基于288×4探測(cè)器的掃描型熱像儀外同步實(shí)現(xiàn)方法的研究

朱光明，張 巍，賈 贊，羅志斌，楊 帆，王 敏，朱洪洋，崔光德

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基于288×4探測(cè)器的掃描型熱像儀外同步實(shí)現(xiàn)方法的研究

朱光明，張 巍，賈 贊，羅志斌，楊 帆，王 敏，朱洪洋，崔光德

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

討論了基于288×4探測(cè)器熱像儀外同步功能的局限，提出了一種將熱像儀掃描采樣流程與視頻輸出流程在時(shí)序上“脫鉤”的辦法，使熱像儀能夠與存在誤差的外同步信號(hào)同步，該方法已在某掃描型熱像儀上得到了實(shí)現(xiàn)。

288×4探測(cè)器；外同步；探測(cè)器積分周期

0 引言

熱像儀是一種將熱圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并輸出視頻圖像的儀器。當(dāng)它與其他設(shè)備組成一個(gè)系統(tǒng)，并相互配合工作時(shí)，需要與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行“節(jié)奏合拍”。一般情況下，系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)一向各組成部分提供一組外同步信號(hào)進(jìn)行同步控制，故熱像儀需要具備相應(yīng)的同步功能?；?88×4探測(cè)器的掃描型熱像儀在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用，選擇此型熱像儀實(shí)現(xiàn)外同步具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 現(xiàn)有熱像儀的外同步功能及其局限

法國(guó)SAGEM公司的IRIS熱像儀、THALES公司的SOPHIE和CATHERINE系列熱像儀、英國(guó)與德國(guó)合作的SYNERGI熱像儀等均使用288×4探測(cè)器[1]，該探測(cè)器是針對(duì)輸出PAL制式的視頻圖像而設(shè)計(jì)的。這些熱像儀都具備相應(yīng)的外同步功能，現(xiàn)對(duì)法國(guó)SAGEM公司大量出口的CATHERINE-FC熱像儀進(jìn)行分析。

CATHERINE-FC熱像儀具有基于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的外同步功能。其模擬外同步接口要求輸入符合PAL制式的模擬視頻信號(hào)。同步過(guò)程如圖1所示。使用視頻同步分離芯片從模擬視頻信號(hào)中提取出數(shù)字化的復(fù)合同步信號(hào)作為熱像儀同步的基準(zhǔn)。熱像儀將圖像處理后的數(shù)字視頻信號(hào)與提取出的復(fù)合同步信號(hào)進(jìn)行時(shí)序同步后輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即可得到同步后的模擬視頻圖像。而對(duì)于數(shù)字外同步接口，則要求輸入符合PAL制式的數(shù)字視頻復(fù)合同步信號(hào)。在視頻同步時(shí)可以省去視頻同步分離芯片，而其他同步過(guò)程與模擬端類似。

復(fù)合同步信號(hào)由多個(gè)行同步、均衡和開(kāi)槽脈沖信號(hào)組成，同步基準(zhǔn)點(diǎn)較多，以該信號(hào)作為外同步信號(hào)進(jìn)行的同步處理，具有實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單、同步性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。在需要精確控制的伺服系統(tǒng)或要求嚴(yán)格匹配的圖像采集[2]、視頻跟蹤[3]、圖像疊加融合[4]系統(tǒng)中熱像儀采用此方法可獲得較好的同步效果。

圖1 熱像儀模擬接口同步原理

基于288×4探測(cè)器的熱像儀，早期主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，在武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)熱像儀的同步性能進(jìn)行充分考慮。基于整個(gè)武器系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精確性的要求，通常采用標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)作為系統(tǒng)的同步信號(hào)。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，熱像儀規(guī)?；a(chǎn)后成本的降低，基于288×4探測(cè)器的熱像儀逐漸開(kāi)始應(yīng)用于森林防火、電力監(jiān)控和邊防巡邏等眾多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域內(nèi)，當(dāng)前系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有針對(duì)熱像儀進(jìn)行適配，采用的同步信號(hào)類型也各不相同，對(duì)熱像儀外同步性能的要求也存在差異。這些民用系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)更注重系統(tǒng)的兼容性，從而適當(dāng)放寬了對(duì)各部件的同步性能的要求。此類系統(tǒng)通常采用類似圖2的形式，使用一個(gè)周期為的脈沖信號(hào)作為同步信號(hào)。以脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿作為同步的基準(zhǔn)點(diǎn)或觸發(fā)點(diǎn)來(lái)使用，并且對(duì)周期的誤差容許范圍也比較大。

