紅外探測器集成圖像信號處理芯片設計

金長江 董曉紅

摘要：紅外成像技術基于全天候自動化探測、靈敏度高、抗干擾能力強等特點，在多領域發揮了不可替代的作用。紅外探測器應用中，信號處理是一項重點內容，對整體信號采集、分析結果產生了直接影響，傳統模式下原始輸出數據噪聲大、非均勻性嚴重問題極為突出，這對于紅外線探測器應用效果造成嚴重干擾，基于此，探究一種紅外探測器集成圖像信號處理芯片設計方法，希望為緩解信號處理問題提出更多參考。

關鍵詞：紅外探測器；圖像信號處理；芯片；設計思路

一、前言

隨著紅外成像技術的持續發展，紅外線信號處理得到進一步重視。為了滿足新時期紅外探測器的集成信號處理需求，達成圖像除噪、增強圖像畫質等目標，針對集成圖像信號處理的研究不斷得到拓展。與此同時，紅外線探測器作為一種應用范圍廣泛的設備，在武器裝備中發揮了重要作用，這些問題的存在成為困擾相關領域發展的桎梏，且新時期武器裝備功能日益強大，采集的圖像信號向大數據、復雜方向靠攏，處理圖像的算法模塊也呈現復雜、繁瑣、實時性強等特點，常用的 FPGA 或 FPGA＋DSP 圖像處理方式不再適用，尤其在小口徑紅外制導彈藥應用領域無法滿足需求。基于此，本文就紅外線探測器集成圖像信號處理芯片設計問題展開分析具有現實意義。

二、紅外集成信號處理現狀分析

基于紅外成像技術的大面積推廣應用，相關設備日益先進。其中紅外熱像儀中探測器技術基于市場需求，得到迅速發展。國外，紅外焦平面探測器已經在武器領域得到廣泛應用 ，充分發揮紅外成像技術優勢，輔助武器提升性能。尤其是以640×512等為代表的二代碲鎘汞紅外探測器，是現階段重點推廣設備。與此同時，基于需求發展，紅外探測器得到持續化發展，紅外探測器日益先進。在此過程中，對紅外熱像儀中的紅外圖像信號處理效果和質量要求標準也不斷提高，不僅需要保證紅外圖像信號處理系統和紅外熱像儀的其他軟硬件設備相匹配，還需要持續優化圖像信號處理效率、清晰度等參數[1]。在此背景下，本文基于紅外探測器發展水平，從集成圖像信號處理電路方向入手，探究提高圖像信號處理效果的可行性設計思路。

三、設計方案闡述

結合上文對紅外探測器集成圖像處理現狀的闡述，提出了一種利用集成圖像信號處理電路提升圖像信號識別、檢測精準度，提升信號目標識別效率，增強噪聲等抗干擾能力的設計思路，為我國紅外探測領域發展提供參考。

（一）設計思路分析

設計集成圖像信號處理電路，發揮電路的高性能集成優勢，實現對圖像信號的智能化檢測識別。通過技術優勢，提升目標信號強度、強化噪音或者雜波抗干擾能力，進而達到提升信噪比、有效提升目標檢測精確度的目標。

設計中應注意以下幾點：第一，需要確保電路可以實現復雜背景條件下背景和目標信號初步分離，換言之，需要保證目標信號可以從原始圖像中被精確提取出來；第二，確保紅外圖像系統可以對目標進行高精度檢測識別，對采集的圖像信號進行高速處理，且確保處理后的數據結果具備可靠性和科學性[2]。

