基于FPGA的小型星载非制冷红外成像系统设计与实现

肖龙龙，刘 昆，韩大鹏

（国防科技大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 410073）

基于FPGA的小型星载非制冷红外成像系统设计与实现

肖龙龙，刘 昆，韩大鹏

（国防科技大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 410073）

根据内编队重力场卫星红外成像工作环境的温度要求，选取了非制冷长波红外焦平面阵列探测器——UL 03 16 2，并在此基础上进行了系统的软硬件设计。硬件电路采用了模拟电路和数字电路分离设计方案，以减小电路噪声对红外图像的影响。在系统实现上，以内嵌MircoBlaze微处理器FPGA为主处理器，通过编程实现了图像数据的获取、处理和输出以及整个系统各模块的综合管理，提高了系统的集成度和稳定性。

红外焦平面阵列；成像系统；FPGA；图像处理

采用内编队卫星方式测量大地重力场，需要在内卫星所受非保守力引起的扰动加速度小于 1×10-11m2/s的情况下测量内外卫星的相对位置[1]，利用非接触可见光测量带来的光压扰动在 4×10-10m2/s左右，已超出了非保守力的干扰要求范围。通过分析得出，利用内卫星表面和外卫星腔体内表面的红外发射率不同，采用三台固定于外卫星腔体内表面的红外相机对内卫星进行拍摄，可解算出内外卫星的相对位置。

由于内编队卫星的特殊性，要求该星载红外相机的体积、质量、功耗都很小。通过调研发现，现有的商业红外相机很难达到上述要求，且无法满足航天要求。而制冷型相机需要冷却装置将探测器冷却到相当低的温度，这增加了整个系统的功耗和复杂度。因此，研制一种小型星载非制冷红外相机是实现内编队卫星有效载荷需要首先解决的问题。基于上述需求，本文通过分析内编队重力场卫星的红外成像环境，选用了合适的长红外焦平面阵列探测器，对非制冷红外相机进行了系统设计，并利用FPGA实现了对焦平面阵列探测器芯片正常工作所需各种信号的控制和图像预处理算法以及整个系统的综合管理。

1 非制冷红外成像系统总体设计

本文设计的非制冷红外成像系统主要由光学镜头、非制冷红外焦平面阵列、控制电路、图像处理和输出电路组成，系统构成框图如图1所示。红外目标光线经过红外光学镜头聚焦在CCD探测器上，模拟电路部分提供 CCD工作的基准电压，CCD探测器在数字电路部分提供的扫描时序驱动下以模拟电压的方式逐行输出每一像素点的灰度值。该模拟电压信号经过高精度A/D采样后生成数字图像信号送入数字电路部分。数字电路部分实时完成各种图像处理任务，并输出处理后的图像数据供PC机作后续处理或在电视机屏幕上显示。

考虑到电路噪声对红外图像信号的影响，本系统采用了数字电路和模拟电路分离设计思想，将数字电路和模拟电路设计在不同的电路板上，通过排针直接相连。它们之间只有数字信号的交互，这样既可以减小数模混合电路的相互干扰性，也可以降低信号在传输线上的噪声影响。模拟电路部分主要采用各类电压转换芯片实现对CCD探测器基准电压的设置。模数转换芯片实现对探测器输出模拟图像信号的转换以及处理后模拟图像信号的输出。数字电路部分以内嵌MicroBlaze 32位微处理器软核的 FPGA为主处理器[2]，实现的功能主要包括CCD探测器时序生成、图像处理算法、处理后的数字图像信号输出以及整个系统的综合管理等[3]。 （ROIC）。

根据探测器芯片资料，探测器正常工作所需的电源和各项偏置电压参数要求如表1所示。

表1 探测器电压信号一览表

2 各模块的设计与实现

2.1 CCD探测器电路设计与实现

根据内编队重力场卫星设计的红外成像环境温度（300 K）和黑体维恩位移定律，可得到红外光谱辐照度的峰值波长为9.66 μm，处于长波红外波段，因此可以选用典型波长为8 μm～14 μm的红外焦平面阵列探测器。在波长范围确定的情况下，综合考虑航天运用上高可靠性、低功耗、低噪声和小型化等方面的要求，选取了ULIS公司生产的UL 03 16 2非制冷型长红外微型测辐射热仪[4]。与之相匹配的红外镜头委托相关公司设计了视场角120°、焦距3 mm、光圈F数为1的广角镜头。UL 03 16 2微型测辐射热仪焦平面阵列包含两部分：由384×288个单元组成，采用多晶硅工艺制作的电阻型两维探测阵列；连接到探测器阵列的硅工艺读出集成电路

由表1可知，VDDA和VDDL为供电电源，选用了转换效率高、稳定性好的LT1086-5.0和 LT1086-3.3电源芯片，它可提供1.5 A的最大电流。4个精密基准电压源需要为探测器提供低噪声的偏置电压（VBUS、GFID、VSK和GSK），比较此类芯片的特性，采用AD584配合精密可调电阻产生VBUS、GFID和VSK三种电压，采用LM4041配合精密可调电阻产生GSK电压。为了使电源噪声达到上述要求，设计了放大器去噪电路，采用低噪声精密放大器OP270，它在1 kHz下能达到5 nV的电压稳定精度，温度漂移为1 μV/K。图2以VSK（5.475 V）电压为例给出了具体电路原理图，其他电压的电路原理基本类似。