圖2 周期為T的同步信號(hào)

此類同步信號(hào)的信號(hào)形式與PAL制式視頻格式不一致，不能與以CATHERINE-FC為代表的熱像儀同步，即使采用轉(zhuǎn)接視頻同步生成器的方式（將圖2中的同步信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱像儀可接收的視頻同步信號(hào)），也存在系統(tǒng)生成的同步信號(hào)精度不高，或同步信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸時(shí)受到干擾、傳輸線延遲過(guò)大、各部份信號(hào)接收阻抗不匹配等一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題將導(dǎo)致同步信號(hào)的時(shí)間周期存在不可忽視的誤差。該誤差將導(dǎo)致視頻同步生成器產(chǎn)生的視頻同步信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)存在差異，使得熱像儀外同步功能失效，或者同步后熱像儀輸出圖像存在閃爍、滾動(dòng)、黑屏等現(xiàn)象。所以，需要改變熱像儀的同步機(jī)制以適應(yīng)不同的系統(tǒng)需求。

2 外同步機(jī)制的制約因素

掃描型熱像儀的主要特點(diǎn)在于使用線列探測(cè)器通過(guò)掃描的方式成像。線列探測(cè)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和掃描成像方式很大程度上決定了掃描型熱像儀輸出視頻圖像的分辨率。同時(shí)，熱像儀輸出的視頻圖像的顯示格式也受到外同步信號(hào)的制約。因此熱像儀外同步功能的實(shí)現(xiàn)需要將探測(cè)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和掃描成像方式納入設(shè)計(jì)考量。

2.1 288×4探測(cè)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

288×4探測(cè)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]如圖3所示，在垂直方向（方向）上有288個(gè)通道（每個(gè)通道含有4個(gè)像元）。為達(dá)到在方向上的完全覆蓋的目的，288個(gè)通道按奇偶順序左右放置。在掃描方向（方向），將4個(gè)像元的輸出按照時(shí)間延遲積分的形式完成累加，每一個(gè)積分周期結(jié)束后順序輸出288個(gè)通道的信號(hào)。

圖3 288×4探測(cè)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由于288×4探測(cè)器特殊的結(jié)構(gòu)形式，掃描后需要對(duì)探測(cè)器輸出的奇偶通道進(jìn)行“對(duì)齊”處理，才能獲得正確的圖像。掃描型熱像儀是通過(guò)掃描器將所觀察的場(chǎng)景按時(shí)間順序依次“掃描”進(jìn)探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描成像，可通過(guò)對(duì)奇通道的輸出信號(hào)延時(shí)若干個(gè)積分周期的方法，使奇通道與偶通道的輸出信號(hào)對(duì)齊。因此可以認(rèn)為每一個(gè)積分周期探測(cè)器輸出一組288×1的線列圖像信號(hào)。

2.2 掃描成像原理簡(jiǎn)介

熱像儀通過(guò)控制掃描電機(jī)帶動(dòng)掃描反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的掃描，并將該場(chǎng)景反射到探測(cè)器上。與此同時(shí)，探測(cè)器在積分信號(hào)的控制下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及時(shí)間延遲積分并輸出列形式的圖像信號(hào)。當(dāng)掃描電機(jī)完成一個(gè)掃描周期的工作后，將探測(cè)器輸出的各列圖像信號(hào)進(jìn)行拼接并做相應(yīng)圖像處理，可得到一幅所觀察場(chǎng)景的熱圖像。而掃描運(yùn)動(dòng)曲線、掃描效率和探測(cè)器積分周期之間的相互匹配程度將直接影響到掃描成像的效果。