此外，當前紅外探測器在持續化發展中，關于集成圖像信號處理系統的研究也日益深入，目前有多種圖像信號處理方式，其中借助FPGA、DSP和PC機的技術架構方式應用較廣，同時也出現了“FPGA+DSP”協同應用處理方法。上述三種方式中，現場可編程邏輯陣列（field programmable gate array，FPGA）架構、數字信號處理器（DSP）以及多方式聯合應用方式較為常見。無論何種結構方式，核心器件都依賴國外企業，尤其是隨著武器裝備領域向小體積、低功耗等方向發展，上述架構方式的短板逐漸暴露，此時需要提出一種新型方式提升處理效果。此時半導體集成電路工藝的出現，為大批量數據運算處理、圖像畸變校正等提供了支持。因此，本文以集成電路為框架，實現邊緣圖像預處理算法和圖像處理算法達成ASIC （application specific integrated circuit）集成，進而形成紅外信號處理ISP電路，這是實現降噪、提質目標的可行思路。

（二）紅外ISP電路設計

結合上文的設計思路思考設計框架，構建如圖1所示的系統結構。本文基于紅外線探測器信號處理目標和需求，探究信號集成路徑，形成集成圖像預處理算法的ISP系統芯片專用電路[3]。結合圖1來看，設計中，以ARM Cortex-M4處理器為核心支撐運行，應用AMBA（advanced microcontroller? bus architecture）總線結構，最終形成運行頻率為100MHz、395mW功耗的處理系統。此外，內部還包含內置圖像信號處理IP、圖像接口、3路UART等。

（三）基本功能闡述

結合新時期紅外線探測器的功能需求和應用場景，需要確保其圖像信號處理系統具備如下功能：第一為噪音去除功能；第二為細節增強，自動化曝光；第三為自動聚焦。具體來看，第一，噪音去除功能。在視頻圖像處理過程中，受噪音干擾的影響，需要借助降噪算法對其進行處理，傳統的線性濾波技術無法應對非高斯噪音或非線性噪音，基于此，探索新的噪音去除方法極為重要。視頻圖像降噪算法中時域降噪在保護圖像邊緣中具備優勢。基于這個特點提出一種降噪算法，可以確保圖像內容在幀間的相關性，確保時域方面可以準確捕捉圖像，確保攝像頭在捕捉運動過程中，前一幀和后一幀可以精確匹配，并對相匹配的圖像進行強度檢測。通過這種方法確保圖像精確識別，最大限度降低視頻圖像中的噪點，確保圖像呈現細節豐富的畫面[4]。第二，細節增強。現階段，在進行圖像采集過程中，場景過度曝光問題發生概率較為頻繁，進而導致圖像細節不夠清晰的問題難以杜絕。因此，針對這一情況，需要借助現代化技術，對圖像進行處理，發揮算法模型優勢，確保其在圖像采集過程中，可以更好地適應光線影響，自動化調整曝光時間。第三，自動聚焦。隨著現代化技術發展，大量現代化技術導致自動聚焦成為熱點，在紅外線探測器中，為了確保圖像采集過程更貼合實際，且符合人眼觀察效果，聚焦功能優化持續開展。目前在自動化控制技術支持下，自動控制聚焦、精準識別圖像特征成為關鍵[5]。

（四）專用圖像預處理模塊設計

結合上文闡述，圖像預處理模塊中，算法模型是基礎。其中算法之間交互是保證圖像信號、數據傳輸的關鍵，所謂算法交互包括兩點：第一是數據流之間的高效傳輸和算法信息交互；第二是保證算法和緩存之間存在大規模交互的通道。為了確保紅外焦平面在擴大發展過程中仍正常發揮效用，多采用1024×1024分辨率的面陣。這時，隨著面陣擴大，會導致內部總線帶寬發生變化，需要達到400～700Mbyte/s才可以滿足需求，而外部存儲器帶寬需要滿足4～7Gbyte/s才可以支撐運轉。這時，也需要對高速總線接口、高帶寬外部存儲器和高效存儲器等進行升級，否則會影響后續使用效果。

