自定義窗口的紅外成像系統設計

王明昌，樊養余，王 新

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自定義窗口的紅外成像系統設計

王明昌1,2，樊養余1，王 新3

（1.西北工業大學電子信息學院，陜西 西安 710072；2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；3.火箭軍駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450000）

紅外焦平面探測器已經迅速成為紅外成像領域的主流器件。針對某些紅外跟蹤裝置模擬器需要使用諸如320×256、128×128、64×64等多種像元數的特殊要求，系統通過利用探測器自定義窗口工作模式的功能來滿足該需求。探測器偏置電壓由高精度電壓參考源實現，外圍電路采用低噪聲設計技術，輸入輸出的數字信號均進行光電隔離。系統以FPGA為核心，實現了探測器基本時序控制、窗口模式設置、數字視頻接口、RS422接口、模數轉換和視頻顯示等功能，完成了自適應非均勻性校正、自動盲元剔除、圖像增強和灰度拉伸映射等算法，可以同時滿足觀測和算法驗證等多種需求。

紅外成像；自定義窗口；FPGA；NUC

0 引言

當前，紅外焦平面探測器技術日益成熟，廣泛應用于對空、對地等軍事領域[1-2]。探測器常用的窗口模式為320×256、320×240和256×256，但在一些特殊的應用中，如紅外跟蹤裝置模擬器，要求既能夠使用這些常用的模式，又能夠使用諸如128×128、64×64等窗口模式并實時成像。本文提出了針對這種應用需求的紅外成像系統設計方案。

1 探測器簡介

探測器選用法國Sofradir公司的HgCdTe探測器，工作波段為3.7～4.8mm，像元數為320×256，像元尺寸為30mm×30mm，斯特林制冷方式，NETD約為15mK。探測器的電氣信號接口包括模擬信號和數字信號，如圖1所示。

1.1 模擬信號

探測器模擬信號包括模擬電源、數字電源、偏置電壓、傳感器接口和模擬輸出接口。模擬電源、數字電源和偏置電壓的要求見表1。

探測器有兩組溫度傳感器接口（DTA1、DTK1）和（DTA2、DTK2），一路用于探測器制冷機判斷內部制冷情況，一路用于成像系統判斷探測器是否完成制冷。DTA為傳感器正極，DTK為傳感器負極，DTA需要接25mA的電流源。OUTPUT1～OUTPUT4是探測器完成光電轉換后輸出的紅外圖像模擬信號。

圖1 探測器電氣接口示意圖

1.2 數字信號

探測器數字信號包括：MC（工作時鐘），是外部輸入給探測器的時鐘信號；INT（積分時間信號），用來確定探測器的積分時間（高電平有效）；DATAVALID（數據有效信號），表示探測器當前輸出的模擬信號是否有效，信號為高電平時說明探測器輸出的模擬信號為實際的紅外圖像信號；NBOUT（輸出模式選擇信號），為高電平時表示探測器通過OUTPUT1～OUTPUT4四路信號并行輸出（缺省模式），為低電平時表示探測器僅通過OUTPUT1進行輸出；增益模式選擇信號（GAIN），為高電平時探測器等效電容為2.1pF（缺省模式），為低電平時探測器等效電容為0.7pF；窗口模式設置信號，包括SIZEA、SIZEB、SCLK、SCLR、SDATA和ERROR等。

2 成像系統設計

2.1 系統總體設計

紅外成像系統由光學、電路、軟件和結構等部分組成[3]，本文主要介紹電路和軟件方面的設計。

成像電路是一個典型的模數混合電路，包括紅外探測器、偏置電路、電源和圖像處理等電路。探測器對電源和偏置電壓噪聲性能要求很高，電源噪聲較大時，圖像上會明顯的表現出各種噪聲點或者斜條紋，所以電源和偏置電壓的品質直接影響圖像的質量。

軟件主要包括非均勻性校正、自動盲元剔除、圖像增強和灰度拉伸映射等算法的實現，主要目的是為了提高圖像質量和改善人眼觀測的效果。

系統以FPGA為核心實現各種功能，基本工作流程為：上電后，FPGA從FLASH中讀取兩點校正系數、盲元列表等參數并存儲在與其相連的SDRAM中；FPGA檢測到探測器制冷完成后，系統向探測器提供電源和偏置電壓；FPGA向探測器（缺省工作在320×256模式）發送工作時鐘、積分時間等信號；FPGA檢測到探測器輸出的數據有效信號為高電平時，啟動模數轉換芯片開始工作，將OUTPUT1～OUTPUT4等引腳輸出的模擬信號轉換為數字信號，并完成非均勻性校正、盲元替換、圖像增強和灰度拉伸映射等算法；FPGA通過RS422接口接收來自上位機的指令，完成自定義窗口模式切換等功能。

