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)

摘 要： 根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場衛(wèi)星紅外成像工作環(huán)境的溫度要求，選取了非制冷長波紅外焦平面陣列探測器——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。
關(guān)鍵詞： 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)星方式測量大地重力場，需要在內(nèi)衛(wèi)星所受非保守力引起的擾動加速度小于1×10-11 m2/s的情況下測量內(nèi)外衛(wèi)星的相對位置[1]，利用非接觸可見光測量帶來的光壓擾動在4×10-10 m2/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，采用三臺固定于外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外相機(jī)對內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行拍攝，可解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對位置。
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器冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟龋@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。基于上述需求，本文通過分析內(nèi)編隊(duì)重力場衛(wèi)星的紅外成像環(huán)境，選用了合適的長紅外焦平面陣列探測器，對非制冷紅外相機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并利用FPGA實(shí)現(xiàn)了對焦平面陣列探測器芯片正常工作所需各種信號的控制和圖像預(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探測器上，模擬電路部分提供CCD工作的基準(zhǔn)電壓，CCD探測器在數(shù)字電路部分提供的掃描時(shí)序驅(qū)動下以模擬電壓的方式逐行輸出每一像素點(diǎn)的灰度值。該模擬電壓信號經(jīng)過高精度A/D采樣后生成數(shù)字圖像信號送入數(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。

考慮到電路噪聲對紅外圖像信號的影響，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CCD探測器基準(zhǔn)電壓的設(shè)置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對探測器輸出模擬圖像信號的轉(zhuǎn)換以及處理后模擬圖像信號的輸出。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探測器時(shí)序生成、圖像處理算法、處理后的數(shù)字圖像信號輸出以及整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理等[3]。
2 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 CCD探測器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場衛(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為9.66 μm，處于長波紅外波段，因此可以選用典型波長為8 μm~14 μm的紅外焦平面陣列探測器。在波長范圍確定的情況下，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非制冷型長紅外微型測輻射熱儀[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陣列；連接到探測器陣列的硅工藝讀出集成電路(ROIC)。
根據(jù)探測器芯片資料，探測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。

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 ?滋V/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，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；(3)積分信號。VIDEO信號在每行積分完成的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信號在1 V~4.2 V內(nèi)動態(tài)變化，它對應(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。

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)，對于非均勻性校正，預(yù)先將高低溫下的探測器像元響應(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信號采用低壓差分信號傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)信號的高速低噪聲傳輸[8]。電路設(shè)計(jì)較為簡單，只要在數(shù)據(jù)的收發(fā)兩端設(shè)計(jì)LVDS信號轉(zhuǎn)換芯片即可，本系統(tǒng)發(fā)送端采用了信號發(fā)送轉(zhuǎn)換芯片DS90CR215，接收端采用了與之相對應(yīng)的信號接收轉(zhuǎn)換芯片DS90CR216。
將紅外探測器采集到的圖像實(shí)時(shí)顯示在電視屏幕上，需要將預(yù)處理后的數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換為PAL制式的模擬電視信號。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、消隱信號和模擬視頻信號，這三路信號共用一路信號輸出[9]。由于PAL625行制的電視信號采用13.5 MHz的抽樣標(biāo)準(zhǔn)，而探測器輸出5 MHz，因此在輸出端采用了雙口RAM對圖像數(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]對雙口RAM中的像素灰度值進(jìn)行讀取。
3 系統(tǒng)測試結(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)表面的三臺紅外相機(jī)對內(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)重力場衛(wèi)星有效載荷測量的關(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)。
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