基于上述分析，在設計高速總線接口過程中，必須要確保其具有合理的外部存儲器讀寫訪問功能，然后將每一模塊與ISP電路中的總線連接，調整參數配置，選擇是否參與預處理流程成為重點。同時涉及數據量較多的子模塊還會與外部高速接口聯系在一起，這無形中進一步提升了數據吞吐量，支撐系統采集、處理更多圖像信號。但是紅外線探測器自身的材料、工藝會影響原始圖像質量，進而導致后續圖像處理系統處理結果受到干擾，尤其是在對比度較低、隨機噪音大等條件下，會嚴重干擾圖像信號處理效果。因此，在進行集成圖像信號處理系統設計中，也需要圍繞紅外線探測器的相關信息進行思考，例如探測器驅動器、圖像存儲等。最后將各模塊集成并靈活配置，就可以滿足需求。在此結合分析結果，以ISP電路為基礎獲得如圖2所示的圖像預處理模塊，該設計方案總共包含15個子模塊。

四、仿真試驗分析

為了測試上文設計方案的科學性和實用性，本文借助仿真系統軟件，完成試驗測試。用實際結果驗證該設計方案的價值。首先，對集成的圖像預處理模塊進行仿真，依據設計方案配置圖像IP內的各個模塊，確保各模塊有效連接，彼此之間流暢交互。然后圍繞應用場景配置芯片各輸出控制信號時序，從視頻接口位置輸入原始圖像數據，依托仿真軟件探究各圖像IP內每級模塊輸出是否正確，并探究ISP電路中除了圖像預處理模塊的其他模塊仿真情況。最后，以結果作為驗證該設計思路是否可行的基礎。仿真試驗主要內容如下：第一，處理器仿真。確定其是否可以如實加載處理器的各項指令，并對其反應情況做出驗證。第二，配置圖像模塊的時鐘復位仿真，通過比對讀寫寄存器初值的差異確定圖像處理效果。第三，有序觸發各中斷源，驗證各中斷模式能否充分、高效做出反應。第四，DMA仿真。科學配置DMA等，驗證從DAM作為BUS Master進行數據傳輸時，傳輸數據是否會發生錯誤。第五，對DDR進行仿真，通過讀寫其各邊界地址，驗證數據是否正確。第六，對外設接口進行仿真，確定QSPI、I2C等在單線/雙線/四線模式下通訊動作的正確性。 仿真試驗結果如下：通過仿真試驗分析，設計的方案最終圖像信號處理效果如圖3所示，相較傳統模式而言，清晰度、細節增強效果、亮度效果等有明顯提升。

五、結語

綜上所述，隨著社會發展，關于紅外成像技術的應用、開發成為熱門領域，且基于實際需求，與其他技術融合應用日益頻繁。本文結合當前紅外線探測器發展狀況，總結新時期紅外成像技術應用發展趨勢以及當前紅外圖像信號處理面臨的問題，以問題為依據，結合現代化技術優勢，提出一種集成圖像信號處理電路設計思路，應對噪聲大、對比度低及非均勻性嚴重的輸出圖像處理問題，通過仿真試驗測試其可行性和實用價值。希望本文可為我國紅外線探測器創新發展提供更多參考。

參考文獻

[1]胡鵬博，郭曉東，詹東軍，等.基于銻化銦中波制冷紅外探測器的高幀頻圖像采集系統設計[J].光學與光電技術，2022，20（6）：53-57.

[2]田震，宋淑芳，邢艷蕾，等.甚長波碲鎘汞紅外探測器制備研究[J].激光與紅外，2022，52（10）：1527-1531.

[3]陳正超，唐利斌，郝群，等.HgCdTe多層異質結紅外探測材料與器件研究進展[J].紅外技術，2022，44（9）：889-903.

[4]杜鵬飛，葉偉，蕭生，等.銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb紅外探測器的研究進展[J].激光與光電子學進展，2022，59（17）：47-53.

[5]葛浩楠，謝潤章，郭家祥，等.人工微納結構增強長波及甚長波紅外探測器[J].物理學報，2022，71（11）：13-30.

基金項目：基于電子產品設計虛實結合系統開發設計（課題編號：061920）

作者單位：成都航空職業技術學院