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硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 摘要 红外热成像系统的研究对我国国防建设以及国民生活都有着非常重要的意义。红外 焦平面成像系统更是以其响应速度快、分辨率高、尺寸小等优点在红外热成像系统中占 有重要的地位。本文围绕噪声处理这条主线，深入的研究了系统的f p g a 降噪处理和低 噪声、高效率的电源设计。 首先，论文介绍了红外热成像技术的发展现状，阐述了红外焦平面成像系统的特点， 进而引出f p g a 降噪处理和系统电源设计在红外热成像系统中的重要作用，以及本系统 对这两方面设计的具体要求。 。 其次，介绍了整机系统中的f p g a 降噪处理设计，并分别从f p g a 的硬件配置和软 件程序设计两方面进行了阐述。其中，f p g a 所承担的工作包括探测器的驱动、数据格 式的匹配、相关多采样和2 1 3 t d i 两种降噪算法。最后围绕系统的f p g a 设计，将数字 逻辑设计中所遇到的问题和解决方案进行了总结。 再次，介绍了电源设计的基本原理，信号完整性的问题，并且在理论上对电源滤波 器的设计进行了分析，得出热成像系统中电源设计的理论依据。进而围绕所论述的理论 基础，将系统中的电源设计进行了详细的分析，并给出了相关的测试结果。在此基础之 上，以电源信号完整性和电源滤波网络的选取为着眼点，就系统电源降噪过程中所涉及 到的去耦电容、p c b 设计以及滤波器设计等问题进行了总结，同时提出了电源系统小型 化设计的解决方案，希望对今后的进一步研究提供参考。 最后，对红外热成像系统中的f p g a 降噪处理和系统电源设计做了一个总结，指出 了不足之处，为进一步的改进打下基础。 关键词：红外热成像系统，f p g a ，电源，噪声 a b s t r a c t t h ei n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e mp l a y si m p o r t a n tf u n c t i o ni nm i l i t a r y a n dc i v i l i a n a f f a i r s d e p e n d i n go nf a s t e rr e s p o n s es p e e d ，h i g h e rr e s o l u t i o n ，a n ds m a l l e rb u l k ，t h ei n f r a r e d f o c a lp l 舡l ea r r a yt h e r m a li m a g i n gs y s t e mh o l d sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni ni n f r a r e df i e l d s b a s e d o nt h en o i s ep r o c e s s i n gi ns y s t e m ，f u r t h e rr e s e a r c ho nf p g ap r o g r a mw i t hd e n o i s i n g a l g o r i t h ma n dd e s i g nt h ep o w e r c i r c u i tw i t hl o w e rn o i s ea n dh i g he f f i c i e n c y f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e di m a g i n gs y s t e m i sr e v i e w e db r i e f l y , a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r ee x p a t i a t e d i nt h i sw a y , 也ei m p o r t a n tf u n c t i o no ft h ep o w e r s y s t e ma n dt h ef p g aa l g o r i t h mi sa d v a n c e da n d d i s c u s s e de l a b o r a t e l y n e x t t h ef p g ap r o g r a mw i t hd e n o i s i n ga l g o r i t h mi sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r , i n c l u d i n g b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h ef p g af u n c t i o ni n c l u d e sd r i v i n gp r o g r a m ，d a t a m a t c h i i l 臣c o r r e l a t e dm u l t i s a m p l i n ga n d2 d t d ia l g o r i t h m i nt h ee n do ft h i sp a r t ，t h e q u e s t i o n sa n d t h es o l u t i o n so ff p g ad e s i g na r ed i s c u s s e da saw h o l e i na d d i t i o n ，t h cb a s i ct h e o r ya n dt h es i g n a li n t e g r i t ya n a l y s i sa r ei n t e r p r e t e d b a s e do n t h i st h e o r y , t h ep o w e r - f i l t e ri sa n a l y z e d t h e n ，t h et h e o r yo fs y s t e mp o w e rd e s i g n l sp r e p a r e d i nt h ef o l l o w i n gp a r to ft h i sp a p e r , t h ep o w e rc i r c u i ti sa n a l y z e d ，a n dt h e nt h el o w e rn o i s e o f t h eo u t p u ti sm e a s u r e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h ed e c o u p l i n gc a p a c i t o r , p c bd e s i g na n dt h ef i l t e r i nt h ep r o c e s so fl o w i n gn o i s ea r ee x p a t i a t e d f o r w a r df o rt h ef u t u r e a tl a s t ，t h eb l u ep r i n to fm i n i a t u r i z a t i o ni sb r o u g h t f i n a l l y , as u m m a r yi sg i v e na b o u t t h ef p g a p r o g r a mw i t hd e n o i s i n ga l g o r i t h ma n dt h e p o w e rc i r c u i tw i t hl o w e rn o i s e ，a n d t h ei n s u f f i c i e n c yi sp r e s e n t e d a l lo ft h e s ea r et h eb a s i so f t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nt h ei n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a yi m a g i n gs y s t e m k e yw o r d ：i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e m ，f p g a ，p o w e rs u p p l y , n o i s e n 硕士论文 红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 图表目录 图1 3 1 1 红外热成像系统的数据流传输流程图一3 图2 1 1 1c y c l o n e 器件架构图5 图2 1 2 1e p c s l 配置6 图2 2 1 1 探测器工作原理图7 图2 2 11 2 驱动时序图8 图2 2 1 3 驱动信号的仿真波形一山8 图2 2 1 4 驱动信号的仿真波形二9 图2 2 2 1 存储器的乒乓操作结构图9 图2 3 1 1 数据传输流程图1 0 图2 3 1 2a d 时钟与像素时钟的关系l o 图2 3 2 2 12 d t d i 算法的原理框图1 2 图2 3 2 3 1 图像比较1 5 图2 3 2 3 2 处理前的图像灰度图。