掃描型熱像儀大多采用控制精度高的有限轉(zhuǎn)角無(wú)刷直流力矩電機(jī)[6]作為掃描電機(jī)，其掃描運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示。掃描電機(jī)的工作特點(diǎn)為：在一個(gè)掃描周期（0）內(nèi)保證一段時(shí)間（0）的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)工作，以獲得連續(xù)的掃描場(chǎng)景，得到無(wú)畸變的熱圖像；并在較短非線性區(qū)域內(nèi)完成掃描電機(jī)的復(fù)位，為下一個(gè)周期的線性掃描做好準(zhǔn)備。

圖4 掃描運(yùn)動(dòng)曲線

在此可定義上文中的掃描電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間與掃描周期的比值為掃描效率。設(shè)掃描效率為，則可表示為：

＝0/0

熱像儀輸出的視頻圖像由探測(cè)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其延時(shí)積分機(jī)制、掃描電機(jī)的掃描效率及其線性度、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、以及輸出視頻需滿足的顯示格式要求共同決定?；?88×4探測(cè)器的熱像儀輸出的視頻格式遵循PAL制式的格式要求，將連續(xù)兩場(chǎng)掃描的圖像使用隔行顯示的方式合并為一幀視頻圖像。在水平方向，理論上需要在線性掃描區(qū)域內(nèi)輸出768列對(duì)齊的圖像。從探測(cè)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可算出，在每通道的4個(gè)像元完成積分后，將奇偶通道輸出的信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊，至少需要延遲[(383－25)×3]/43≈25個(gè)積分周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以在線性掃描范圍內(nèi)，探測(cè)器理論上最少需要進(jìn)行768＋25＝793次積分才能輸出一場(chǎng)完整的圖像。若設(shè)探測(cè)器積分周期為，則其理論值為：＝(×0)/973。

現(xiàn)有的高線性大擺角掃描器[7]可在50Hz的掃描頻率下，±10°的掃描幅度內(nèi)，達(dá)到85%的掃描效率。在對(duì)探測(cè)器積分周期和運(yùn)行時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)定時(shí)，以不超過(guò)掃描效率為前提進(jìn)行約束，可用如下方法進(jìn)行計(jì)算：采用該掃描器的熱像儀的掃描周期為20ms，其探測(cè)器的理論積分周期為(20×85%×1000)/793≈21.44ms。若根據(jù)288×4探測(cè)器手冊(cè)[2]，探測(cè)器積分周期至少應(yīng)包括76個(gè)探測(cè)器運(yùn)行時(shí)鐘周期，可估算出滿足成像要求的最小探測(cè)器運(yùn)行時(shí)鐘頻率為76/21.44≈3.54MHz。實(shí)際工程應(yīng)用中，很難使用有限的元器件資源合成任意頻率的時(shí)鐘信號(hào)，一般將晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)分頻或倍頻處理后使其頻率接近理論計(jì)算值即可?？墒褂猛ㄟ^(guò)36MHz的晶振10分頻得到的3.6MHz（＞3.54MHz）的時(shí)鐘信號(hào)作為探測(cè)器運(yùn)行時(shí)鐘。由于探測(cè)器為4路輸出，則熱像儀圖像處理時(shí)的像素時(shí)鐘頻率為3.6×4＝14.4MHz。若熱像儀輸出的視頻像素時(shí)鐘也采用同一頻率，則視頻顯示范圍內(nèi)的水平分辨率為14.4×52≈749，而探測(cè)器積分周期也將隨之改變。最終基于實(shí)際應(yīng)用的考慮，探測(cè)器積分周期為79/3.6≈21.94ms，輸出視頻分辨率為749×576，滿足熱像儀實(shí)際需求的掃描效率為：

