi)部時(shí)序器為完全同步的ROIC操作提供所有必要的內(nèi)部信號(hào)，所有內(nèi)部脈沖都是通過主時(shí)鐘的整數(shù)倍頻得到的。內(nèi)部時(shí)序器的操作僅需要以下時(shí)鐘[4]：（1）主時(shí)鐘（MC）；（2）復(fù)位信號(hào)；（3）積分信號(hào)。VIDEO信號(hào)在每行積分完成的18.5個(gè)時(shí)鐘周期后開始輸出，與之相應(yīng)的AD采樣時(shí)鐘可設(shè)置為積分完成后的19個(gè)周期開始，與主時(shí)鐘同步。上述信號(hào)的時(shí)序關(guān)系可在FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)。

2.2 模擬采樣電路設(shè)計(jì)

為了保證圖像的高質(zhì)量，需要確保高精度、低噪聲的A/D轉(zhuǎn)換。CCD探測(cè)器為串行輸出，最高主頻為6 MHz，圖像采集的數(shù)據(jù)量較大。輸出的Video信號(hào)在1 V～4.2 V內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，它對(duì)應(yīng)了-10℃～80℃的溫度范圍，由于系統(tǒng)環(huán)境溫度是27℃，Video信號(hào)的輸出范圍很小，給電路的設(shè)計(jì)帶來了較大的困難。為了盡可能提高輸出速度和采樣精度，選用了14位高速高精度集成轉(zhuǎn)換芯片AD9240[5]，其電路連接圖如圖 3（a）所示。

由于Video信號(hào)的輸出范圍很小，可根據(jù) AD芯片接口的輸入電壓范圍進(jìn)行信號(hào)電平變換，使Video電壓信號(hào)滿足AD轉(zhuǎn)換芯片的滿量程輸入。設(shè)AD輸入的共模電壓為Vmod，參考電壓為Vref，則滿量程輸入范圍相當(dāng)于Vmod-Vref～Vmod+Vref。設(shè)計(jì)信號(hào)變換電路如圖 3（b）所示。根據(jù)電路關(guān)系，只要調(diào)整k和Vref，使得Vref=k·max|Vmod-Video|，即可使得探測(cè)器的輸出電壓范圍與 AD芯片的滿量程輸入相吻合，其中k=R134/R115。

2.3 圖像處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的圖像處理模塊只涉及圖像的預(yù)處理功能，主要包括圖像的非均勻性校正、對(duì)比度增強(qiáng)和濾波。

紅外焦平面陣列像元在均勻紅外光入射條件下，其圖像輸出信號(hào)幅度也會(huì)有所不同，往往表現(xiàn)為固定圖案的本底噪聲和各像元響應(yīng)率的不一致，這種不一致的響應(yīng)率會(huì)造成圖像上出現(xiàn)水平紋理，使得紅外輸出圖像的視覺效果很差[6]。因此，需要對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻校正。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度動(dòng)態(tài)范圍較小，宜采用兩點(diǎn)校正方法。假設(shè)陣列單元的響應(yīng)特性在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)為線性的，則非均勻性引入固定模式的乘性和加性噪聲，在此條件下，焦平面陣列在均勻輻射背景條件下的輸出為：

ai，j、bi，j分別為兩點(diǎn)校正法的校正增益和校正偏移量，對(duì)于每一個(gè)陣列元，這些參數(shù)都不相同，可通過對(duì)同一黑體在高溫TH和低溫TL下均勻輻射的響應(yīng)計(jì)算出ai，j和bi，j，從而實(shí)現(xiàn)非均勻校正。兩點(diǎn)校正法將所有陣列元在高溫TH和低溫TL下的均勻黑體輻射的響應(yīng)分別規(guī)格化為yH和yL：

校正增益和校正偏移量可通過下式計(jì)算得到：

其中xi，j（H）、xi，j（L）分別為像元（i，j）在高溫TH和低溫TL均勻輻射背景下的響應(yīng)。將各像元的校正增益和校正偏移量ai，j和bi，j預(yù)先存儲(chǔ)起來，在圖像校正過程中將xi，j代入式（1）進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。