1 5 图2 3 2 3 3 处理后的图像灰度图1 5 图2 4 2 1 时钟建立时间1 7 图2 4 2 2 时钟保持时间1 8 图2 4 3 1 系统中的异步时钟同步设计1 9 图2 4 5 1 同步复位的r t l 图2 0 图2 4 5 2 异步复位的i h l 图2 1 图2 4 6 1 逻辑设计图2 1 图2 4 6 2 逻辑仿真图2 2 图2 4 6 3 增加冗余项的逻辑图2 2 图2 5 1 1 电路最大工作频率计算2 3 图2 。5 2 。1 1 “面积换速度 设计方案一2 4 图2 5 2 1 2 流水线设计方案2 4 图3 1 1 1b u c k 变换器电路2 6 图3 1 2 1b o o s t 变换器电路2 8 图3 1 3 1b u c k b o o s t 变换器电路2 9 图3 2 1l d o 工作原理图3 1 图3 3 1 1二端口网络3 2 v 图表目录硕士论文 图3 3 1 27 型滤波器3 2 图3 3 1 3 插入损耗方框图3 2 图3 3 2 1 滤波器匹配电阻分析图3 4 图3 4 1 1 实际的电容模型j 3 5 图3 4 1 2 简化的电容器模型3 5 图3 4 1 3 电容的实际容抗曲线。3 6 图3 5 1 常用的端接方式3 8 图4 1 1 1 1 单向输出的工作模式4 1 图4 1 1 1 2 双向输出的工作模式4 1 图4 1 1 2 1a d j 模式下的参考设计4 2 图4 1 1 3 1 l t l9 6 5 的参考设计4 3 图4 1 2 1 1系统的3 8 v 供电4 4 图4 1 2 1 2 系统3 8 v 供电的电压波形4 4 图4 1 2 2 1 系统偏置电压设计4 5 图4 1 2 2 2 偏置电压的输出波形4 5 图4 1 2 2 3 不同输出电容的仿真波形4 6 图4 1 2 3 1 系统3 3 v 的供电波形4 6 图4 1 2 3 2 系统1 5 v 和1 4 v 的供电设计4 7 图4 1 2 3 3 系统1 4 v 和1 5 v 的供电电压波形4 7 图4 1 3 1 小型化的电源系统设计展望4 8 图4 2 1 1 激励电流波形4 9 图4 2 2 1 1 电源隔离与去耦电容的配置5 1 图4 2 2 2 1系统的p c b 布局5 2 图4 2 2 2 2 数字地和模拟地的分析5 3 图4 2 2 2 3 共地的桥接设计5 3 图4 2 2 2 4 系统p c b 地层分割的设计图5 4 图4 2 2 2 5 串联匹配电阻5 4 图4 3 2 1l c 滤波器5 6 图4 3 2 2l c 滤波器的滤波衰减曲线5 6 图4 3 2 3r l c 滤波器的设计5 7 图4 3 2 4r l c 滤波器的滤波衰减曲线5 7 v i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：勉 加谬年月j ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 少d 万年多月r 日 硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 1 绪论 课题研究的背景和意义 把红外辐射变成人眼可见的图像，一直是人们关心的话题。并且随着科技的发展， 无论是在战场上，还是在居民的日常的生活中，人们对红外探测器的需求也越来越大， 这就促使了自2 0 世纪5 0 年代以来，一些国家投入相当大的人力、物力来发展红外技术。 更值得一提的是，随着c m o s 超大规模集成( v l s i ) 技术与红外焦平面技术( i r f p a ) 在探 测器材料、探头构造、光学仪器、读出电路以及智能芯片上的不断结合，红外成像技术 就像雨后春笋一样，迎来了一个蓬勃发展的新时代。 总的来说，i r f p a 分为两个主要部分，即探测器阵列和读出电路。较传统的分立设 计而言，i r f p a 拥有高集成度、低成本、布线简单、芯载信号处理能力强、系统高度自 适应等优势。并且在微电子行业高速发展的促进下，器件的工艺又有了极大的改进。这 也使红外探测器的敏感元面积越来越小、工作速度越来越高、灵敏度不断增加，先进的 焦平面器件中已经可以集成诸多信号处理电路。 目前来看，国外在红外热成像技术的发展上处于遥遥领先地位，而我国的红外热成 像技术仍处于初级阶段，但是我国对红外热成像系统的需求量又是十分巨大。这样，国 外的红外热像仪将成批打入国内市场，价格都比较昂贵。另外，在军品方面，国外对中 国的限制非常苛刻，如果仅依赖国外，一旦战争开始，必定受限于人。面对如此广阔的 市场和军事上的需求，发展新一代红外热成像技术，大力开发军民两用的产品，已经成 为国内科技发展领域的一项非常重要的课题。 