2.2 硬件設計

成像系統硬件主要組成如圖2所示，包括二次電源單元、制冷機電源濾波單元、信號預處理及轉換單元、探測器接口及圖像處理單元。

圖2 成像系統組成框圖

2.2.1 二次電源單元

該單元將外部輸入的＋28V電源轉換為探測器所需的VDDA、VDDL以及制冷機所需的＋24V電源。探測器對電源要求很高，對于數字＋5V和模擬＋5V電源，電流較大，采用兩個低噪聲的三端穩壓器LT1963-5 V實現，其10Hz～100kHz的RMS噪聲為20mV，能夠滿足使用要求[4]。由于＋28V到＋5V的壓降過大，所以先使用DC-DC隔離電源模塊HSA28S8將＋28V轉為＋8V后再給LT1963-5V供電。＋24V電源通過DC-DC隔離電源模塊HSA28S24由28V轉換得到。

2.2.2 制冷機電源濾波單元

該單元對＋24V電源和探測器的一對DTA、DTK信號進行濾波后送給制冷機，以保證制冷機正常工作，同時隔離制冷電機對成像系統的干擾。

表1 探測器電源和偏置電壓要求

2.2.3 信號預處理及轉換單元

該單元將探測器輸出的模擬信號進行調理后完成模數轉換，選用AD公司的AD9240芯片。該芯片工作時序如圖3所示，使用＋5V單電源供電，最大采樣率為10MHz，轉換精度為14位，帶寬為90dB，具有良好的低噪聲性能，能夠滿足系統的要求。

圖3 AD9240工作時序圖

2.2.4 探測器接口及圖像處理單元

該單元是整個硬件的核心，包括探測器接口、時序控制和顯示電路等部分。

2.2.4.1 探測器接口部分

探測器接口部分提供探測器所需的偏置電壓。偏置電壓允許的波動范圍在±0.005V之間，普通的線性電源無法滿足要求，采用高精度電壓參考源REF192并使用精密電阻分壓的方式來實現。為了避免數字信號對探測器模擬信號產生干擾，對MC、INT、DATAVALID、SIZEA、SIZEB、SCLK、SCLR、SDATA和ERROR等信號進行了光電隔離，隔離芯片采用HCPL-0630型高速光耦。

2.2.4.2 時序控制部分

時序控制部分主要由現場可編程邏輯器件實現[5]，選用Xilinx公司的XC5VFX70T芯片，FPGA對外的接口關系如圖4所示。Flash是用來存儲非均勻性校正系數、盲元列表等信息，系統上電后，校正系數、盲元列表等從FLASH中讀入到SDRAM存儲器中，用于非均勻性校正和盲元替換。

1）基本時序控制

探測器制冷完成后，FPGA產生探測器工作所需的工作時鐘和積分時間信號，接收探測器輸出的數據有效指示信號，時序如圖5所示。積分時間信號為高電平時探測器工作在積分狀態，其下降沿必須同時鐘信號上升沿對齊，Ncol為列數，Nrow為行數。探測器輸出圖像的幀頻通過積分時間信號的周期時間來確定，系統可以接收上位機發來的指令來改變探測器工作的幀頻，例如320×256模式時幀頻為50Hz，128×128模式時幀頻為100Hz。

圖4 FPGA對外接口框圖

2）窗口模式設置

探測器使用SIZEA、SIZEB引腳的不同組合來對窗口模式進行設置：SIZEA、SIZEB信號與窗口模式的對應關系為：(1,1)，320×256模式；(1,0)，320×240模式；(0,1)，256×256模式；(0,0)，320×256范圍內的自定義窗口模式。

SCLR、SDATA和SCLK信號用來對探測器自定義窗口模式進行必要的配置：SCLR復位記錄窗口坐標信息的計數器，SDATA傳送窗口坐標位置的相關信息，SCLK是最大頻率為10MHz的時鐘信號。自定義窗口模式的設置過程為：