從上述計(jì)算可以看出，熱像儀輸出的視頻受到眾多因素的影響，需對(duì)各方面的因素進(jìn)行綜合考量，最終得到優(yōu)化組合的使用參數(shù)。而由于外同步功能的引入，代入了新的影響因素，對(duì)參數(shù)的優(yōu)化組合提出了新的適應(yīng)性要求。

2.3 適應(yīng)外同步導(dǎo)致的問(wèn)題

若外同步信號(hào)周期的誤差為±0.1%，將其代入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則首先需要考慮誤差對(duì)掃描周期造成的影響。掃描周期可分為線性掃描區(qū)域和非線性掃描區(qū)域兩個(gè)部份，±0.1%的周期誤差不論放在那個(gè)區(qū)域都會(huì)對(duì)最終的圖像質(zhì)量造成影響。

若將周期誤差引入非線性掃描區(qū)域，由于掃描系統(tǒng)總是最大限度地縮小非線性掃描區(qū)域以提高掃描效率，同時(shí)在非線性掃描區(qū)域內(nèi)掃描電機(jī)需要完成減速、轉(zhuǎn)向、快速回掃、再次減速和轉(zhuǎn)向等一系列運(yùn)動(dòng)。掃描電機(jī)大部分時(shí)間都處于極限工作狀態(tài)，可調(diào)控的余量不多。一旦周期誤差超出掃描系統(tǒng)的允許范圍，掃描電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，甚至失控狀況，如圖5所示。

綜上所述，由于外同步周期誤差的引入，打破了掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)由于其誤差的不確定性，導(dǎo)致掃描系統(tǒng)很難重新建立起新的可靠運(yùn)行體系，從而使得掃描型熱像儀對(duì)外同步信號(hào)適應(yīng)性較窄，無(wú)法滿足不同系統(tǒng)的要求。

3 “追逐同步”方法的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，其允許的外同步誤差范圍較大，外同步信號(hào)形式簡(jiǎn)單易于捕捉。此類系統(tǒng)具有優(yōu)秀的兼容能力，能夠?qū)⒏嗟脑O(shè)備納入系其控制范圍。而掃描型熱像儀由于掃描成像機(jī)制的制約，很難通過(guò)調(diào)整熱像儀系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系來(lái)跟蹤實(shí)時(shí)變化的外同步信號(hào)。本文使用將熱像儀掃描采樣流程與視頻輸出流程在時(shí)序上“脫鉤”的辦法來(lái)解決上述問(wèn)題。

3.1 “追逐同步”方法的原理

將2.2節(jié)中優(yōu)化組合后的參數(shù)設(shè)置于掃描采樣流程中，并以20ms為周期穩(wěn)定運(yùn)行；視頻輸出流程則按照外同步周期的要求，完成視頻圖像輸出時(shí)序的調(diào)整；這樣就實(shí)現(xiàn)了上述兩個(gè)流程在運(yùn)行周期上的“脫鉤”。由于這兩流程都運(yùn)行在同一個(gè)時(shí)鐘（即像素時(shí)鐘）頻率上，若它們的周期時(shí)間長(zhǎng)度一致，則可在外同步開(kāi)始時(shí)，通過(guò)對(duì)熱像儀掃描圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行重新置位的方式，使熱像儀工作時(shí)序與外同步基準(zhǔn)點(diǎn)一致，即可實(shí)現(xiàn)視頻輸出的同步。若它們的周期時(shí)間長(zhǎng)度由于系統(tǒng)誤差的原因存在差異，可以通過(guò)“繞圈追逐”的方式，讓周期短的一方“追逐”周期長(zhǎng)的一方，待雙方差距累計(jì)到20ms（即“一圈”）時(shí)，通過(guò)舍棄或重復(fù)一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)雙方差距的清零，然后繼續(xù)維持“繞圈追逐”的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就可以在不影響熱像儀成像的情況下實(shí)現(xiàn)視頻輸出的同步。