探测器借助不同的外部时钟和偏置电压，内部时序器为完全同步的ROIC操作提供所有必要的内部信号，所有内部脉冲都是通过主时钟的整数倍频得到的。内部时序器的操作仅需要以下时钟[4]：（1）主时钟（MC）；（2）复位信号；（3）积分信号。VIDEO信号在每行积分完成的18.5个时钟周期后开始输出，与之相应的AD采样时钟可设置为积分完成后的19个周期开始，与主时钟同步。上述信号的时序关系可在FPGA内部编程实现。

2.2 模拟采样电路设计

为了保证图像的高质量，需要确保高精度、低噪声的A/D转换。CCD探测器为串行输出，最高主频为6 MHz，图像采集的数据量较大。输出的Video信号在1 V～4.2 V内动态变化，它对应了-10℃～80℃的温度范围，由于系统环境温度是27℃，Video信号的输出范围很小，给电路的设计带来了较大的困难。为了尽可能提高输出速度和采样精度，选用了14位高速高精度集成转换芯片AD9240[5]，其电路连接图如图 3（a）所示。

由于Video信号的输出范围很小，可根据 AD芯片接口的输入电压范围进行信号电平变换，使Video电压信号满足AD转换芯片的满量程输入。设AD输入的共模电压为Vmod，参考电压为Vref，则满量程输入范围相当于Vmod-Vref～Vmod+Vref。设计信号变换电路如图 3（b）所示。根据电路关系，只要调整k和Vref，使得Vref=k·max|Vmod-Video|，即可使得探测器的输出电压范围与 AD芯片的满量程输入相吻合，其中k=R134/R115。

2.3 图像处理模块设计与实现

本系统的图像处理模块只涉及图像的预处理功能，主要包括图像的非均匀性校正、对比度增强和滤波。

红外焦平面阵列像元在均匀红外光入射条件下，其图像输出信号幅度也会有所不同，往往表现为固定图案的本底噪声和各像元响应率的不一致，这种不一致的响应率会造成图像上出现水平纹理，使得红外输出图像的视觉效果很差[6]。因此，需要对原始图像数据进行非均匀校正。本系统设计的温度动态范围较小，宜采用两点校正方法。假设阵列单元的响应特性在设计温度范围内为线性的，则非均匀性引入固定模式的乘性和加性噪声，在此条件下，焦平面阵列在均匀辐射背景条件下的输出为：

ai，j、bi，j分别为两点校正法的校正增益和校正偏移量，对于每一个阵列元，这些参数都不相同，可通过对同一黑体在高温TH和低温TL下均匀辐射的响应计算出ai，j和bi，j，从而实现非均匀校正。两点校正法将所有阵列元在高温TH和低温TL下的均匀黑体辐射的响应分别规格化为yH和yL：

校正增益和校正偏移量可通过下式计算得到：

其中xi，j（H）、xi，j（L）分别为像元（i，j）在高温TH和低温TL均匀辐射背景下的响应。将各像元的校正增益和校正偏移量ai，j和bi，j预先存储起来，在图像校正过程中将xi，j代入式（1）进行实时校正。

当红外背景和目标的温度相当时，像素值的动态范围就会很窄，产生对比度不足的弊病，可通过图像增强的方法改善图像的主观质量。本文采用了灰度线性扩展方法，设原图像xi，j的灰度范围为[a，b]，变换后图像yi，j的灰度范围扩展到[c，d]（c=0，d=255），则可采用如下的线性变换来实现，从而使像素值扩充到整个灰度空间。

红外图像受到随机散粒噪声干扰后会出现粒状闪烁从而影响成像质量，采用中值滤波可以很好地消除这类噪声的干扰。在中值滤波中，需要设定像点的邻域即模板窗口[A（i，j）]M×N（M、N=3、5、7……），并将模板中心与图中某个像素位置重合，图像中值滤波后像点的输出等于该像点邻域中所有像素灰度的中值，阵列x（i，j）经窗口为[A（i，j）]M×N的中值滤波后，像点（i，j）的输出可记为：

本系统设计中考虑到图像目标比较均匀单一，采用了计算量偏小的A3×3中值滤波窗口。

上述图像处理模块的实现都由FPGA实现，对于非均匀性校正，预先将高低温下的探测器像元响应存入外部SRAM中，直接调用FPGA中的乘法和加法模块通过上述公式计算各像元系数并存储到Flash中，在实时校正过程中由MircoBlaze将系数调入到外部SRAM中供校正模块使用[5]。对于线性灰度变化，可先求取图像的最大和最小灰度值，然后将校正后的像素值代入式（6）即可求得。对于3×3中值滤波，可将图像数据延迟得到3行并行数据[7]（不延迟行数据、延迟 1行数据和延迟 2行数据），利用这3行并行数据完成3×3窗口内延迟1行数据的中值滤波计算。

