“高分四号”卫星大面阵红外相机视频处理电路的FPGA设计

刘涛 张晔 李亮 王洋 张旭 黄竞 王华

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星大面阵红外相机视频处理电路的FPGA设计

刘涛 张晔 李亮 王洋 张旭 黄竞 王华

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星填补了多项国内外的技术空白，其搭载的红外相机首次实现了大面阵红外探测器成像，并展示了高品质的大面阵红外成像能力。文章以高可靠性，高信噪比，小型化的大面阵红外相机视频处理电路为目标，从FPGA（Field Programmable Gate Array）设计角度给出设计思路和技术方案。首先，分析了大面阵红外探测器、设备工作环境与小型化、信号采样精度、高速串行数据传输等技术特点与难点。其次，给出设计思路和技术方案，包括使用时钟管理芯片进行时钟网络设计，提高了信号采样精度并提高了高速串行数据传输的可靠性；使用在轨信号处理实现通道不一致性校正，提高了图像的信噪比；使用电子限流器防止器件的单粒子栓锁，提高了器件的工作可靠性；使用一块 FPGA实现焦面控制、信号处理、工程数据处理、外围芯片控制等全部功能，实现了设备的小型化与轻量化；地面进行了自适应像元校正与可编程盲元替换实验，为后续型号在轨应用提供了技术储备。最后，从红外相机外景成像效果可以看到，设计思路和技术方案可行且满足任务要求。

时钟网络 现场可编程门阵列 大面阵红外探测器 “高分四号”卫星

0 引言

随着红外探测器研制技术的快速发展，红外成像系统被广泛应用在多个领域中，但多为线阵红外探测器，大面阵红外探测器的使用比较少见。针对“高分四号”卫星相机在轨8年寿命，高轨道的工作环境，对设备的可靠性提出了很高的要求，同时由于相机的结构特点，红外视频处理器需要一体化设计，实现红外焦平面控制、信号处理、工程辅助数据处理、高速数据传输等功能。本文分析了设备的特点与设计难点，使用了时钟管理芯片设计系统时钟网络的思路，以提高模拟信号采样精度和高速串行数据发送可靠性。使用了电子限流器件，降低单粒子栓锁可能造成的电路损坏。针对探测器和视频电路多路模拟通道不一致，进行了通道不一致性校正。并进行了地面自适应像元响应不一致性校正和可编程盲元替换试验，为以后的在轨运行做了技术实验。实验结果表明方案可行且达到预期性能。

1 大面阵红外探测器视频处理电路

大面阵红外视频处理电路由大面阵红外探测器、运放电路、模拟数字转换器、高速串行收发器、时钟管理芯片、外部存储器等元件组成。以下简要分析各个器件的特点及其对电路设计的影响[1-3]。

1.1 大面阵红外探测器

大面阵红外探测器的模拟像元信号输出分为4个通道，像元的排列为相邻的四个像素同时输出，这样可以降低模拟像元信号的读取时间，读出的像元模拟信号的位置如图1所示。

探测器的积分时间由积分信号INT控制，INT信号的上升沿表示探测器积分开始，INT信号的下降沿表示探测器积分结束。INT信号下降沿m个像元时钟之后输出像元数据，模拟像元信号的输出与探测器时钟信号的下降沿同步，探测器时钟信号的上升沿对准模拟像元信号的中心。

大面阵红外探测器由于制造工艺的限制，存在4个输出通道的不一致性，同时焦面电路和视频处理器电路之间模拟信号传输过程中，电子元件和电缆阻抗的不一致性，也导致4个通道之间存在不一致性，需要进行通道不一致性校正。像元响应不一致性以及盲元的特点，都需要后期的信号处理。

1.2 模拟数字转换器

模拟数字转换器的信号噪声比（SNR）受到很多因素的影响，其中之一便是孔径抖动，又称孔径误差，是采样之间孔径延迟时间的变化。产生这个误差的原因有很多种，其中输入时钟信号的抖动是一个直接的原因。模拟数字转换器（ADC）的信噪比可表示为：

式中 FANALOG表示输入信号的频率；tjrms是等效的时钟抖动；ε是平均的微分非线性偏差；n是ADC的量化位数；VNOISErms是输入信号的等效热电压噪声。

当ADC量化位数为14bit时，时钟抖动对信噪比有明显的影响，时钟抖动对信噪比的影响如图（2）所示。

使用时钟管理芯片，降低时钟信号的抖动，可以提高视频处理电路的信噪比。

1.3 高速串行收发器

高速串行收发器对输入参考时钟信号的性能有严格的规定。芯片对输入端的时钟进行10倍频处理，然后用倍频后内部时钟的上升沿和下降沿发送数据，产生 20倍的发生数据速率。输入数据速率为

100MHz，输出数据速率为2Gbit/s。SerDes芯片的数据手册对输入时钟的频率范围、频率稳定性、频率抖动、时钟占空比都有严格的规定，如表1所示。

表1 SerDes芯片输入参考时钟性能要求Tab.1 Input reference clock performance requirements of SerDes chip

使用时钟管理芯片，降低时钟信号的抖动，提高占空比的稳定性，可以提高视频处理电路数据传输的可靠性。

1.4 时钟控制器

时钟管理芯片的相位可以相同或分别调整，实现电路系统级时钟网络设计。因为ADC器件和SerDes器件需要高性能的时钟信号，所以电路系统必须使用系统级别的时钟网络设计。图3为时钟管理芯片性能图，当时钟频率高于 1kHz时，输出的时钟信号的噪声明显低于输入的参考时钟信号的噪声。可以提高系统时钟网络的时钟信号品质。

针对高轨道卫星的单粒子辐射问题，需要设计时钟异常检测功能、时钟管理芯片配置字控制功能。如果时钟管理器产生单粒子翻转，输出时钟错误，需要FPGA（Field Programmable Gate Array）重新发送配置控制字，恢复正常的时钟网络。