要在熱像儀上實(shí)現(xiàn)“繞圈追逐”的方法，需要在其圖像處理進(jìn)程中增加一個(gè)視頻同步模塊（如圖6所示）。該模塊的作用是緩存掃描圖像數(shù)據(jù)，并按照外同步信號(hào)的要求輸出視頻圖像。視頻同步模塊由一個(gè)512k×8bit的雙端口存儲(chǔ)器和一個(gè)控制器構(gòu)成。控制器操控存儲(chǔ)器其中一個(gè)端口，將掃描結(jié)束后緩存的一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)以每行749個(gè)像素（已完成奇偶通道對(duì)齊）的形式按行順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器。當(dāng)控制器被外同步基準(zhǔn)點(diǎn)觸發(fā)時(shí)，配合輸出視頻的時(shí)序以行順序在存儲(chǔ)器的另一個(gè)端口讀出圖像數(shù)據(jù)。最終將讀出的圖像數(shù)據(jù)與復(fù)合同步信號(hào)進(jìn)行時(shí)序匹配后，即可輸出同步的視頻信號(hào)。由于對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫都運(yùn)行在同一個(gè)像素時(shí)鐘頻率下，視頻同步模塊實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)僅限于控制器在到達(dá)“追逐”臨界點(diǎn)時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的同一個(gè)地址同步進(jìn)行讀寫的處理方式上。若寫入周期和讀出周期相等，則不存在“追逐”的情況，所以僅就寫入周期與讀出周期存在差異的情況進(jìn)行分析。

圖5 掃描電機(jī)的不穩(wěn)定和失控狀態(tài)

Fig.5 Scanning motor in lost-stability and lost-control

當(dāng)按掃描周期寫入的時(shí)間大于按外同步周期讀出的時(shí)間時(shí)，用如圖7所示的方法處理。

圖7中的A、B、C、D代表按掃描周期寫入圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間段，a、b、c、d、e代表從存儲(chǔ)器中按外同步周期讀出圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間段。由于按掃描周期寫入的時(shí)間較按外同步周期讀出的時(shí)間長(zhǎng)，則可視為讀出周期在“追逐”寫入周期。當(dāng)按掃描周期寫入的B周期開(kāi)始時(shí)，按外同步周期讀出的b周期也同時(shí)開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)，則讀出周期b此時(shí)追上了寫入周期B，到達(dá)“追逐”的臨界點(diǎn)。由于控制器對(duì)寫入和讀出操作的速率相等，則其可以在B周期寫入圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，將圖像數(shù)據(jù)直接賦值到存儲(chǔ)器讀出端的數(shù)據(jù)輸出口，即在讀出的b周期內(nèi)不從存儲(chǔ)器內(nèi)讀出數(shù)據(jù)，而直接使用存儲(chǔ)器寫入端的數(shù)據(jù)。而在讀出的c周期開(kāi)始時(shí)，寫入端C周期的圖像數(shù)據(jù)還未到達(dá)，所以讀取的是B周期寫入存儲(chǔ)器的圖像數(shù)據(jù)作為當(dāng)前場(chǎng)的數(shù)據(jù)輸出，這樣在輸出的視頻數(shù)據(jù)中將有兩場(chǎng)相同的圖像數(shù)據(jù)先后顯示。而在其它未達(dá)到臨界點(diǎn)的周期時(shí)間內(nèi)，按外同步周期讀出的圖像數(shù)據(jù)都是由按掃描周期事先寫入存儲(chǔ)器的，在圖7中表示為A對(duì)應(yīng)a、C對(duì)應(yīng)d、D對(duì)應(yīng)e的寫入與讀出之間的關(guān)系。