當(dāng)紅外背景和目標(biāo)的溫度相當(dāng)時(shí)，像素值的動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)很窄，產(chǎn)生對(duì)比度不足的弊病，可通過圖像增強(qiáng)的方法改善圖像的主觀質(zhì)量。本文采用了灰度線性擴(kuò)展方法，設(shè)原圖像xi，j的灰度范圍為[a，b]，變換后圖像yi，j的灰度范圍擴(kuò)展到[c，d]（c=0，d=255），則可采用如下的線性變換來實(shí)現(xiàn)，從而使像素值擴(kuò)充到整個(gè)灰度空間。

紅外圖像受到隨機(jī)散粒噪聲干擾后會(huì)出現(xiàn)粒狀閃爍從而影響成像質(zhì)量，采用中值濾波可以很好地消除這類噪聲的干擾。在中值濾波中，需要設(shè)定像點(diǎn)的鄰域即模板窗口[A（i，j）]M×N（M、N=3、5、7……），并將模板中心與圖中某個(gè)像素位置重合，圖像中值濾波后像點(diǎn)的輸出等于該像點(diǎn)鄰域中所有像素灰度的中值，陣列x（i，j）經(jīng)窗口為[A（i，j）]M×N的中值濾波后，像點(diǎn)（i，j）的輸出可記為：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到圖像目標(biāo)比較均勻單一，采用了計(jì)算量偏小的A3×3中值濾波窗口。

上述圖像處理模塊的實(shí)現(xiàn)都由FPGA實(shí)現(xiàn)，對(duì)于非均勻性校正，預(yù)先將高低溫下的探測(cè)器像元響應(yīng)存入外部SRAM中，直接調(diào)用FPGA中的乘法和加法模塊通過上述公式計(jì)算各像元系數(shù)并存儲(chǔ)到Flash中，在實(shí)時(shí)校正過程中由MircoBlaze將系數(shù)調(diào)入到外部SRAM中供校正模塊使用[5]。對(duì)于線性灰度變化，可先求取圖像的最大和最小灰度值，然后將校正后的像素值代入式（6）即可求得。對(duì)于3×3中值濾波，可將圖像數(shù)據(jù)延遲得到3行并行數(shù)據(jù)[7]（不延遲行數(shù)據(jù)、延遲 1行數(shù)據(jù)和延遲 2行數(shù)據(jù)），利用這3行并行數(shù)據(jù)完成3×3窗口內(nèi)延遲1行數(shù)據(jù)的中值濾波計(jì)算。

2.4 圖像輸出模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過預(yù)處理后的圖像通過兩種方式輸出：（1）通過LVDS接口信號(hào)方式輸出，供后續(xù)處理；（2）實(shí)時(shí)顯示在電視屏幕上。

LVDS信號(hào)采用低壓差分信號(hào)傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速低噪聲傳輸[8]。電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只要在數(shù)據(jù)的收發(fā)兩端設(shè)計(jì)LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片即可，本系統(tǒng)發(fā)送端采用了信號(hào)發(fā)送轉(zhuǎn)換芯片DS90CR215，接收端采用了與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收轉(zhuǎn)換芯片DS90CR216。

將紅外探測(cè)器采集到的圖像實(shí)時(shí)顯示在電視屏幕上，需要將預(yù)處理后的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為PAL制式的模擬電視信號(hào)。系統(tǒng)采用AD公司的DAV7123視頻轉(zhuǎn)換芯片，視頻碼流在芯片內(nèi)部進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行視頻編碼，然后生成復(fù)合同步信號(hào)、消隱信號(hào)和模擬視頻信號(hào)，這三路信號(hào)共用一路信號(hào)輸出[9]。由于 PAL625行制的電視信號(hào)采用 13.5 MHz的抽樣標(biāo)準(zhǔn)，而探測(cè)器輸出5 MHz，因此在輸出端采用了雙口RAM對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了緩存，再根據(jù)現(xiàn)有 PAL制式電視標(biāo)準(zhǔn)[10]對(duì)雙口RAM中的像素灰度值進(jìn)行讀取。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

