“高分四號(hào)”衛(wèi)星大面陣紅外相機(jī)視頻處理電路的FPGA設(shè)計(jì)

劉濤 張曄 李亮 王洋 張旭 黃競(jìng) 王華

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星大面陣紅外相機(jī)視頻處理電路的FPGA設(shè)計(jì)

劉濤 張曄 李亮 王洋 張旭 黃競(jìng) 王華

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外的技術(shù)空白，其搭載的紅外相機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了大面陣紅外探測(cè)器成像，并展示了高品質(zhì)的大面陣紅外成像能力。文章以高可靠性，高信噪比，小型化的大面陣紅外相機(jī)視頻處理電路為目標(biāo)，從FPGA（Field Programmable Gate Array）設(shè)計(jì)角度給出設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方案。首先，分析了大面陣紅外探測(cè)器、設(shè)備工作環(huán)境與小型化、信號(hào)采樣精度、高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)。其次，給出設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方案，包括使用時(shí)鐘管理芯片進(jìn)行時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)采樣精度并提高了高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕皇褂迷谲壭盘?hào)處理實(shí)現(xiàn)通道不一致性校正，提高了圖像的信噪比；使用電子限流器防止器件的單粒子栓鎖，提高了器件的工作可靠性；使用一塊 FPGA實(shí)現(xiàn)焦面控制、信號(hào)處理、工程數(shù)據(jù)處理、外圍芯片控制等全部功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化與輕量化；地面進(jìn)行了自適應(yīng)像元校正與可編程盲元替換實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)型號(hào)在軌應(yīng)用提供了技術(shù)儲(chǔ)備。最后，從紅外相機(jī)外景成像效果可以看到，設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方案可行且滿足任務(wù)要求。

時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 大面陣紅外探測(cè)器 “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

隨著紅外探測(cè)器研制技術(shù)的快速發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中，但多為線陣紅外探測(cè)器，大面陣紅外探測(cè)器的使用比較少見。針對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)在軌8年壽命，高軌道的工作環(huán)境，對(duì)設(shè)備的可靠性提出了很高的要求，同時(shí)由于相機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，紅外視頻處理器需要一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)紅外焦平面控制、信號(hào)處理、工程輔助數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本文分析了設(shè)備的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)，使用了時(shí)鐘管理芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的思路，以提高模擬信號(hào)采樣精度和高速串行數(shù)據(jù)發(fā)送可靠性。使用了電子限流器件，降低單粒子栓鎖可能造成的電路損壞。針對(duì)探測(cè)器和視頻電路多路模擬通道不一致，進(jìn)行了通道不一致性校正。并進(jìn)行了地面自適應(yīng)像元響應(yīng)不一致性校正和可編程盲元替換試驗(yàn)，為以后的在軌運(yùn)行做了技術(shù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方案可行且達(dá)到預(yù)期性能。

1 大面陣紅外探測(cè)器視頻處理電路

大面陣紅外視頻處理電路由大面陣紅外探測(cè)器、運(yùn)放電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、高速串行收發(fā)器、時(shí)鐘管理芯片、外部存儲(chǔ)器等元件組成。以下簡(jiǎn)要分析各個(gè)器件的特點(diǎn)及其對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響[1-3]。

1.1 大面陣紅外探測(cè)器

大面陣紅外探測(cè)器的模擬像元信號(hào)輸出分為4個(gè)通道，像元的排列為相鄰的四個(gè)像素同時(shí)輸出，這樣可以降低模擬像元信號(hào)的讀取時(shí)間，讀出的像元模擬信號(hào)的位置如圖1所示。

探測(cè)器的積分時(shí)間由積分信號(hào)INT控制，INT信號(hào)的上升沿表示探測(cè)器積分開始，INT信號(hào)的下降沿表示探測(cè)器積分結(jié)束。INT信號(hào)下降沿m個(gè)像元時(shí)鐘之后輸出像元數(shù)據(jù)，模擬像元信號(hào)的輸出與探測(cè)器時(shí)鐘信號(hào)的下降沿同步，探測(cè)器時(shí)鐘信號(hào)的上升沿對(duì)準(zhǔn)模擬像元信號(hào)的中心。