近几年来，国内在红外热成像系统的研究上投入了很多资金，希望能够有所突破， 赶上西方国家，达到世界水平。我校光电子技术系所下属的各个实验室，更是走在创新 的前沿，承载着多个红外成像项目，并取得了一定程度的技术突破。其中，仅应用法国 s o f r a d i r 公司的探测器，其他的一切系统设计，包括电源，焦平面阵列驱动电路、温度 稳定电路、视频显示与驱动电路、图像处理器和图像处理等方面的研制均可独立完成， 并取得了不错了测试结果。另外，我们还将更进一步的研制小型化的红外整机系统。 但是由于目前红外器件发展的限制，红外热成像系统的成像效果还不够理想，主要 表现为红外图像中噪声较大，对比度较低，视觉实时效果不好，分辨图像细节能力比较 差等缺点，影响了红外热成像系统在实际应用中的效果。而系统中，f p g a 的设计以及电 源系统的设计也是承担着降低系统噪声的重要作用。因此，在开展红外热成像整机系统 研究的同时，也要极力进行系统f p g a 的设计和电源滤波技术的研究工作。 l 绪论硕士论文 1 2 红外热成像的基本原理 红外热成像系统是一种二维热图像成像装置，该系统利用目标与环境之间由于温度 辐射与发射率的差异所产生的热对比度不同，把红外辐射能量密度分布探测并显示出 来，成为“热像”，由于人眼对红外光不敏感，所以红外热成像系统必须具有把红外 光变成可见光的功能，将红外图像变为可见图像。常见的红外热成像系统中，焦平面上 的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生与入射红外辐 射性能有关的局部电荷，通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器 件中来读出这些电荷，得到电信号，该信号反映出红外辐射的强弱，然后经过电子学处 理，将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在监视器上显示出来，实现了其间的光电 转换，得到反映目标热像的可见图像。【1 7 】 红外探测器就是实现光电转换功能的器件，并形成二维图像数据；其后部是电子组 件，完成探测器输出信号到图像信号的转换和进行改善像质的图像处理。目前，红外热 像仪是与光学望远镜，雷达等成像观察设备相比，它具有诸多优点。它可以全天候的工 作、不受限制；作用距离远，红外辐射比可见光具有更强的透过雾、雨，雪及烟尘的能 力：能识别伪装，探测隐蔽的军事目标和强光干扰下的目标；被动式和非接触式工作， 具有较好的隐蔽性；比雷达更适宜于高精度观察，不受电磁干扰；生动的图像观察方式。 从这些特点和实际需要来看，红外热像仪具有广泛的应用前景和研究开发价值。【l 9 】 1 3 红外成像系统对f p g a 和电源的设计要求 1 3 1 红外成像系统中f p g a 的降噪设计要求 在红外热成像系统中，数据传输流程如图1 3 1 1 所示，可以清楚的看出f p g a 在整 个系统中，起着十分重要的作用。而且在系统中，虽然对电源和前端的模拟驱动部分尽 可能的做降噪处理，但是系统由于连接线等问题引入的噪声是很难滤除的，所以要在 f p g a 中加入一定的图像降噪处理算法，另外，f p g a 还要完成对探测器数字驱动的设 计，并准确的接收探测器送出的数据，进行实时处理之后送入d s p 加载其他的算法。 只有合理的驱动设计才能使探测器在最优的状态下进行工作，并避免数据数字传输过程 中引入噪声。所以可以得出结论，f p g a 程序设计的结果直接影响着整个成像系统的图 像质量。 2 硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 图1 3 1 1 红外热成像系统的数据流传输流程图 1 3 2 红外成像系统中电源的设计要求 红外成像系统需要多路直流恒压源对其供电，就整个系统而言，包括光学镜头，红 外探测器，探测器驱动板，图像信号处理板以及系统电源板。而系统电源的作用就是对 系统的所有电子学组件( 驱动板，处理板) 进行供电。其中，对前端驱动板的供电最为 关键，要求也比较高。下面分别将为驱动板提供的两路恒压源的要求介绍如下： ( 1 ) 为驱动板上的温度稳定器供电，因为温度稳定器是用来稳定探测器衬底的温度， 对探测器的稳定工作非常的重要，所以对该路的电压要求很高，具体要求包括：输出电 压为稳定的3 8 v ，并在3 3 到4 5 范围内可调；最大负载电流要达到l a ；噪声在1 5 m v 左右； 以及要求此路电源与其他各路电源在物理上完全隔离，并不共地。 ( 2 ) 为驱动板上的探测器提供偏置电压，因为这一电压是用来控制放大器件的栅极， 所以此路电压也必须要很稳定，噪声比较低，要求也比较高，具体的要求包括：输出电 压为稳定的5 7 v ，并在5 6 至1 j 5 8 v 范围内可调；噪声在1 5 m v 左右；最大负载电流要达到 1 a 。 