（光学工程专业论文）用于ccd图像传感的嵌入式系统设计.pdf

己? 沱弋! ， j l 7 独创性声明 l i i i i i i iii i ii i i i i ii i1 11 l 1 y 1713 5 9 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：塑骛兰 ：日期：和f 口年歹月叼日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蕉疸绝i 里一导师签备，纽 日期：加f o 年5 月叼日 ， 岫 置 。 i j ： ，j 岫i ，1 p a b s t r a c t a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e m sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，i n c l u d i n gc o n s u m p t i o n d i g i t a lp r o d u c t s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，私w e l l 舔i n d u s t r i a l c o n t r o l l i n g t h i st e c h n i q u eh a v eb e e ng r a d u a l l yp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e s e i n d u s t r i e s t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fl a s e rl o c k i ni m a g et e c h n i q u e ，a n di t s t h e o r e t i c a lm o d e lt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i c a la n a l y s i s ，a n dt h e np r e s e n t e de m b e d d e d s y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e mi sc o n s i s t e do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e v e l o p m e n to f s o f t w a r ei ne m b e d d e ds y s t e mc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：o p e r a t i n gs y s t e mk e r n d d e v e l o p m e n t , b s pd r i v e rd e v e l o p m e n ta n du p p e ra p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t c e r t a i nd e v e l o p m e n tb o a r da n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mu s e di ni n d u s t r y c o n t r o lp r o d u c td e v e l o pp o s s e s sg r e a tg e n e r a l i t y , t h u sc o u l db eu s e da st h eb a s i st o d e v e l o po b ro w np r o d u c t ，r e d u c i n gp r o d u c td e v e l o pc y c l e e q u i p m e n t sb a s e do nc c di m a g es e n s i n gc o u l db ei m p l e m e n t e di nt h ee m b e d d e d s y s t e mw i t hm i n i a t u r i z a t i o n ，p o r t a b i l i t y , a n dp r o d u c tf o r m i n gf e a t u r e s i nt h i st h e s i s ，a n e m b e d d e ds y s t e mw h i c hw i l lb ea p p l i e dt oc c di m a g es e