①在固定窗口模式下（即320×256、320×240和256×256模式中的任意一種），探測器要至少輸出1幀圖像；

②在SCLK的第1個上升沿，將SCLR設置為高電平，保持一個SCLK周期后，再置為低電平；

圖5 探測器基本工作時序

③將SIZEA、SIZEB設置為自定義窗口模式，即（0,0）；

④發送SDATA數據序列，該序列必須在DATAVALID信號下降沿和INT信號的上升沿之間進行發送；

⑤檢測ERROR信號，如果為低電平，表明已設置成功；如果為高電平，表明設置失敗，需要重新進行設置。

探測器焦平面坐標系定義如圖6所示，假設自定義窗口是由、兩點確定的矩形窗口，兩點的坐標分別為(X,Y)，(X,Y)。進行窗口模式設置時，假設點的數據為MIN、MIN，點的數據為MAX、MAX，則在方向，Y＝MIN（0≤MIN≤255），Y＝MAX（MIN≤MAX≤255）。在方向，對于一路輸出模式，X＝MIN（MIN＝4，0≤≤64）；X＝MAX（MIN＋64≤MAX≤319）；對于四路輸出模式，X＝4×MIN（0≤MIN≤64）；X＝4×MAX－1（MIN＋16≤MAX≤80）。

圖6 探測器坐標系定義

窗口坐標序列的傳送順序為MIN，MAX，MIN和MAX，每個坐標值按照先高位后低位的順序進行發送。MIN和MAX分別為8bit；探測器為四路輸出時，MIN和MAX分別為7bit；為一路輸出時，MIN和MAX分別為9bit。

例如，探測器工作在1路輸出模式，如果以探測器窗口中心的128×128范圍內進行開窗，中心點的坐標為(159,127)，點的坐標為(95,63)，點的坐標為(223,191)，則MIN＝95，MIN＝63，MAX＝223，MAX＝191。在進行窗口設置時發送的數據依次為00111111，10111111，001011111，011011111，設置數據應在DATAVALID信號的下降沿和INT信號的上升沿之間進行發送，時序如圖7所示（探測器已輸出一幀以上的圖像）。

3）RS422接口

成像系統通過RS422接口完成與上位機之間的通信，系統從上位機接收的指令包括非均勻性校正、盲元標定、自定義窗口等。

圖7 探測器自定義窗口模式設置時序圖

2.2.4.3 顯示電路

顯示電路的主要功能是將處理后的紅外圖像數據轉會為適合監視器顯示的模擬視頻信號，以便于實驗人員進行觀測，電路框圖如圖8所示。

圖8 模擬顯示電路框圖

為了緩存用于顯示的圖像數據，FPGA外接一個FIFO，選用AverLogic公司的AL422B，存儲容量為3Mbit，可以存儲一幀以上圖像的完整信息。

系統選用AD公司的ADV7122，該芯片為專用的視頻數模轉換芯片，主要信號包括3組10位的數字視頻輸入信號，復合同步信號SYNC，消隱信號BLANK和時鐘信號CLOCK等，外接一個1.235V的參考電壓，采用高阻電流源的方式輸出，可以直接驅動75W同軸電纜。

2.3 軟件設計

2.3.1 非均勻性校正

兩點校正算法是當前工程中應用最為廣泛的非均勻性校正算法，該算法的使用前提是探測器的輸出具有良好的線性度和時間穩定性，探測器在一定的響應范圍和工作時間內都能夠滿足這兩個要求[6]。兩點校正公式為：

Y＝AX＋B(1)

式中：X為探測器像元的原始輸出；Y為經過校正后的輸出；A為增益系數；B為偏置系數。校正過程為：

1）計算單元響應

2）校正系數計算公式為：

2.3.2 自動盲元剔除算法

紅外探測器中存在著對外界輻射響應過高、過低或者沒有響應的盲元[7]。為了保證圖像質量，紅外成像系統出廠前都要標定盲元，并使用鄰域灰度的平均值進行替代。但是受到工藝水平的限制，探測器經過較長時間貯存后，會產生以孤立盲元為主的新生盲元。如果不剔除這些盲元，圖像質量必然下降。因此，系統在出廠時進行盲元標定的基礎上，采用了自動盲元剔除算法。

自動盲元剔除算法是利用盲元的“惰性”，即在實時運動場景的若干時間段內，當圖像內容因場景運動而發生變化時，盲元不會隨之發生變化的特點而設計的。算法首先對圖像是否運動進行判斷，把圖像分成×（如32×32）大小的區域并計算均值，統計相鄰兩幀圖像中對應區域的均值差大于閾值的區域總數，如果超過了規定的門限，則判定圖像發生了運動。如果某個像元在連續若干幀圖像中均滿足如下條件：為×鄰域（如16×16）的局部極值，與鄰域內其它像元灰度均值差的絕對值大于設定閾值，并且鄰域中不存在與該像元灰度相接近的像元，則判定該像元為盲元。