大面陣紅外探測(cè)器由于制造工藝的限制，存在4個(gè)輸出通道的不一致性，同時(shí)焦面電路和視頻處理器電路之間模擬信號(hào)傳輸過程中，電子元件和電纜阻抗的不一致性，也導(dǎo)致4個(gè)通道之間存在不一致性，需要進(jìn)行通道不一致性校正。像元響應(yīng)不一致性以及盲元的特點(diǎn)，都需要后期的信號(hào)處理。

1.2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號(hào)噪聲比（SNR）受到很多因素的影響，其中之一便是孔徑抖動(dòng)，又稱孔徑誤差，是采樣之間孔徑延遲時(shí)間的變化。產(chǎn)生這個(gè)誤差的原因有很多種，其中輸入時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)是一個(gè)直接的原因。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的信噪比可表示為：

式中 FANALOG表示輸入信號(hào)的頻率；tjrms是等效的時(shí)鐘抖動(dòng)；ε是平均的微分非線性偏差；n是ADC的量化位數(shù)；VNOISErms是輸入信號(hào)的等效熱電壓噪聲。

當(dāng)ADC量化位數(shù)為14bit時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)信噪比有明顯的影響，時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)信噪比的影響如圖（2）所示。

使用時(shí)鐘管理芯片，降低時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)，可以提高視頻處理電路的信噪比。

1.3 高速串行收發(fā)器

高速串行收發(fā)器對(duì)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘信號(hào)的性能有嚴(yán)格的規(guī)定。芯片對(duì)輸入端的時(shí)鐘進(jìn)行10倍頻處理，然后用倍頻后內(nèi)部時(shí)鐘的上升沿和下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生 20倍的發(fā)生數(shù)據(jù)速率。輸入數(shù)據(jù)速率為

100MHz，輸出數(shù)據(jù)速率為2Gbit/s。SerDes芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)輸入時(shí)鐘的頻率范圍、頻率穩(wěn)定性、頻率抖動(dòng)、時(shí)鐘占空比都有嚴(yán)格的規(guī)定，如表1所示。

表1 SerDes芯片輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘性能要求Tab.1 Input reference clock performance requirements of SerDes chip

使用時(shí)鐘管理芯片，降低時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)，提高占空比的穩(wěn)定性，可以提高視頻處理電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.4 時(shí)鐘控制器

時(shí)鐘管理芯片的相位可以相同或分別調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。因?yàn)锳DC器件和SerDes器件需要高性能的時(shí)鐘信號(hào)，所以電路系統(tǒng)必須使用系統(tǒng)級(jí)別的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。圖3為時(shí)鐘管理芯片性能圖，當(dāng)時(shí)鐘頻率高于 1kHz時(shí)，輸出的時(shí)鐘信號(hào)的噪聲明顯低于輸入的參考時(shí)鐘信號(hào)的噪聲?？梢蕴岣呦到y(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘信號(hào)品質(zhì)。

針對(duì)高軌道衛(wèi)星的單粒子輻射問題，需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘異常檢測(cè)功能、時(shí)鐘管理芯片配置字控制功能。如果時(shí)鐘管理器產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，輸出時(shí)鐘錯(cuò)誤，需要FPGA（Field Programmable Gate Array）重新發(fā)送配置控制字，恢復(fù)正常的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。

1.5 電子限流器

空間單粒子栓鎖會(huì)產(chǎn)生大電流導(dǎo)致器件損壞，在高軌道及8年設(shè)計(jì)壽命的條件下，設(shè)備使用了電子限流器對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行電子限流保護(hù)功能，當(dāng)限流器自動(dòng)關(guān)閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)給 FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)，決定是否關(guān)閉電子限流器。