n s i n gi sr e a l i z e d t h es o f t w a r e m o d u l ea n dh a r d w a r em o d u l eo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma r ed e s i g n e d ；t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sc o n s t r u c t e do ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m ； ah a r d w a r e c i r c u i t a ld r i v e rp r o g r a ma n du s e ri n t e r f a c ep r o g r a mi sc o m p i l e d ；t h ed r i v e rp r o g r a m s a n da p p l i c a t i o np r o g r a m si sd 曲u g g e db yt e s tp r o g r a m sd e s i g n e d t h ed e b u g g i n gr e s u l t s s u g g e s t st h a tt h es y s t e mc o u l dr u na se x p e c t e d i na d d i t i o n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fa u t o m o b i l ea n t i - d a z z l i n gs y s t e mw a s i n t r o d u c e d t h ea n t i d a z z l i n gs y s t e mw a sb a s e do nc c dp h o t o e l e c t r i ci m a g ed e t e c t i o n p r o c e s s i n g ，e x t r a c t e dt h et a r g e ti m a g ea c c u r a t e l ya n di m p l e m e n t e dr e a l - t i m ed i s p l a y t h ee x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e d ah i g h - p o w e rl e do rs e m i c o n d u c t o rl a s e ra n dc c d i m a g ei se m p l o y e d t h en e c e s s a r yi m a g ep r o c e s s i n ga n ds y s t e mm a n g e a r ec o m p l e t e d w i mas o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ea n t i - d a z z l i n gs y s t e mh a se f f i c i e n ti n h i b i t i o n e f f e c to ns t r o n gb a c k g r o u n dl i g h t ，a n dc o u l db eu s e dt oa c q u i r eb a n c k g r o u n di m a g ea s i i a b s t r a c t s t r o n gl i g h ti sp r e s e n t t h er e a l - t i m ec h a r a c t e r , a c c u r a c ya n ds p e e do f t h es y s t e mc o u l d s a t i s f yg e n e r a la p p l i c a t i o nd e m a n d t h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i sc o u l d b ei n s t a l l e da n du s e do na u t o m o b i l e st om a k et h ea n t i - d a z z l i n gs y s t e mi m p l e m e n tf o r m i n i a t u r i z a t i o n , a n dc o u l db eu s e di np r o d u c t i o no fl a s e rl o c k - i ni m a g et e c h n i q u e k e yw o r d s ：l a s e rl o c k - i ni m a g e ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u xd r i v e r , q t i i i - ， 目录 l ， 第一章绪论。 