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)

1、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：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte摘 要：根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星紅外成像工作環(huán)境的溫度要求，選取了非制冷長(zhǎng)波紅外焦平面陣列探測(cè)器UL 03 16 2，

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(duì)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(guò)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(cè)量大地重力場(chǎng)，需要在內(nèi)衛(wèi)星所受非保守力引起的擾動(dòng)加速度小于110-11 m2/s的情況下測(cè)量?jī)?nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)位置1，利用非接觸可見光測(cè)量帶來(lái)的光壓擾動(dòng)在410-10 m2/s左右，已超出了非保守力的干擾要求范圍。通過(guò)分析得出，利用內(nèi)衛(wèi)星表面和外衛(wèi)星

3、腔體內(nèi)表面的紅外發(fā)射率不同，采用三臺(tái)固定于外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外相機(jī)對(duì)內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行拍攝，可解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)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(guò)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(wú)法滿足航天要求。而制冷型相機(jī)需要冷卻裝置將探測(cè)器冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟?，這增加了整個(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(wèn)題。基于上述需求，本文通過(guò)分析內(nèi)編隊(duì)重力場(chǎng)衛(wèi)星的紅外成像環(huán)境，選用了合適的長(zhǎng)紅外焦平面陣列探測(cè)器，對(duì)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(duì)焦平面陣列探測(cè)器芯片正常工作所需各

4、種信號(hào)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(guò)紅外光學(xué)鏡頭聚焦在CCD探測(cè)器上，模擬電路部分提供CCD工作的基準(zhǔn)電壓，CCD探測(cè)器在數(shù)字電路部分提供的掃描時(shí)序驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)過(guò)高精度A/D采樣后生成數(shù)字圖像信號(hào)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(duì)紅外圖像信號(hào)的影響，本系統(tǒng)

5、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(guò)排針直接相連。它們之間只有數(shù)字信號(hào)的交互，這樣既可以減小數(shù)模混合電路的相互干擾性，也可以降低信號(hào)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(duì)CCD探測(cè)器基準(zhǔn)電壓的設(shè)置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器輸出模擬圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及處理后模擬圖像信號(hào)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(cè)器時(shí)序生成、圖像處理算法、處理后的數(shù)字圖像信號(hào)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(cè)器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 根據(jù)內(nèi)

6、編隊(duì)重力場(chǎng)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(zhǎng)為9.66 m，處于長(zhǎng)波紅外波段，因此可以選用典型波長(zhǎng)為8 m14 m的紅外焦平面陣列探測(cè)器。在波長(zhǎng)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(zhǎng)紅外微型測(cè)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(chǎng)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(cè)輻射熱儀焦平面陣列包含兩部分：由384288個(gè)單元組成，采用多晶硅工藝制作的電阻型兩維探測(cè)陣列；連接到探測(cè)器陣列的硅工藝讀出集

7、成電路(ROIC)。 根據(jù)探測(cè)器芯片資料，探測(cè)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(cè)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

8、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(cè)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(hào)，所有內(nèi)部脈沖都是通過(guò)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(hào)；(3)積分信號(hào)。VIDEO信號(hào)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(hào)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

9、A/D轉(zhuǎn)換。CCD探測(cè)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(hào)在1 V4.2 V內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，它對(duì)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(hào)的輸出范圍很小，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)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AD92405，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A33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(duì)于非均勻性校正，預(yù)先將高低溫下的探測(cè)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(guò)上述公式

10、計(jì)算各像元系數(shù)并存儲(chǔ)到Flash中，在實(shí)時(shí)校正過(guò)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(duì)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(duì)于33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33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(guò)預(yù)處理后的圖像通過(guò)兩種方式輸出：(1)通過(guò)LVDS接口信號(hào)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(hào)采用低壓差分信號(hào)傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速低噪聲傳輸8。電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，

11、只要在數(shù)據(jù)的收發(fā)兩端設(shè)計(jì)LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片即可，本系統(tǒng)發(fā)送端采用了信號(hào)發(fā)送轉(zhuǎn)換芯片DS90CR215，接收端采用了與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收轉(zhuǎn)換芯片DS90CR216。 將紅外探測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為PAL制式的模擬電視信號(hào)。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(hào)、消隱信號(hào)和模擬視頻信號(hào)，這三路信號(hào)共用一路信號(hào)輸出9。由于PAL625行制的電視信號(hào)采用13.5 MHz的抽樣標(biāo)準(zhǔn)，而探測(cè)器輸出5 MHz，因此在輸出端采用了雙口RAM對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了緩存，再根據(jù)現(xiàn)有PAL制式

12、電視標(biāo)準(zhǔn)10對(duì)雙口RAM中的像素灰度值進(jìn)行讀取。3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析 通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)位置解算的精度。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最終目的是要通過(guò)外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的三臺(tái)紅外相機(jī)對(duì)內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行照相，最后通過(guò)雙目或三目交匯解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對(duì)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(cè)器的選取，硬件

13、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(hào)的獲取和圖像預(yù)處理，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的算法沒(méi)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(guò)對(duì)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(chǎng)衛(wèi)星有效載荷測(cè)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)。參考文獻(xiàn)1 張育林，曾國(guó)強(qiáng)，王兆魁，等.分布式衛(wèi)星系統(tǒng)理論及應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2008.2 Xilinx Company.Spartan-3 FPGA family complete data sheetS.2004，8.3 Hanson.A

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