2.4 图像输出模块设计与实现

经过预处理后的图像通过两种方式输出：（1）通过LVDS接口信号方式输出，供后续处理；（2）实时显示在电视屏幕上。

LVDS信号采用低压差分信号传输方式，可实现信号的高速低噪声传输[8]。电路设计较为简单，只要在数据的收发两端设计LVDS信号转换芯片即可，本系统发送端采用了信号发送转换芯片DS90CR215，接收端采用了与之相对应的信号接收转换芯片DS90CR216。

将红外探测器采集到的图像实时显示在电视屏幕上，需要将预处理后的数字图像信号转换为PAL制式的模拟电视信号。系统采用AD公司的DAV7123视频转换芯片，视频码流在芯片内部进行D/A转换，再进行视频编码，然后生成复合同步信号、消隐信号和模拟视频信号，这三路信号共用一路信号输出[9]。由于 PAL625行制的电视信号采用 13.5 MHz的抽样标准，而探测器输出5 MHz，因此在输出端采用了双口RAM对图像数据进行了缓存，再根据现有 PAL制式电视标准[10]对双口RAM中的像素灰度值进行读取。

3 系统测试结果与分析

通过上述硬件电路的设计和图像预处理算法的实现，得到不同预处理阶段的图像和PC机上实现的边缘提取结果如图4所示。

通过图4图像可以得出，两点校正后的图像成像效果较好，伴有随机散粒噪声干扰，经过中值滤波后，基本上消除了噪声的影响。预处理后的图像边缘轮廓清晰，通过边缘提取结果分析得知，图像质量基本上能保证内外卫星相对位置解算的精度。

本项目设计的最终目的是要通过外卫星腔体内表面的三台红外相机对内卫星进行照相，最后通过双目或三目交汇解算出内外卫星的相对位置。本文的内容属于前期红外相机原理样机的研制，包括红外CCD探测器的选取，硬件电路的设计与软件系统的实现，但其功能只限于红外图像信号的获取和图像预处理，FPGA实现的算法没有涉及到后续的图像处理，包括图像的边缘提取、中心拟合以及三目交汇的解算。通过对预处理后的图像边缘提取结果分析可知，该原理样机的图像输出质量良好，基本达到系统要求，攻克了内编队重力场卫星有效载荷测量的关键技术，为后续试验样机和工程样机的研制奠定了坚实的基础。

[1]张育林，曾国强，王兆魁，等.分布式卫星系统理论及应用[M].北京：科学出版社，2008.

[2]Xilinx Company.Spartan-3 FPGA family complete data sheet[S].2004，8.

[3]Hanson.Advances in monolithic ferroe1ectric uncooled IR FPA technology[C].SPIE，1995，3379：60-68.

[4]ULIS Company.UL 03 16 2 datasheet revision1[S]. 2006，12.

[5]Analog Devices,Inc.High speed AD 9240 datasheet，Rev.A，1998.

[6]周建勇，尹玉梅，唐遵烈，等.基于 FPGA的红外图像非均匀性校正技术[J].半导体光电，2007，28（2）.

[7]SEINSTRA F J，KOELMA D.A fully sequential programming model for efficient data parallel image processing. Concurrency and Computation：Practice and Experience，2004，16（6）：611-614.

[8]张健，吴晓冰.LVDS技术原理和设计简介[J].电子技术应用，2000（5）.

[9]邓春健，王琦，徐秀知，等.基于FPGA和ADV7123的VGA显示接口的设计和应用[J].电子器件，2006，29（4）.

[10]PAL-D制电视广播技术规范[S].中华人民共和国国家标准，GB 3174-1995.

[11]徐欣，于红旗.基于 FPGA的嵌入式系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

Design and implementation of miniature uncooled infrared imaging system onboard based on FPGA

XIAO Long Long，LIU Kun，HAN Da Peng
（College of Aerospace and Material Engineering,National Univ.of Defense Technology,Changsha 410073，China）

：According to environment temperature requirement of the infrared imaging system working on the formation gravitational field satellite,a long-wave uncooled infrared focal plane array detector— UL 03 16 2 was selected,and then the hardware and software of the infrared imaging system were designed based on it.For the hardware circuitry,analog circuit and digital circuit were separately designed on two circuit boards in order to reduce the circuit noise impacting on the infrared image.For the system implementation,an FPGA chip embedded a microprocessor MircoBlaze was selected as the host processor.The acquisition,processing and output of infrared image data was implemented by programming in the FPGA chip,as well as the integrated management of the entire system,which improved the integration and stability of the system.

infrared focal plane array；imaging system；FPGA；image processing

TN221

A

0258-7998（2010）09-0054-04

2010-03-24）

肖龙龙，男，1984年生，博士研究生，主要研究方向：卫星有效载荷及平台设计。

刘昆，男，1965年生，教授，博士生导师，主要研究方向：飞行器设计与控制。

韩大鹏，男，1982年生，博士，讲师，主要研究方向：航天电子应用。