目录 1 1 1 研究背景及意义1 1 2 嵌入式技术概述2 1 3 主要研究内容及论文安排4 第二章激光锁定成像6 2 1激光锁定成像系统概述6 2 2激光锁定成像的关键技术原理8 2 2 1模拟鉴相器模型8 2 2 2图像积分技术原理9 2 3锁定成像的数学分析1 0 第三章嵌入式系统总体构架 1 4 3 1嵌入式系统的硬件结构1 4 3 2嵌入式l i n u x 开发环境1 6 3 2 1构建交叉编译环境18 3 2 2l i n u x 服务器通信环境2 0 3 3启动引导程序b o o t l o a d e r 2 1 3 3 1 b o o t l o a d e r 工作原理2 1 3 3 2u b o o t 简介。2 3 3 3 3编译烧写u b o o t 2 3 3 4 基于t f t p 实现l i n l o c 内核的更新2 5 3 4 1l i n u x 系统下的t f t p 服务配置2 5 3 4 2l i n u x 内核的烧写2 6 第四章嵌入式l i n u x 文件系统2 8 4 1l i n u x 文件系统概述2 8 4 2嵌入式文件系统简介3 0 4 2 1 基于f l a s h 的文件系统3 1 4 2 2基于r a m 的文件系统3 2 4 3 构建自己的根文件系统3 3 4 3 1 创建根文件系统的基本目录结构3 4 i v 目录 4 3 2 移植b u s y b o x 。3 4 4 3 3 为使用用户登录功能移植t i n y l o g i n 3 5 4 3 4修改和创建必要的文件3 5 4 3 5烧写文件系统镜像到n a n df l a s h 3 6 第五章嵌入式l i n u x 驱动程序设计。 3 8 5 1嵌入式l 肌) ( 驱动程序简介3 8 5 1 1l i n u x 下设备的注册和管理。3 9 5 1 2嵌入式l i n u x 驱动程序分类4 0 5 2控制模块的驱动程序编写4 0 5 2 1l i n u x 字符设备驱动程序4 1 5 2 2编写信号发生电路模块的l i n u x 驱动4 2 5 3安装测试信号发生电路的驱动程序4 4 第六章基于q t e 的界面开发4 7 6 1嵌入式图形系统简介4 7 6 1 1嵌入式图形系统的特点4 7 6 1 2嵌入式图形系统的种类4 7 6 2 q t e m b e d d e d 开发环境的搭建4 8 6 2 1 搭建q t e m b e d d e d 开发环境4 8 6 2 2q t 的开发工具q m a k e 和q td e s i g n e r 5 0 6 3操作界面的软件实现5 0 第七章嵌入式系统的应用5 4 7 1军用激光锁定成像5 4 7 2汽车防眩晕系统5 5 7 2 1系统基本原理5 5 7 2 2光源的选择5 7 7 2 3本实验c c d 器件的性能参数5 7 7 2 4关键问题5 8 7 2 5试验结果与结论5 8 第八章总结。 致谢 参考文献 6 5 硕士研究生期间学术成果7 1 v t 吐 心 和 ， l 。 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 嵌入式计算机系统的出现，是现代计算机发展史上的里程碑事件。嵌入式系 统诞生于微型计算机时代，与通用计算机的发展道路完全不同，形成了独立的单 芯片的技术发展道路【l 】。现代计算机技术分为通用计算机与嵌入式计算机的两大独 立发展技术。通用计算机按照高速、海量的技术发展；嵌入式计算机系统则为满 足对象系统嵌入式智能化控制要求发展。2 0 世纪末，嵌入式系统得到了迅猛地发 展。嵌入式系统广泛应用于很多产业中并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、 国防、运输和航天领域【2 j 。例如神州飞船和长征火箭中就有很多嵌入式系统，导弹 的制导系统也是嵌入式系统，汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、 更干净、更容易驾驶，高档汽车中甚至有多达几十个的嵌入式系统【3 1 。经过几十年 的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且 这些改变还在加速。本论文开发的嵌入式系统，主要针对图像传感和测量方面的 应用。 汽车眩晕是指夜间两车相会时一方远光灯对另一方驾驶员造成的视力瞬时下 降的现象。