另外，电源系统还要对基于f p g a + d s p 的信号处理系统进行供电，这一组供电电路 大多是对数字电路提供电压，所以对噪声的要求不会特别的高，但是必须保证高效率， 低功耗，其具体的要求如下： ( 1 ) 为处理板提供3 3 v 的恒压源，最大负载电流为8 0 0 m a ； ( 2 ) 为处理板提供1 5 v 的恒压源，最大负载电流为5 0 0 m a ； ( 3 ) 对d s p 的内核进行供电，要求电压为1 4 v ，最大负载电流为5 0 0 m a 。 1 4 本文的主要工作和内容安排 本论文的工作主要是围绕红外热成像系统的f p g a 降噪处理和系统电源设计的问 题进行研究，深入探究系统的f p g a 数字逻辑设计，并全面的阐述了系统电源电路设计 3 l 绪论硕士论文 的基本理论。全文具体安排如下： 第1 章“绪论，介绍了本课题的研究背景和意义，阐述了红外热成像系统的基 本理论，并着重指出f p g a 降噪处理以及低噪声、高效率的电源电路设计在红外热成像 系统中的重要地位。进而提出了本系统中f p g a 的降噪处理功能和电源系统的设计要 求。 第2 章“红外热成像系统的f p g a 设计 ，详细的阐述了在本红外热成像系统中， f p g a 所实现的降噪处理功能，包括：探测器的数字驱动、数据模式的匹配设计、相关 多采样和2 d t d i 降噪算法设计等，最后，总结了下在f p g a 的数字逻辑时序设计过程 中，遇到的问题和解决方案。 第3 章“电源的设计原理 ，在理论上，阐述了两种电源的工作方式，即开关电 源( d c d c ) 和线性电源( l d o ) ，以及它们各自的工作原理。本章还以插入损耗和匹 配阻抗为立足点，对电源滤波器进行了较为深入的理论分析，最后把电路设计中的电容 和电感的实际模型进行了介绍。 第4 章“红外热成像系统的电源设计”，围绕红外热成像系统对电源系统的具体要 求，详细阐述本论文所述的红外热成像系统中的电源系统设计，重点分析了每一路电源 的设计方法和测试结果，并以本系统为依托，进行电源完整性的分析，最后把在电源系 统噪声处理过程中，所遇到的问题和解决方法进行总结。 4 硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理厦电源设计 2 红外成像系统的f p g a 设计 2 1f p g a 的整体设计 2 1 1c y c l o n e 器件结构简介 根据红外成像系统的要求我们采用了a l t e r a 公司的超太规模可编程逻辑器件 c y c l o n e 系列的e p l c 6 p q 2 4 0 作为系统核心芯片。c y c l o n ef p g a 是基于s t r a t i x 的工艺构 架，a h e r a 公司针对其应用，经过市场调研，重新定义的特性和规格，使其从设计初期 就定为一款低成本的f p g a 。本系统中选用的e p i c 6 p q 2 4 0 ，它是一款有5 9 8 0 个l e 的 f p g a ，丰富的硬件资源满足系统实际要求。由于考虑到以后的系统功能的增加，所以 选用芯片管脚数为2 4 0 个，其中可用管脚数为1 8 5 个。c y c l o n e 器件的平面布局如图 2 1 1 1 如示： l o g i c a r r a y b b “i ( l a b s ) e p l c 2 0 囹 【l o e i ) 图2 111 c y c l o n e 器件架构图 c y c l o n e 的l a b 和l 凰结构基本和s t r t i x 一样。在行列走线资源方面，其内部只有 r 4 和c 4 走线，它们的跨度分别为4 个l a b 的宽度和高度。其特性包括： ( 1 ) 容量和存储 c y c l o n e 器件容量从2 9 1 0 到2 0 0 6 0 个逻辑单元( l e ) ，器件采用1 5 v ，o 1 3 i l l 全 铜工艺，具有多达2 8 8 k b i t 的嵌入存储器，嵌入存储器包括几列4 k b i tr a i d 模块，每块 的数据传输速率超过2 0 0 m h z 。器件具有一个全局时钟网和二个锁相环( p u 。) ，具有完 整的片内和片外系统时钟管理能力。支持外部存储接口、差分和单端i o 标准。 ( 2 ) i 0 标准和存储器接口 器件支持多种单端i o 标准，包括l v l t l ，l v c m o s ，s s t l 和p c i ，具有多达1 2 9 个通道的低电压差分信号( l v d s ) 兼容信道，每个性能可高达3 11 m b p s 。