1.6 系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

當(dāng)芯片對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)品質(zhì)要求較高時(shí)，系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案是較好的選擇，各個(gè)器件的時(shí)鐘都由時(shí)鐘管理芯片提供，到達(dá)電路上每一個(gè)器件的時(shí)鐘相位相同。通過FPGA芯片的約束設(shè)計(jì)功能、輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)延遲功能對(duì)數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的相位關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的可靠性。大面陣紅外信號(hào)處理電路由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、FPGA、高速串行收發(fā)器組成，電路系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2 大面陣紅外探測(cè)器視頻處理FPGA設(shè)計(jì)

大面陣紅外探測(cè)器視頻處理電路的FPGA設(shè)計(jì)中，怎樣提高ADC的精度采樣，怎樣降低高速SerDes數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率，怎樣減小設(shè)備的體積，怎樣處理大面陣紅外探測(cè)器多個(gè)通道的不一致性，怎樣提高器件的抗輻射指標(biāo)，怎樣提高地面信號(hào)處理的圖像品質(zhì)，從下面幾點(diǎn)給出分析和方案[4-11]。

1）時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。由于ADC器件和SerDes器件的設(shè)計(jì)需要，時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘管理芯片提供。系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和源同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)是兩種設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要FPGA對(duì)輸入數(shù)據(jù)的相位進(jìn)行調(diào)整以準(zhǔn)確采樣輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)相位調(diào)整以便使下一級(jí)芯片準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。

2）過采樣設(shè)計(jì)。過采樣的采樣倍數(shù)取決探測(cè)器時(shí)鐘頻率與ADC時(shí)鐘頻率的倍數(shù)關(guān)系，因?yàn)橄裨M信號(hào)之間存在跳變，模擬信號(hào)跳變點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的，所以均值濾波必須選擇模擬信號(hào)穩(wěn)定的采樣點(diǎn)，在一定程度上消除電路的隨機(jī)噪聲，輸出穩(wěn)定的像元數(shù)據(jù)。

3）積分時(shí)間信號(hào)的設(shè)計(jì)。探測(cè)器像元數(shù)據(jù)與探測(cè)器時(shí)鐘上升沿的相位一致，串行控制字與探測(cè)器時(shí)鐘下降沿的相位一致，過采樣地址和像元地址需要匹配，對(duì)有效的像元數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣處理。由于數(shù)據(jù)拼接輸出由行同步信號(hào)控制，所以INT信號(hào)的控制采用上升沿固定、下降沿可變，還是上升沿可變、下降沿固定，兩種方案會(huì)導(dǎo)致不同設(shè)計(jì)效果。

4）延遲補(bǔ)償設(shè)計(jì)。由于探測(cè)器、運(yùn)算放大器、ADC、以及外圍電路元件都存在個(gè)體差異，會(huì)產(chǎn)生器件響應(yīng)延遲誤差。探測(cè)器的時(shí)序控制信號(hào)由FPGA輸出；探測(cè)器輸入的時(shí)序控制信號(hào)到模擬像元信號(hào)的輸出存在響應(yīng)延遲；運(yùn)算放大器及其外圍電路的輸入輸出存在響應(yīng)延遲；ADC器件大多基于流水線處理，輸入的模擬信號(hào)到輸出的數(shù)字信號(hào)存在固有的周期響應(yīng)延遲。由于器件工藝和工作環(huán)境的不同，器件的延遲存在不一致性，在最差情況下，F(xiàn)PGA能采樣ADC輸出的有效數(shù)據(jù)，這需要補(bǔ)償通道之間的響應(yīng)延遲的不一致性。

5）通道不一致性校正。由于探測(cè)器、運(yùn)算放大器、ADC、以及外圍電路元件都存在工藝離散性，并且受到電路工作環(huán)境的影響，不同通道之間的模擬信號(hào)等效放大倍數(shù)，疊加的直流偏置電平，引入等效噪聲都不同，通道之間的模擬信號(hào)處理存在不一致性。