随着机动车辆拥有量的大幅增加，关于交通和机动车的社会问题益显 突出。在众多的关于交通的问题中，机动车会车开远光灯现象极为普遍，成为危 害交通安全的一大“公害【4 】。在两车相会时，当对方汽车远光灯发出的强光照到 驾驶员的眼睛，会产生眩光，使驾驶员眼前瞬间失去正常视力，过后还有几秒钟 ( 因人的暗适应能力而定) 的眩晕，影响安全驾驶。通过乔克斯勒效应研究发现： 眩光会使驾驶员的反应时间增加1 4 秒。当汽车以百公里时速行驶时，会使刹车距 离增加近一倍。这对夜间驾车来说，是非常危险的。据统计，车祸数据中夜间车 祸占6 0 以上，而在导致夜间车祸的非人为因素中，远光灯眩目成为夜间车祸高 发因素，令驾驶者头疼不已。因此设计并实现一个用于汽车的防远光灯炫目的嵌 入式装置，显得十分必要和很有意义。激光锁定成像用于强背景光下弱目标图像 的获取。在强光背景下，目标物体和背景光处于同一视场，这时目标物被掩盖， 人眼无法辨别，c c d 图像传感器也因为强光而呈饱和状态失去了其成像能力。采 电子科技大学硕士学位论文 用锁定成像( 1 0 c k i ni m a g i n g ) 技术，用一特定激光光源照射目标物体，通过c c d 成像并进行算法处理，可实时的检测并跟踪获取到目标图像。 本系统是基于c c d 光电图像检测处理技术的基础之上，利用嵌入式技术实 现了一个小型化，便于安装和使用，能在强背景光下精确提取目标图像并实时显 示的嵌入式系统。实验系统使用大功率主动光源( l e d 或半导体激光) 和c c d 图 像采集系统，用软件完成图像处理实现所需要的功能。所需要用的图像处理和系 统功能均需在双核嵌入系统实现。论文工作是为汽车防眩晕和锁定激光成像设计 和开发嵌入式系统，并模拟真实环境进行试验，验证激光锁定成像技术的正确性 及可行性。 c c d 光电检测技术已经广泛应用于各种领域。借助光电技术，可以通过摄像 仪、数码相机，c c d 图像仪等方式得到客观世界图形信息的记录和描述。由c c d 图像传感器构成的实时、非接触无损测量系统是近几年发展起来的一种新型测量 系统，可以应用于炼铁、矿场、工业、电路、激光加工及电线电缆制造等广泛行 业【5 1 。同时具有小体积、高精度、高速、操作灵活、无损检测等特点。 c c d 光电检测技术是一种通过将光学和数字相结合的新兴技术，其质量的好 坏在相当程度上取决于被扫描的目标图像的质量。c c d 器件将检测技术由以往的 机械测量变为光电测量，是检测技术的重要发展里程。使用c c d 图像器件获取目 标图像不但可以大大提高检测速度，而且使目标图像更稳定和可靠，并易于掌控 和实现自动化的操作。利用数字式图像扫描仪或数码相机对物体、图形图像、文 字等进行扫描或拍摄，将光影的图像聚焦到光电设备内光电荷藕合器件c c d 电荷 传感器上，通过光电的转换，产生数字电荷信息，再将该信息通过电荷转移到半 导体存贮器上存贮【6 】。最后对存贮的电荷进行图像信号处理，最后得出结果。c c d 图像传感器具有高的分辨率，可捕捉很丰富的图像细节，并可获取具有一定景深 的三维实物图像，而且其制造成本也不断的下降。 1 2 嵌入式技术概述 嵌入式系统是一种具有计算机功能，却又不是计算机也不是计算机系统的设 备，它是计算机技术、通信技术、传感器技术等一系列技术融合在一起的产物 7 1 。 他主要是针对具体的应用需求而设计的，通过裁减相应的软件和硬件，实现一个 在功耗，成本，大小，便携性方面都符合要求的专用智能系统。嵌入式系统在硬 件方面主要是由主处理器，功能芯片及其外围电路构成，而它的软件部分主要是 2 第一章绪论 由嵌入式操作系统，硬件驱动程序及具有针对性的应用程序构成。整个系统可以 独立完成一个特定的任务。在日常生活中，大部分的电器设备都要用到嵌入式技 术，其中包括有手机、洗衣机、电话、数码相机、数字电视、m p 4 播放器、d v d 播放器、智能家电系统、掌上游戏机、数码摄像机等。 嵌入式系统的硬件组成具体来说可以分为处理器部分、存储器部分、外部设 备部分、图形显示部分和输入输出端口部分。嵌入式系统与普通的p c 机系统在硬 件方面的主要区别在于：它不像普通的p c 机系统一样有如硬盘那样大的容量的存 储媒介，它们通常使用n o r 或者n a n d 的闪存、r o m 等固态存储媒介来储存数据 或程序【8 】。软件各个部分的具体功能分别为：操作系统负责协调应用程序与驱动程 序的通信合作；驱动程序负责对硬件的操作；应用程序负责使整个嵌入式设备按 照设计者的设计初衷有序的工作。 概况的说，嵌入式系统有如下特点： ( 1 ) 由于嵌入式系统是由计算机技术、自动化技术、工业控制技术、多媒体技 术、通信技术等多种先进技术相结合的产物，因此它必定具有高技术含量、高资 金含量、高创新性等特点。嵌入式市场是一个既充满机遇又充满挑战与竞争的市 场，这一市场特别适合于那些具有高技术含量高创新性的小型科技公司。 ( 2 ) 嵌入式系统一般都是针对某一特殊群体，实现某些特定功能的针对性应 用。因此，嵌入式系统中的处理器与通用的处理器最大的区别在于嵌入式处理器 是工作在专用系统中的，而且跟通用处理器相比，它们一般具有更低的功耗，更 小的体积和更高的集成度，利用半导体技术把各个外围电路整合到一颗芯片内部， 从而实现系统的小型化。在进行嵌入式系统设计时，要根据实际的需求，删除不 必要的硬件以节约成本，简化操作系统和应用程序以提高系统运行效率，才能达 到最好的性能【9 l 。 ( 3 ) 嵌入式系统是基于实际应用需求上开发的，因此，它的软硬件系统更新也 是和实际产品同时进行的。它一旦被一定量的用户所接受，就能维持较长的生命 周期。 ( 4 ) 出于对运行速度和设备工作稳定性的考虑，嵌入式设备的软件通常都不是 存储于磁盘中，而是直接固化在r o m 或者f l a s h 等固态存储器中。因为嵌入式系 统一般都是一个小型化的设备，它的存储器容量和处理器处理能力都比较有限， 再加上嵌入式设备对实时性有较高的要求，所以它对程序的执行效率和稳定性有 着较高的要求。 ( 5 ) 嵌入式系统在完成设计之后是一个封闭的系统，使用者无法独自在它基础 3 电子科技大学硕士学位论文 之上进行二次开发。如果要进行二次开发，必须借助该设备的厂商所提供的开发 工具、电路原理图、程序源代码等才能进行。 ( 6 ) 通用计算机的应用开发一般都是由专门从事计算机开发的技术人员进行 的。而嵌入式系统由于它涉及到各个方面的技术，因此它的开发者也往往来自各 个学科的工程师。同时这也要求嵌入式系统开发中所用到的工具必需易于学习， 容易上手，并且稳定可靠。 1 3 主要研究内容及论文安排 本课题的主要任务是研究激光锁定成像技术，模拟真实环境验证该技术的正 确性和可行性，同时基于激光锁定成像技术设计一个可通用于c c d 图像传感的嵌 入式系统。该系统可运用于汽车防炫目系统的设计，也可应用于军用激光锁定成 像系统的设计，可加速它们的产品化进程，使之实现小型化，移动化。要求该嵌 入式系统能稳定工作于各种场合，各种天气条件下，并且在一定的数据流量下还 能实时客观的反应现场。本人主要工作内容包括对激光锁定成像技术的研究和验 证；对嵌入式硬件系统的架构；对嵌入式l i n u x 操作系统的移植；l i n u x 操作系统 下的开发环境的搭建；嵌入式l i n u x 系统下的驱动开发；嵌入式l i n u x 系统下的界 面程序的开发等。 论文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 系统阐述激光锁定成像原理及其系统框架，对鉴相器和图像积分技术建立 数学模型并进行数学分析。 ( 2 ) 学习l i n u x 系统下的命令行操作，程序的编写，脚本文件的编写，m a k e f i l e 文件的编写。详细研究了l i n u x 系统的启动过程，为下面的构建根文件系统做准备。 ( 3 ) 建立服务器端的开发环境。构建嵌入式设备的根文件系统，在嵌入式设备 上移植u b o o t ，利用u b o o t 烧写l i n u x 内核和文件系统，最终完成l i n u x 系统的 移植。 ( 4 ) 开发嵌入式l i n u x 系统下的控制信号发生模块和按键的驱动程序，使按键 模块和控制信号发生模块能够在l i n u x 系统中正常工作。 ( 5 ) 移植q t e ，并基于q t e 开发嵌入式设备的界面程序，为汽车防炫目系统 提供了一个简洁明了的操作界面。 ( 6 ) 在w i n d o w sx p 操作环境下，基于m f c 框架，采用c + + 程序设计语言， 开发用于实验的软件系统。使用各种不同的主动成像光源和滤波系统，模拟真实 4 第一章绪论 夜间行车环境进行试验，验证了汽车防炫目系统的可行性和激光锁定成像技术的 可行性。 论文主要内容安排如下： 第一章，绪论部分。概括的介绍了本论文的研究背景和意义、嵌入式系统概 念和本论文主要研究内容。 第二章，阐述激光锁定成像系统框架，分析鉴相器模型和图像积分技术原理， 对锁定成像的过程进行数学分析。 第三章，介绍嵌入式系统的硬件组成，构建嵌入式l i n u x 开发环境。包括介绍 l i n u x 操作系统、构建服务器端开发环境、移植u b o o t 、烧写内核、配置通信服务 钴 号手。 第四章，构建自己的嵌入式l i n u x 根文件系统。移植b u s y o o x 为嵌入式l i n u x 提供工具软件，移植t i n y l o g i n 为设备提供身份验证。 第五章，介绍l i n u x 下设备驱动的工作原理，编写按键和控制信号发生模块的 l i n u x 驱动，同时编写测试程序用于测试所开发的驱动。 第六章，基于q t e 的界面开发。主要介绍q t e 在本开发板上的移植，以及利 用移植好的q t e 进行界面的开发。 