當(dāng)按掃描周期寫入的時(shí)間小于按外同步周期讀出的時(shí)間時(shí)，用如圖8所示的方法處理。

圖8中H、I、J、K、L代表按掃描周期寫入圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間段，h、i、j、k代表從存儲(chǔ)器中按外同步周期讀出圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間段。由于按掃描周期寫入的時(shí)間較按外同步周期讀出的時(shí)間短，則可視為寫入周期在“追逐”讀出周期。當(dāng)按外同步周期讀出的j周期開(kāi)始時(shí)，按掃描周期寫入的K周期也同時(shí)開(kāi)始向存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)，則寫入周期此時(shí)追上了讀出周期，到達(dá)“追逐”的臨界點(diǎn)。由于控制器對(duì)寫入和讀出操作的速率相等，則其可以在K周期寫入圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，將圖像數(shù)據(jù)直接賦值到存儲(chǔ)器讀出端的數(shù)據(jù)輸出口，即在讀出的j周期內(nèi)不從存儲(chǔ)器內(nèi)讀出數(shù)據(jù)，而直接使用存儲(chǔ)器寫入端的數(shù)據(jù)。而在讀出的k周期開(kāi)始時(shí)，寫入的L周期已對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行了一段時(shí)間的操作，于是讀取L周期寫入的圖像數(shù)據(jù)作為視頻數(shù)據(jù)輸出。由圖8還可看出，按掃描周期寫入的J周期的圖像數(shù)據(jù)沒(méi)有被讀出顯示就被K周期寫入的圖像數(shù)據(jù)覆蓋，視頻同步模塊對(duì)J周期的圖像數(shù)據(jù)做舍棄處理。而在其它未達(dá)到臨界點(diǎn)的周期時(shí)間內(nèi)，按外同步周期讀出的圖像數(shù)據(jù)都是由按掃描周期事先寫入存儲(chǔ)器的，在圖8中表示為H對(duì)應(yīng)h、I對(duì)應(yīng)i的寫入與讀出之間的關(guān)系。

圖6 “追逐同步”實(shí)現(xiàn)原理

Fig.6 Theory of “chasing synchronization”

圖7 寫入周期大于讀出周期

Fig.7 Writing period longer than reading period

圖8 寫入周期小于讀出周期

Fig.8 Writing period shorter than reading period

3.2 “追逐同步”方法的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1節(jié)討論的同步方法已經(jīng)在某熱像儀上使用FPGA實(shí)現(xiàn)，其軟件設(shè)計(jì)框圖如圖9所示。

FPGA對(duì)輸入的外同步信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到外同步基準(zhǔn)點(diǎn)就開(kāi)始以計(jì)數(shù)的方式對(duì)外同步周期長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到下一個(gè)外同步基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，在保存計(jì)數(shù)結(jié)果后對(duì)計(jì)數(shù)器清零，并重新對(duì)下一個(gè)外同步周期長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。FPGA對(duì)保存的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行判斷，若測(cè)量到的外同步周期長(zhǎng)度在熱像儀的同步能力范圍之內(nèi)，則運(yùn)行熱像儀同步進(jìn)程，否則熱像儀將按照自身的時(shí)序規(guī)格輸出視頻信號(hào)，并告知外部系統(tǒng)熱像儀外同步功能失效。

熱像儀同步進(jìn)程開(kāi)始后，在第一個(gè)外同步基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)熱像儀掃描和圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行重置，使熱像儀內(nèi)各部分都有一個(gè)新的起點(diǎn)。然后按照3.1節(jié)提出的外同步實(shí)現(xiàn)原理，通過(guò)對(duì)雙端口存儲(chǔ)器讀寫地址的比較來(lái)判斷圖像寫入和視頻讀出之間的“追逐”關(guān)系，當(dāng)讀寫地址不同時(shí)，視頻輸出模塊將輸出從雙端口存儲(chǔ)器中讀出的圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)讀寫地址相等時(shí)，視頻輸出模塊將當(dāng)前場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)直接作為視頻數(shù)據(jù)輸出；故無(wú)論讀寫地址是否相同，熱像儀都可輸出同步后的視頻信號(hào)。

圖9 外同步運(yùn)行流程

3.3 “追逐同步”方法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

為驗(yàn)證“追逐同步”方法在掃描型熱像儀上的運(yùn)行情況，泰克公司的AFG 320任意函數(shù)發(fā)生器作為外同步信號(hào)的信號(hào)源，泰克公司的DPO 7254示波器作為視頻信號(hào)同步的檢測(cè)設(shè)備，JVC公司的TM-H150CG作為熱像儀輸出視頻圖像的觀察設(shè)備，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先，使用任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入以20ms為周期的方波作為外同步信號(hào)。熱像儀輸出的視頻圖像在監(jiān)視器上顯示正常，同時(shí)可以從示波器上觀察到熱像儀輸出的模擬視頻信號(hào)、外同步信號(hào)和掃描器位置反饋信號(hào)處于同步狀態(tài)，同步波形如圖11所示。