通過上述硬件電路的設(shè)計(jì)和圖像預(yù)處理算法的實(shí)現(xiàn)，得到不同預(yù)處理階段的圖像和PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的邊緣提取結(jié)果如圖4所示。

通過圖4圖像可以得出，兩點(diǎn)校正后的圖像成像效果較好，伴有隨機(jī)散粒噪聲干擾，經(jīng)過中值濾波后，基本上消除了噪聲的影響。預(yù)處理后的圖像邊緣輪廓清晰，通過邊緣提取結(jié)果分析得知，圖像質(zhì)量基本上能保證內(nèi)外衛(wèi)星相對(duì)位置解算的精度。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最終目的是要通過外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的三臺(tái)紅外相機(jī)對(duì)內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行照相，最后通過雙目或三目交匯解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)位置。本文的內(nèi)容屬于前期紅外相機(jī)原理樣機(jī)的研制，包括紅外CCD探測(cè)器的選取，硬件電路的設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，但其功能只限于紅外圖像信號(hào)的獲取和圖像預(yù)處理，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的算法沒有涉及到后續(xù)的圖像處理，包括圖像的邊緣提取、中心擬合以及三目交匯的解算。通過對(duì)預(yù)處理后的圖像邊緣提取結(jié)果分析可知，該原理樣機(jī)的圖像輸出質(zhì)量良好，基本達(dá)到系統(tǒng)要求，攻克了內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星有效載荷測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)試驗(yàn)樣機(jī)和工程樣機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]張育林，曾國(guó)強(qiáng)，王兆魁，等.分布式衛(wèi)星系統(tǒng)理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]Xilinx Company.Spartan-3 FPGA family complete data sheet[S].2004，8.

[3]Hanson.Advances in monolithic ferroe1ectric uncooled IR FPA technology[C].SPIE，1995，3379：60-68.

[4]ULIS Company.UL 03 16 2 datasheet revision1[S]. 2006，12.

[5]Analog Devices,Inc.High speed AD 9240 datasheet，Rev.A，1998.

[6]周建勇，尹玉梅，唐遵烈，等.基于 FPGA的紅外圖像非均勻性校正技術(shù)[J].半導(dǎo)體光電，2007，28（2）.

[7]SEINSTRA F J，KOELMA D.A fully sequential programming model for efficient data parallel image processing. Concurrency and Computation：Practice and Experience，2004，16（6）：611-614.

[8]張健，吳曉冰.LVDS技術(shù)原理和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000（5）.

[9]鄧春健，王琦，徐秀知，等.基于FPGA和ADV7123的VGA顯示接口的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電子器件，2006，29（4）.

[10]PAL-D制電視廣播技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB 3174-1995.

[11]徐欣，于紅旗.基于 FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Design and implementation of miniature uncooled infrared imaging system onboard based on FPGA

XIAO Long Long，LIU Kun，HAN Da Peng
（College of Aerospace and Material Engineering,National Univ.of Defense Technology,Changsha 410073，China）

：According to environment temperature requirement of the infrared imaging system working on the formation gravitational field satellite,a long-wave uncooled infrared focal plane array detector— UL 03 16 2 was selected,and then the hardware and software of the infrared imaging system were designed based on it.For the hardware circuitry,analog circuit and digital circuit were separately designed on two circuit boards in order to reduce the circuit noise impacting on the infrared image.For the system implementation,an FPGA chip embedded a microprocessor MircoBlaze was selected as the host processor.The acquisition,processing and output of infrared image data was implemented by programming in the FPGA chip,as well as the integrated management of the entire system,which improved the integration and stability of the system.

infrared focal plane array；imaging system；FPGA；image processing

TN221

A

0258-7998（2010）09-0054-04

2010-03-24）

肖龍龍，男，1984年生，博士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星有效載荷及平臺(tái)設(shè)計(jì)。

劉昆，男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：飛行器設(shè)計(jì)與控制。

韓大鵬，男，1982年生，博士，講師，主要研究方向：航天電子應(yīng)用。