第七章，对本嵌入式系统的两个具体应用：汽车防眩晕系统和军用激光锁定 成像的原理进行阐述，利用p c 机进行模拟实验，并对结果进行分析。 第八章，总结。对全文工作进行总结。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章激光锁定成像 微弱信号检测技术概括的说就是一种从大量噪声中提取小量弱小信号的理论 与技术。噪声对于弱信号的影响几乎无处不在，它总是与信号共存，如影随形。 对于一般的微弱信号，例如弱光、弱磁、弱声波、微偏移等，通常都是利用相应 的传感器将其转化为电信号，再经过放大电路放大以得到被测量信号的值。但是， 由于被测量信号过于微弱，而传感器的固有噪声、放大电路的热噪声以及外界的 干扰噪声过于强大，经常淹没了我们的目标信号。而且在放大目标信号的同时也 放大了噪声，因此只是单纯的放大信号是不能把微弱信号从强噪声中提取出来的。 只有在有效的抑制固有噪声的前提下，有效提高微弱信号的幅度，才能实现有效 的弱信号提取。 本课题将锁相技术应用于激光信号的提取。通过对激光信号的调制，然后通 过鉴相技术实现了在强背景光中提取出所需的激光信号。本章将对激光锁定成像 的系统框架和原理进行详细阐述，并分析它的数学模型。 2 1 激光锁定成像系统概述 在这里首先假设单纯使用光学窄带滤波片对背景光干扰进行滤除。光学窄带 滤波片的中心波长等于主动成像的光源波长，位于光学镜头前。对于主动成像的 光源，只有平行于光轴的光线能够以最大的透过率通过滤波片，其它傍轴光线不 满足最大透过率条件；对于波长接近但不等于主动成像的光源波长的背景光，平 行于光轴的光线不能够以最大的透过率通过滤波片，而某一角度的傍轴光能够满 足最大透过率条件；波长远大于主动成像的光源波长的背景光被滤波片滤除。所 以，波长接近于滤波片的中心波长的背景光是不能被滤波片滤除的。现象表现为： 没有主动成像的光源照明时，背景图像并未完全消失；在有主动成像光源时，由 于光源信号较弱，未完全滤除的背景光噪声仍然有可能将信号光源淹没。这是光 学滤波在近场应用时不可避免的。因此，要解决这一问题，必须引入对激光光源 的调制鉴相滤波技术。经过光学滤波和鉴相滤波后，目标光源的信号被削弱，使 得所获得的图像不够清晰，通过采用图像多个周期积分的方式，可增强目标光源 6 第二章激光锁定成像 的信号，最终实现获得清晰的目标区域图像。 激光锁定成像系统采用经过调制的半导体激光照射所感兴趣的目标区域，该 目标区域的背景光为强背景光，对信号造成极大的干扰，能使c c d 镜头因为饱和 而失去正常获取图像的能力。激光锁定成像系统首先通过光学滤波滤除部分强背 景光，再将得到的信号与调制信号进行鉴相处理，进一步滤除背景噪声，最终将 激光照明区域的图像从强背景光中提取出来。具体技术方案如图2 1 所示，首先利 用数字正弦信号调制半导体激光器，使之发出一系列幅度随正弦信号变化的激光 光束，该光束经扩束后照明目标区域。目标区域的物体经照射后，将激光和背景 光散射到光学获取系统。散射光先经过光学滤波，然后进入c c d 焦平面阵列。数 字正弦信号由高速双核d s p 视频处理芯片产生，同时调制信号的幅度和相位存储 于c p u 内存中。由于激光受到调制，目标散射进入c c d 焦平面阵列的光强是确 定频率的正弦变化的信号，相应的灰度信号也是正弦变化的。背景光未经过调制， 因此它的灰度信号变化是不确定的，其变化频率与调制频率大不相同。在调制频 率的一个周期内取若干幅图像，和存贮于内存的正弦信号进行锁定激光成像相关 运算，可将背景光的灰度滤除，只保留激光灰度信号。从而使只有激光照明的区 域的灰度信号得以保留，背景光( 包括探测器暗电流) 被完全滤除，最终得到一 幅清晰的目标图像。 图2 1 激光锁定成像原理框图 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 激光锁定成像的关键技术原理 激光锁定成像的关键技术为锁定鉴相和数字积分技术。锁定鉴相技术从背景 光的强大噪声中提取出微弱的调制激光信号；数字积分技术在不放大噪声的前提 下将目标物体散射的激光信号放大，从而得到清晰的目标物体图像。 2 2 1 模拟鉴相器模型 模拟乘法器鉴相器的输出“，( f ) 是它的两路输入信号( 被测信号m ) 和参考信 号，o ) 的乘积) ，即： u p ( f ) = x ( t ) r ( t ) ( 2 1 ) 假设x ( t ) 和，( f ) 均为正弦信号，被测信号为： “力= kc o s ( c o o t + d( 2 2 ) 参考输入为： r ( t ) = vc o s ( 6 0 0 t ) ( 2 3 ) 式中，是被测信号和参考信号的频率；9 是它们之间的相位差，p 可能是由 信号频率的变化量造成的。