1.5 电子限流器

空间单粒子栓锁会产生大电流导致器件损坏，在高轨道及8年设计寿命的条件下，设备使用了电子限流器对关键器件进行电子限流保护功能，当限流器自动关闭时，会产生信号给 FPGA，FPGA根据状态，决定是否关闭电子限流器。

1.6 系统级时钟网络设计

当芯片对输入时钟信号品质要求较高时，系统级时钟网络设计方案是较好的选择，各个器件的时钟都由时钟管理芯片提供，到达电路上每一个器件的时钟相位相同。通过FPGA芯片的约束设计功能、输入数据、输出数据延迟功能对数据链路上的数据与时钟的相位关系进行调整，进一步提高速数据处理系统的可靠性。大面阵红外信号处理电路由模拟数字转换器、FPGA、高速串行收发器组成，电路系统级时钟网络结构图如图4所示。

2 大面阵红外探测器视频处理FPGA设计

大面阵红外探测器视频处理电路的FPGA设计中，怎样提高ADC的精度采样，怎样降低高速SerDes数据收发的误码率，怎样减小设备的体积，怎样处理大面阵红外探测器多个通道的不一致性，怎样提高器件的抗辐射指标，怎样提高地面信号处理的图像品质，从下面几点给出分析和方案[4-11]。

1）时钟网络设计。由于ADC器件和SerDes器件的设计需要，时钟信号由时钟管理芯片提供。系统时钟网络设计和源同步时钟设计是两种设计方案，系统级时钟网络设计需要FPGA对输入数据的相位进行调整以准确采样输入数据，输出数据相位调整以便使下一级芯片准确接收数据。

2）过采样设计。过采样的采样倍数取决探测器时钟频率与ADC时钟频率的倍数关系，因为像元模拟信号之间存在跳变，模拟信号跳变点采样数据是不稳定的，所以均值滤波必须选择模拟信号稳定的采样点，在一定程度上消除电路的随机噪声，输出稳定的像元数据。

3）积分时间信号的设计。探测器像元数据与探测器时钟上升沿的相位一致，串行控制字与探测器时钟下降沿的相位一致，过采样地址和像元地址需要匹配，对有效的像元数据进行过采样处理。由于数据拼接输出由行同步信号控制，所以INT信号的控制采用上升沿固定、下降沿可变，还是上升沿可变、下降沿固定，两种方案会导致不同设计效果。

4）延迟补偿设计。由于探测器、运算放大器、ADC、以及外围电路元件都存在个体差异，会产生器件响应延迟误差。探测器的时序控制信号由FPGA输出；探测器输入的时序控制信号到模拟像元信号的输出存在响应延迟；运算放大器及其外围电路的输入输出存在响应延迟；ADC器件大多基于流水线处理，输入的模拟信号到输出的数字信号存在固有的周期响应延迟。由于器件工艺和工作环境的不同，器件的延迟存在不一致性，在最差情况下，FPGA能采样ADC输出的有效数据，这需要补偿通道之间的响应延迟的不一致性。

5）通道不一致性校正。由于探测器、运算放大器、ADC、以及外围电路元件都存在工艺离散性，并且受到电路工作环境的影响，不同通道之间的模拟信号等效放大倍数，叠加的直流偏置电平，引入等效噪声都不同，通道之间的模拟信号处理存在不一致性。

基于以上的考虑，设计的FPGA软件包括：探测器时序控制模块、图像数据处理模块、指令接收控制模块、数据发送模块、辅助数据处理模块、存储器控制模块、时钟管理器控制模块。其中图像数据处理模块包括：模拟延迟模块、图像数据缓存模块、均值滤波模块、通道不一致性校正模块。电路结构框图如图5所示。

3 测试

红外外景成像如图6所示，可见光外景成像如图7所示。可以看到建筑物玻璃内部的钢架温度明显高于周边的物体温度，红外外景成像层次感分明，相对于可见光，提供更多的景物信息，对火灾监测效果尤为明显。

4 技术展望

像元响应离散性较大和存在盲元是目前红外探测器的固有特点，本文在地面进行了自适应像元校正和可编程盲元替换实验，取得了很好的效果，为进一步型号应用做了有益的探索[12-16]。

在不同积分时间和增益的情况下，像元获取的辐射能量不同，校正系数也不同，为了达到最佳的拟合曲线，根据积分时间的大小和增益的大小设计了多档位的校正系数，在不同的场景下，通过使用不同的校正系数，得到最佳的拟合曲线，实现了自适应像元校正。

随着红外探测器使用时间的增加，盲元可能会增加，为了达到最佳的图像质量，盲元坐标做为盲元替换功能的输入参数，实现了可编程的盲元替换。

本文给出了辐射定标图像，校正前图像如图8所示，校正后图像如图9所示，可以看到校正前图像存在横向水波纹、响应过度的亮盲元点、响应不敏感的暗盲元点，图像校正后非常均匀且干净。在不同积分时间和增益的情况下，校正后图像的信噪比提升了16～18dB。

5 结束语

本文给出了使用时钟管理芯片、时钟网络设计、图像处理、电子限流器设计思路和方案，解决了大面阵红外探测器使用、设备工作环境特殊、设备小型化、高精度采样和高速数据传输等问题，从红外相机成像可以看到图像细节丰富，试验结果表明，设计的思路和方案为大面阵红外视频处理电路的设计提供了有益的参考。

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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

刘涛，男，1982年生，2009年获电子科技大学电子科学与技术专业硕士学位。研究方向为星载FPGA信号处理。E-mail：178932565@qq.com。

（编辑：刘颖）

2016-04-19

国家重大科技专项工程