使用自動盲元剔除算法對比效果如圖9所示，可以看出，算法能夠有效檢測并剔除新增的孤立盲元。

圖9 自動盲元剔除算法使用前后對比

2.3.3 圖像增強算法

由于光學系統等因素的影響，紅外圖像邊緣會出現模糊的情況[8]。為了改善圖像的視覺效果，提高清晰度，系統采用了自適應高通濾波加權平均增強算法，將原始圖像與高頻分量加權平均，以達到增強邊緣的效果。使用的高通濾波模板如圖10所示，將模板與原始圖像進行卷積后可以得到圖像的高頻分量。

－1－1－1 －18－1 －1－1－1

圖像增強算法的計算公式為：

f,j￠＝[32f,j＋(8f,j－f－1,j－1－f－1,j－f－1,j＋1－f,j－1－

f,j＋1－f＋1,j－1－f＋1,j－f＋1,j＋1)]/32 (3)

式中：f, j￠為增強后的像素灰度值；f,j為像素點及其8鄰域范圍內像素點的原始圖像灰度；為加權系數。圖像增強前后的對比如圖11所示。

圖11 圖像增強前后效果對比

2.3.4 灰度拉伸映射算法

經過各種算法處理完后的紅外數字圖像通過模擬顯示電路轉換成模擬視頻信號后，在監視器上進行顯。但紅外圖像存在對比度弱的缺點[9]，圖12的紅外圖像灰度分布范圍僅為7940～8120，直接取圖像高8位進行顯示的結果如圖12(a)所示，無法分辨場景。因此系統采用了自適應的灰度拉伸映射算法對數據進行處理，以改善圖像的顯示效果。

算法中設置需要統計的像素上下限的比例為，取值范圍一般在1%～5%，算法的流程為：統計得到圖像灰度拉伸的上限值h和下限值l，h值的滿足條件：圖像中灰度大于h的像元總數占圖像總像元數的比例等于。l值滿足條件：圖像中灰度小于l的像元總數占圖像總像元數的比例等于；對圖像每個像元進行灰度映射，如果灰度大于h則映射為255，如果灰度小于l，則映射為0，h和l之間的像元映射為：out＝(out－l)×255/(h－l)。

使用灰度拉伸映射前后圖像的效果對比如圖12所示。

圖12 灰度拉伸映射前后效果對比

3 試驗結果及分析

系統調試完成后，通過試驗對設計進行了驗證，試驗主要包括NETD測試、實際場景成像試驗和自定義窗口模式試驗。

在25℃和30℃黑體條件下，系統NETD測試結果為24mK，表明系統性能良好；對實際場景的成像和顯示效果均良好。

對自定義窗口模式的測試方法為，通過上位機軟件向成像系統發送相應的指令，系統接收到指令后進行模式和幀頻切換，針對320×256（50Hz）、320×240（50Hz）、256×256（50Hz）、128×128（100Hz）、64×64（100Hz）等多種窗口模式進行了實驗，系統均能夠正常工作。

4 結束語

系統利用探測器的自定義窗口的工作模式，采用低噪聲設計技術，以FPGA為核心，實現了非均勻性校正、自動盲元剔除、圖像增強和灰度拉伸映射等算法，具有圖像質量良好、環境適應性強和工作穩定等特點，能夠滿足紅外跟蹤裝置模擬器等某些特殊設備的應用需求。

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Infrared Image System Design of User-defined Window

WANG Mingchang1,2，FAN Yangyu1，WANG Xin3

(1.,,710072,; 2.,471009,; 3.,450000,)

IRFPA is becoming the leading device in theinfrared domain rapidly. Some tracker simulators need to use special image pixels, such as 320×256, 128×128 and 64×64. This paper proposes a method which uses the detector’s user-defined window mode to satisfy this requirement. It uses precision voltage reference to realize the bias voltage, and uses low noise technology to design the peripheral circuit. All the digital input and output signals are insulated by HCPL0630. It uses FPGA as a core to realize functions of interface control, user-defined window mode, digital video interface, RS422, analog to digital conversion, video display and algorithms of NUC, and automatically dead pixel elimination. It can be used in many fields, such as monitoring and algorithm proving.

infrared image，self-defined window，FPGA，NUC

TN919.3

A

1001-8891(2016)07-0550-06

2016-01-22；

2016-03-04.

王明昌（1977-），男，河南洛陽人，高級工程師，碩士，主要從事紅外成像技術的研究。E-mail：wang_mc@126.com。