外部存储器接口 方案包括和单数据率( s d r ) s d r a m ，双数据率( d d r ) s d r a m 和快速循环存储器 5 2 红外成像系统的f p g a 设计硕士论文 ( f c r a m ) 接口的速度优化的专用电路，在1 3 3 m h z 时钟下数据率可高达2 6 6 m b p s 。【2 2 】 2 1 2c y c l o n e 器件配置 在f p g a 正常工作时，配置数据存储在s r a m 单元中，这个s r a m 单元也被称为 配置存储器( c o n f i g u r a t i o nr a m ) 。由于s r a m 是易失性的，所以每次系统上电，配置 数据必须重新加载到f p g a 中。c y c l o n e 系列的f p g a 可以使用主动串行( a s ) ，被动串 行( p s ) 和j t a g 方式对其配置数据，配置数据方式选择由m s e l l 和m s e l 0 管脚确定。 器件的工作状态分为三种：一种称之为用户状态( u s e r m o d e ) ，指电路中器件正常工作 的状态；一种是配置状态( c o n f i g u r a t i o n ) ，指将编程数据装入器件的过程，也可称之为 构造；第三种就是初始化状态( i n i t i a l i z a t i o n ) ，器件复位各类寄存器，让i o 引脚为逻 辑器件正常工作做准备。在本系统的调试过程中采用j t a g 配置方式，在系统脱机运行 后采用e 2 p r o m 配置器件e p c s l 进行配置。 j t a g 是基于i e e e l1 4 9 1 标准的一种边界扫描测试方式( b o u n d a r y - s c a nt e s t ) ，大多 数的a l t e r af p g a 器件拥有一套边缘扫描测试( b s t ) 规范，b s t 不通过探针测试，而 通过在器件运行时候读取参数来获得芯片的连接和工作状态。j t a g 配置时，配置程序将 器件置入b y p a s s 状态，器件将配置数据通过一个b y p a s s 寄存器从t d i 直接传到 t d o ，使得程序在配置器件的同时验证器件的数据和状态。 e p c s l 为f p g a 专用配置e 2 p r o m ，该器件存储f p g a 的配置程序，当系统上电 后，该器件自动配置f p g a 。使f p g a 可以实现脱机运行。图2 1 2 1 为红外成像系统 中，e p c s l 与f p g a 的连接原理图。 图2 1 2 1e p c s l 配置 2 2 探测器驱动的程序设计波形及仿真波形 2 2 1 探测器驱动的原理及f p g a 的实现 探测器的数字驱动设计不仅是使探测器工作的必要条件，而且合理的驱动程序可以 使探测器工作在最优状态，提高图像的输出质量，进而达到降低噪声的效果。所以说， 6 硕士论文 红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 对探测器数字驱动的研究也是f p g a 设计中所注意的重要问题。 探测器的工作原理如图2 2 1 1 所示，每一个像素可看作一个热敏电阻，辐射能量 的变化将引起其阻值的变化。首先，在积分信号有效时，读出电路在偏置电压对选中的 行进行积分，当积分信号失效后，转到下一行，在下一次积分信号到来时对下一行积分， 采样保持电路开始对积分的结果进行采样。在当前行积分信号变低1 8 5 个周期后，采 样结束，在主时钟的驱动下，多路选择器依次选通各个采样保持器的输出，从而读出信 号。【2 5 1 图2 2 1 1 探测器工作原理图 探测器需要的驱动信号包括复位脉冲，主时钟和积分时间，其中： ( 1 ) 主时钟( m c ) 7 这是探测器工作所需要的时钟频率，在满足人的视觉要求和探测器自身性能的双 重条件下，制定的主时钟，即帧频为6 2 5 m 。并且探测器u f p a 输出数据的速率与主时钟 的速度相等，主时钟可随需要的帧频来调整。 ( 2 ) 复位信号 复位信号通过强制从f p a 的第一行开始信号积分来使读出电路复位的工作复位。 这样的话就可以保证探测器对每一帧的探测和系统预制的帧频保持一致，而r e s e t 信 号的产生一定要满足探测器的要求，即应该在主时钟的上升沿改变状态，并且它不应该 在每帧信号中复位两次。否则极易导致探测器工作紊乱，或与我们预期的情况不一致。 7 2 红外成像系统的f p 6 a 设计 硕士论文 ( 3 ) 积分信号 对于积分信号的设定是根据具体情况的要求而定的。