圖11 外同步信號(hào)周期為20ms的同步狀態(tài)

其次，使用任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入的以20ms±2ms為周期的方波作為外同步信號(hào)。熱像儀輸出的視頻圖像在監(jiān)視器上顯示正常，同時(shí)從示波器上觀察到熱像儀輸出的模擬視頻信號(hào)與外同步信號(hào)處于同步狀態(tài)，而與掃描器位置反饋信號(hào)則處于“脫鉤”狀態(tài)，熱像儀中的“追逐同步”算法運(yùn)行狀態(tài)良好。同步波形如圖12所示。

最后，通過(guò)任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入的以20ms±16ms為周期的方波作為外同步信號(hào)。因?yàn)榇藭r(shí)熱像儀輸出的視頻信號(hào)已不符合PAL制式視頻格式標(biāo)準(zhǔn)，超出監(jiān)視器的顯示能力范圍，故其輸出的視頻圖像已不能在監(jiān)視器上正常顯示，出現(xiàn)滾屏及閃屏等現(xiàn)象。

為保證熱像儀在工作狀態(tài)下能夠輸出可正常顯示模擬視頻圖像，需要針對(duì)周期誤差超過(guò)±2ms以上的外同步信號(hào)在同步時(shí)做特殊處理：若以20ms為周期的外同步信號(hào)出現(xiàn)周期誤差超出±2ms以上的情況，熱像儀模擬視頻圖像輸出將放棄與外同步信號(hào)同步，改為與內(nèi)部掃描系統(tǒng)同步，以實(shí)現(xiàn)模擬視頻圖像的正常顯示；同時(shí)由于數(shù)字視頻信號(hào)有比模擬視頻信號(hào)更廣泛的適應(yīng)范圍，將數(shù)字視頻信號(hào)與掃描器位置反饋信號(hào)“脫鉤”，使用“追逐同步”方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)與外同步信號(hào)的同步，即模擬視頻信號(hào)與掃描器位置反饋信號(hào)同步，數(shù)字視頻信號(hào)與外同步信號(hào)同步，如圖13所示。

圖12 外同步信號(hào)周期為20ms＋2ms的同步狀態(tài)

圖13 同步誤差大于2ms的同步情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文所采用的外同步方法提高了基于288×4探測(cè)器熱像儀的同步能力。在確保積分周期與掃描速度相互匹配的同時(shí)，使熱像儀的外同步性能可適應(yīng)更廣泛的系統(tǒng)需求。當(dāng)外同步信號(hào)誤差過(guò)大時(shí)，則將某場(chǎng)的視頻圖像進(jìn)行重復(fù)或舍棄處理。本方法還可以對(duì)不同的視頻顯示規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，從而適用于采用240×4、480×6或576×6等探測(cè)器的掃描型熱像儀。

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Research on Implementation of External Synchronization in Scanning Thermal Imager Based on 288×4 Detector

ZHU Guang-ming，ZHANG Wei，JIA Zan，LUO Zhi-bin，YANG Fan，WANG Min，ZHU Hong-yang，CUI Guang-de

（，650223，）

This paper discusses the limitation of external synchronization in thermal imager based on 288×4 detector, and develops a solution to make thermal imager synchronized with an external sync signal which has an uncertain sync error. This solution decouples the procedure of scanning and sampling from the procedure of video output, which has been achieved in some scanning thermal imager already.

288×4 detector，external synchronization，integration cycle of detector

TN216

A

1001-8891(2015)03-0240-08

2014-08-19；

2014-11-20.

朱光明（1981-），男，本科，主要研究方向：紅外圖像處理。E-mail：35313509@qq.com。