将x - 戈( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 代入式( 2 3 ) 得： “p ( f ) = f ) r ( t ) = 圪c o s ( r o o t + o ) vc o s ( c o o t ) = 0 5 圪巧e o so + o 5 k 形c o s ( 2 c o o t + 0 )( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 结果的第一项为乘积的差频分量，第二项为和频分量。式( 2 4 ) 说明， 经过鉴相器后，原来频率为哦的信号的频谱迁移到了彩= 0 和0 3 = 2 c o o 处。频谱迁 移后保持原谱形状，幅度取决于被测信号的幅度k 和参考信号的幅度k 。 鉴相器的输出“p ( f ) 经过低通滤波后，式( 2 - 4 ) 中的和频分量被滤除，低通滤波 器通带之外的噪声也被滤除，得到的输出为： 8 第二章激光锁定成像 “。( f ) = n ( f ) 出= f 0 5 v v c o s 9 + o 5 v vc o s ( 2 c o o f + o ) d t ( 2 5 ) = 0 5 圪k c o s g 式( 2 - 5 ) 说明低通滤波器的输出正比于被测信号的幅度圪，同时正比于被测信 号与参考信号的相位差目的余弦函数。当0 = 0 时，输出u o ( f ) 最大，从而实现了鉴 相和鉴幅。 2 2 2 图像积分技术原理 图像的积分方式可以有两种形式：模拟积分和数字积分。模拟积分技术是对 图像的原始模拟信号直接进行积分，因此它常常在成像器件上直接实现。例如， 就电荷耦合器件( c c d ) 而言，由于c c d 具有电荷存储功能，因此随着器件的帧 积分周期的延长，图像信号就会得到有效的积累，从而提高图像的信噪比。但是 对于本系统，使用c c d 进行图像积分，在增强目标区域图像信号的同时会加大背 景光的图像信号，在一定条件下会造成c c d 器件的饱和。本系统设计数字图像积 分算法，可以实现只对目标区域图像信号的积分，从而提高图像对比度。 数字式积分则需要将原始的模拟图像信号量化为数字信号，然后再对数字信 号进行累加运算，因此在该处理器中必须有帧存储器作为数据缓冲。然而随着图 像空间分辨率的提高，就必然要求有更大的存储器容量。近年来，随着超大规模 集成电路的飞速发展，存储器的容量变的越来越大，而且价格越来越低，读写速 度也越来越快，因此数字式积分技术也就成为简便而又实用的图像增强手段。 本系统采用数字积分器可以看作是一个实时视频信号处理器，由于它只对帧 间目标区域对应像素进行累加运算，而与帧内其它像素无关。从c c d 输出的视频 信号首先被量化为数字信号，通过调用a p i 函数进行图像采集，并写入各自的对 应存储单元。每隔一定的时间采集一帧图像，得到n 幅数字灰度图象，并存储在 计算机内存中。当第二帧图像数据到来时，第一帧对应像素的数据被读出并与第 二帧数据相加然后再反写入该存储单元。如此反复就可以实现图像数据的数字累 积，而此时另一帧存储器则处于读状态实现积分结果图像的显示。 在传统的图像积分技术中，其周期是人工可调的固定时间常数，这对于实验 室研究而言都是实用而有效的。然而对于战场观察、导弹制导等实际应用场合， 随着时间和场景的变化图像的内容可能会随之而产生剧烈变化，这时如果积分时 9 电子科技大学硕士学位论文 间不变则可能得不到有效的图像增强效果，或者积分饱和而使图像产生失真，因 此如何适时地自动调整积分参数实现最佳的积分效果就显得尤为重要。同时加长 采样周期，使得计算量变大，得出目标图像结果的时间也增加，不利于系统实时 性的实现。 2 3 锁定成像的数学分析 在本系统中，需要将采集的图像灰度信号进行图像数字化，再通过计算机编 程实现数字鉴相和积分。图像数字化是将一幅图像从其原来的物理信号形式转换 为数字形式的过程，而数字化的逆过程是显示，即由一幅数字图像生成一幅可见 的图像。一般的图像( 即模拟图像) 不能直接用数字计算机来处理，必须转化为 数字图像。将物理图像分割成图像元素，每个像素的亮度或灰度强弱用一个整数 来表示。对于本系统使用的灰度图像，可将每个像素的亮度或灰度特征等间隔分 为2 5 5 份，亮度越大，其灰度数值越低。0 数值的像素点在计算机中显示为黑色， 而数值2 5 5 显示为白色。 在完成图像数字化之后，再对图像进行锁定成像处理。锁定成像即是利用上 述的鉴相技术和图像积分技术与调制激光相结合，完成对图像的获取处理。其处 理的数学流程如图2 。2 所示。 l o 第二章激光锁定成像 图2 - 2 锁定成像数学流程 设c c d 所采集的连续图像的灰度信号函数为： ( f ) = h b ( f ) + h 上( t ) ( 2 - 1 1 ) 其中日口( f ) 为强背景光所产生的灰度信号，吼( f ) 为受激光照射目标物体产生 的灰度信号。当激光信号经过正弦信号调制过时，式( 2 1 1 ) 变为： h v ( t ) = 日b ( f ) + 日os i n ( c o t + 矽) ( 2 1 2 ) f = m 2 刀为激光调制信号的频率。