积分信号的作用就是在其为 高电平的时候对由微测辐射热计所产生的电流进行电容的充电，在这里应该要注意到的 是，如果积分的时间太长的话，则可能会对不太高的温度信息产生溢出的不良后果，故 在进行高温或较高温的目标进行探测的时候一般要将积分时间设置的较短一些，而另一 方面，如果积分的时间太短的话，则图像信息的细节部分可能就不会突出，图像的对比 度就会比较小，故在进行图像的细节探测和识别的情况下，应该适当的调大积分时间。 而在本论文所述的红外系统中，将积分信号置为高电平时，允许对来自微测辐射热计的 一行像元信号进行积分。根据工作的要求，i n t 信号应该在每行积分时发送( 2 4 0 次s ) 。 探测器输出两类信号：1 个模拟信号( s o r t i e ) 和2 个数字信号( d a t a v a l i d 和 l i g n e l ) 。 上述的数字信号要求的波形如图221 2 所示，其中的驱动信号m c 、r e s e t 、1 n t 都 可以通过f p g a 对逻辑的配置来实现，如图2213 和图2214 ，即是三个驱动信号的波形 仿真图。 m ( “丁l 一一r l 卵刈f l 一r m 。屯 乙一 一。_ j ；= = = = = 二= = = = = = = 二= i 王l l l “。1 _ 广1 赢i i 蕊f _ 1 上焉焉i 。 q i 一 曲匿寸i 一 批【到 n 缯：u j 川 图22 12 驱动时序图 图2 21 3 驱动信号的仿真波形一 硕士论文 红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 l z ! l t 0 。6 旺二 蛳f 4 m lh 。c wi l ，! l n hm 图2 2 i4 驱动信号的仿真波形二 2 2 2 数据模式匹配 对于前端得到的像素数据，是与探测器送入的d a t a v a l i d 信号的高电平保持同步的， 在d a t a v a l i d 信号为高电平的时间内连续送入一行的图像信息之后，要经过一段时间的无 效数据再送出下一行。周而复始的，将一帧像素信息送出来。根明显这种数据模式不能 直接送给d s p ，因为对于d s p 来说，是很难的去判断数据是否为有效数据的，无法正 确的对有效数据进行捕捉。d s p 所需要的数据应该是一帧连续的输出有效的像素数据。 所以说，为了有效的像素数据能够正确的送给d s p ，需要做一个数据的模式转换。 而在不减小帧频的情况下，能够实时的进行数据的模式转换的有效办法就是采用存 储器分时复用的乒乓结构。如图2 221 所示。 奇数帧写地址j偶数帧读地址 a 帧 偶数帧写地址、奇数帧读地址 b 帧 图222 1 存储器的乒乓操作结构圈 数据在写入的时候，写使能在d a t a v a l i d 为高电平的时候置为有效，在d a t a v a l i d 为低 电平的时候不进行写操作。数据在读出的时候，则是连续的读出数据，并在有效的数据 送出的同时，给d s p 一个同步信号s y n c ，以便于d s p 采集数据。 2 3 相关多采样与时间延迟积分( 2 d t d i ) 降噪算法的实现 2 3 1 相关多采样降噪算法 在系统的成像过程中，会因为像素点的点噪声而影响图像的成像质量。而且，点噪 声又是随机的，没有规律的，这会给d s p 系统的图像处理算法带来很大的麻烦。一般 来说，降低点噪声的方法主要是对多帧图像进行累加处理，这样做的确可以得到很好的 9 面 。 兰鼍 帆m 三 ； 兰一 羔m蜘； 竺。 2 红外成像系统的f p g a 设计硕士论文 降噪效果。但是，随之带来的问题就是产生对运动图像的“拖影”，不能满足实时性的 成像要求。所以，提出一种同一像素点多次采集并取平均像素的相关多采样法，来降低 系统的点噪声。 主要的原理如下：可由图2 311 中的数据传输流程图来说明。 图2 3 11 数据传输流程图 在图2 311 中，可以看出a dc l k 为2 5 m ，m e 为62 5 m ，探测器在m c 的驱动工作 下，咀62 5 m 的速度向模数转换器送入模拟信号。即是在1 6 ( i n s 的时间内，送出一个像 素值，而a d 的采样时钟定为2 5 m ，是像素时钟的4 倍，也就是说，一个像素值可以采 到4 次，而在这4 次相同的像素值中，我们选取其中的三个做平均，这样做就可以降低 像素的点噪声。要注意的是图2 312 中所示的时钟计数器e l kn u m ，这并不是简单的分 频作用，它也是为后端的累加器提供使能信号的。用来指示一组串行数据中，哪三个数 是一组的。否则的话，造成不是一组的数据相加取平均，可能会造成图像的模糊。只有 正确的执行上面的操作，才可以达到降低了噪声的目的。 r i r y r r 。r 1 i r 一_ _ r 一_ 0 1 v r 、t r 1 1 r r 广r _ r j y i r i 一 二j - ! 二j 。业l j 圳。