基于以上的考慮，設(shè)計(jì)的FPGA軟件包括：探測(cè)器時(shí)序控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、指令接收控制模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、輔助數(shù)據(jù)處理模塊、存儲(chǔ)器控制模塊、時(shí)鐘管理器控制模塊。其中圖像數(shù)據(jù)處理模塊包括：模擬延遲模塊、圖像數(shù)據(jù)緩存模塊、均值濾波模塊、通道不一致性校正模塊。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3 測(cè)試

紅外外景成像如圖6所示，可見光外景成像如圖7所示?？梢钥吹浇ㄖ锊Ａ?nèi)部的鋼架溫度明顯高于周邊的物體溫度，紅外外景成像層次感分明，相對(duì)于可見光，提供更多的景物信息，對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)效果尤為明顯。

4 技術(shù)展望

像元響應(yīng)離散性較大和存在盲元是目前紅外探測(cè)器的固有特點(diǎn)，本文在地面進(jìn)行了自適應(yīng)像元校正和可編程盲元替換實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果，為進(jìn)一步型號(hào)應(yīng)用做了有益的探索[12-16]。

在不同積分時(shí)間和增益的情況下，像元獲取的輻射能量不同，校正系數(shù)也不同，為了達(dá)到最佳的擬合曲線，根據(jù)積分時(shí)間的大小和增益的大小設(shè)計(jì)了多檔位的校正系數(shù)，在不同的場(chǎng)景下，通過使用不同的校正系數(shù)，得到最佳的擬合曲線，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)像元校正。

隨著紅外探測(cè)器使用時(shí)間的增加，盲元可能會(huì)增加，為了達(dá)到最佳的圖像質(zhì)量，盲元坐標(biāo)做為盲元替換功能的輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)了可編程的盲元替換。

本文給出了輻射定標(biāo)圖像，校正前圖像如圖8所示，校正后圖像如圖9所示，可以看到校正前圖像存在橫向水波紋、響應(yīng)過度的亮盲元點(diǎn)、響應(yīng)不敏感的暗盲元點(diǎn)，圖像校正后非常均勻且干凈。在不同積分時(shí)間和增益的情況下，校正后圖像的信噪比提升了16～18dB。

5 結(jié)束語

本文給出了使用時(shí)鐘管理芯片、時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、圖像處理、電子限流器設(shè)計(jì)思路和方案，解決了大面陣紅外探測(cè)器使用、設(shè)備工作環(huán)境特殊、設(shè)備小型化、高精度采樣和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，從紅外相機(jī)成像可以看到圖像細(xì)節(jié)豐富，試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的思路和方案為大面陣紅外視頻處理電路的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

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FPGA Design of “GF-4” Satellite Large-array Infrared Camera Video Processing Circuit

LIU Tao ZHANG Ye LI Liang WANG Yang ZHANG Xu HUANG Jing WANG Hua
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite infrared camera achieves a large-array imaging infrared detectors. This paper firstly analyzes the characteristics of large-array infrared detectors, equipment work environment, miniaturization, signal sampling precision and high-speed serial data transmission, and then uses a clock management chip clock network design to improve the signal sampling accuracy and the reliability of high-speed serial data transmission; In the paper the use of signal processing to achieve orbit correction channel inconsistencies and improve the signal to noise ratio of the image; the use of electronic current limiter prevents single event latch-made devices, and the device improves reliability; ground adaptive pixel correction, programmable blind yuan replaces experiments in orbit for future applications of the technology experiment. Finally, the infrared imaging camera location imaging results show that the proposed design ideas is feasible and meets the mission requirements.

clock network; field programmable gate array (FPGA); large area array infrared detector; GF-4 satellite

TP336

A

1009-8518(2017)03-0109-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.013

劉濤，男，1982年生，2009年獲電子科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位。研究方向?yàn)樾禽dFPGA信號(hào)處理。E-mail：178932565@qq.com。

（編輯：劉穎）

2016-04-19

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程