用参考信号e ( f ) = s i n ( 纠) 和日矿( f ) 相乘 并进行低通滤波： 电子科技大学硕士学位论文 ， 肋( f ) = p 形( f ) s i n ( o r + ) 出( 日。v o 2 ) c o s ( 2 - 1 4 ) o 设c c d 采集图像频率与调制信号完全同步，则= o ，则通过以上数学模型可 从理论上实现背景光干扰信号滤除。 现在考虑计算机数字式鉴相模型，设背景光照射灰度办玑口远大于目标物体激光 反射灰度，工。我们在时间f 为整数倍参考信号周期t 时间内，其中t = 2 z lo ) ，每 隔缸时间采集一帧图像，得到n 幅数字灰度图象，并存储在计算机内存中，其中 第k 幅图像第i 行第j 列像元输出的灰度为： j i l 笋o ) = 岿( f ) + l 口( k ，。) 、1 + m s i n ( c o a t k + # 0 + ) ) ( 2 1 5 ) 现在我们通过计算机程序调用正弦函数产生数字正弦信号： ”= 珞”s i n ( o a t k + 丸+ 织) ( 2 - 1 6 ) 并与式( 2 1 6 ) 相乘，其中办为人为加入的匹配相位，从而得到新的灰度图像， 其第k 幅图像的第i 行第j 列像元的灰度值为： 日( f ) = 珞”办岿s i l l ( 劬蠊+ 九+ 么) + 略d 啦s i n ( c o a t k + 丸+ 死) 一昙m 曙n ，h 饥t k 三) c 0 s ( 2 a ，a t k + 2 丸+ 妒+ ，) ) + 吾m 曙，h ，扩t k ，工) c o s ( 矽一么) 2 - 1 7 最后将n 帧图像灰度值累加，得到新的单帧图像灰度值： = 胃( f ) ( 2 1 8 ) 通过式( 2 1 8 ) 可得，新的图像只有目标区域存在灰度值。通过增加积分周期， 可以使得该区域的灰度增加。从而得到将目标区域灰度图像信号增强的目的，得 到新的图像灰度如下式，其中m 为积分周期的长度。 h ，= ，z v o t k ) j i l ( 2 - 1 9 ) 可知积分周期越长，对目标区域图像灰度信号增强效果越好，同时加长采样 周期，使得计算量变大，得出目标图像结果的时间也增加，不利于系统实时性的 实现。 1 2 第二章激光锁定成像 在数字乘法运算和累加运算中，需要注意运算后的最大结果不能超出灰度等 级的最大数值，且必须大于0 。计算程序在运算后找出最大数值，将其归一化到最 大灰度。图像采样与激光器调制信号要求同步。在经过对每个像素点灰度值计算 机鉴相处理后，得到一幅图像的灰度值，即滤除强背景光后的目标物体图像灰度 值。最后调用图像显示函数将图像灰度值转化成图像的形式显示于显示器上即可。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章嵌入式系统总体构架 基于c c d 图像传感的激光锁定成像技术要运用于实际工程应用中，特别是要 应用在小型化，可移动化的产品中时，必须依赖于嵌入式系统。本课题设计了一 个嵌入式系统以满足激光锁定成像的应用需求，同时它还适用于其他的基于c c d 图像传感的设备，具有一定的通用性。一个系统要正常稳定工作，既需要可靠的 硬件支持，也需要应用软件来指导硬件的运作和行为。本章首先介绍本嵌入式系 统的硬件结构，接着介绍本嵌入式系统所用的嵌入式l i n u x 操作系统相关原理。 3 1 嵌入式系统的硬件结构 本嵌入式系统上硬件电路系统与实际应用关系比较紧密的主要有主芯片 o m a p l 1 3 7 处理器模块，控制信号发生模块和l c d 显示电路模块。整个开发板 的结构如图3 1 所示。 图3 1 硬件电路结构图 本系统的主处理器为o m a p l 1 3 7 双核处理器。在主板上对应为u 2 2 ，为b g a 1 4 第三章嵌入式系统总体构架 封装，共有2 5 6 个引脚。3 0 0 m a r m 9 2 6 e j 和3 0 0 mc 6 7 4 x 浮点d s p ，便于实现数 据处理、工业控制和电机控制等功能。o m a p l 1 3 7 主处理器有两个e m i f 空间， 分别为e m i f a 和e m i f b 。和e m i f a 空间相连接的有n a n d ，c p l d ，a d ，d a ， 外部总线等。与e m i f a 空间相连接的n a n df l a s h 容量为5 1 2 m b ，n a n df l a s h 与e m i f a 中的e m ac s 3 空间相连接。n a n df l a s h 在本系统中主要用来进行 b o o t 等工作。n a n df l a s h 与o m a p l 1 3 7 处理器的连接方式为异步8 b i t 方式。 与e m i f b 空间相连接的是s d r a m 。本系统共选用了两片型号为 h