划二川j 一 图2 3 12a d 时钟与像素时钟的关系 2 3 22 d t d i 图像降嗓算法 2 3 212 d t d i 降噪算法的原理 2 d t d i 提高图像信噪比原理是：假设被探测的目标是静态的或缓慢运动的，由于图 像信号的帧间相关性和噪声的非相关性，经过一定时间的延迟积分后，图像的信噪比就 会得到有效的提高。设对图像序列进行用帧时间的2 d t d i 积分处理，则对应像素的信 号功率p 为： 硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 册埘胁i - - ! 尸= ( 形) 2 = 形2 + 2 c y v , v , i = li = 1 j = 2 = 1 ( 2 3 2 1 1 ) 式( 2 3 2 1 1 ) 中v i 和v j 是帧间对应像素的图像信号电压幅值，c i j 是图像之间的相关 系数( 0 c i j 1 ) 。 图像的噪声主要是一些均匀分布的系统噪声，比如热噪声，用多帧累加技术，可以 提高信噪比，从而改善图像质量。由于噪声时域分布特性是随机的、不相关的、且服从 泊松分布，因此噪声之间的相关系数c i j = 0 ，经过m 帧2 d t d i 处理以后，对应像素的 噪声功率n 为： n = ( ) 2 = 瑶= m 曙 1 = 1f 毒l ( 2 3 2 1 2 ) 式( 2 3 2 1 2 ) e ev n i 是帧间对应像素的噪声电压幅值，v n 定义为等效噪声电压。对于 图像信号而言，如果被探测的目标是静态的，或者在m 帧积分时间内目标的运动距离 不大于一个像素，帧间对应像素可视为近似相等并记为v s ，因此帧间对应像素之间的 相关系数c 0 = l ，经过r n 帧2 d t d i 处理以后，对应像素的图像功率s 由式( 2 3 2 1 3 ) 表示： s = 善圪22 蕃曙+ 2 c 三曙= ，z 2 砰 ( 2 3 2 1 3 ) 式( 2 3 2 1 3 ) 中v ”v s 是帧间对应像素的图像信号电压幅值。 比为s n r ： s n r ：s i n ：垡：盟 聊1 ，： 圪 。 假设处理之前的原始图像的功率信噪比为s n r o ，有 s n r o = 圪v 于是有： s n r = m s n r o 因此图像的功率信噪 ( 2 3 2 1 4 ) ( 2 2 3 1 5 ) ( 2 2 3 1 6 ) 由此可见，经过肌帧的2 d t d i 处理以后，图像信号的功率信噪比提高了所倍，电压信 噪比提高了磊倍，因此必将对图像的质量有所改善。 2 3 2 4 1 2 3 2 22 d t d i 算法的f p g a 设计 鼍 在系统的f p g a 设计中，由于图像处理系统硬件的要求以及f p g a 的i o 口数量的 l l 2 红外成像系统的f p g a 设计 硕士论文 限制，只能用一个r a m 来完成该算法的实现。所以，在单片r a m 容量有限的情况下， 采用了四帧图像信息取平均的处理方式。下面介绍下算法设计的总体思路。 图2 3 2 2 i2 d t d i 算法的原理框图 图2 3 2 2 1 所示，就是系统中所设计的2 d t d i 算法的原理框图。其中省去了存储 器操作所需要的控制信号，且控制信号低有效。为了满足帧频，又不能够同时的对存储 器进行读写操作，所以就只能提高该模块的操作时钟。在实际的操作过程中，采用了像 素时钟的5 倍频时钟。具体的操作介绍如下： 我们所进行的是取四帧的平均处理，但是我们却用五帧的滑动窗口。主要是因为要 留出一帧来进行分时复用的写操作，而同时的读取另外的四帧。假如说，我们对时钟进 行5 分频，那么在一个分频时钟内，模块的操作就将完成5 项工作。在第一个倍频时钟 周期内，进行写操作，在第二、三、四、五个倍频时钟周期内进行四次读操作。也就是 说，我们可以把存储器分为五块，每一块存放送入的一帧图像信息。假如在某一时刻下， 将要向第一个模块内写数据，那么在接下来的四个时钟周期将依次的将在第二、三、四、 五的模块中的对应数据读取出来。并在f p g a 的内部用一个累加寄存器保存起来，取平 均之后输出。 2 1 1 3 程序中，最难控制的就是存储器地址的分时切换。 ( 1 ) 对于写操作： 以数据送入之前的同步信号作为触发信号。对帧数f r a m ec o u n t 进行计数，即实现 了对连续送入的五帧进行标号。而这个计数器f r a m e c o u n t 就是写操作的基地址。具体 程序设计如下： p r o c e s s ( e l k ) b e g i n 1 2 硕士论文红外焦平面成像系统的降噪处理及电源设计 i f ( e l k e v e n ta n de l k = - 1 ) t h e n i f