信号处理系统设计与实现及其在红外图像处理领域的应用.doc

数字信号处理系统的结构及在红外图像处理领域的应用PT1300036 杨一君 华北光电技术研究所 物理电子学 计算机应用技术一.数字信号处理简介1.什么是信号处理信号处理是研究用系统对含有信息的信号进行变换以满足人们想要的信号，进而达到提取信息、便于利用的一种科学。信号处理的内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等等一系列的加工处理。2.模拟信号处理PK数字信号处理因为多数科学和工程中遇到的是模拟信号，说以以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。但是模拟信号处理很难做到高精度，其受环境影响较大，可靠性较差，当系统某一参数的改变时，其硬件电路常常需要做出较大改变，很不灵活。随着大规模集成电路以及数字计算机的快速发展，加上20世纪60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已经逐步取代了模拟信号处理。随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已经成为一门及其重要的学科和技术领域。信号处理方式比较比较内容模拟方式数字方式修改设计的灵活性修改硬件设计、更改硬件参数更改软件程序可靠性和稳定性容易受环境温度、湿度、电磁干扰的影响基本不受环境因素干扰精确度取决于元器件的参数精度AD、DA的量化误差，处理器的运算位数规模和复杂度集成度低、电路规模小、很难实现稳定的复杂运算集成度高、功能强、方便实现复杂的数据处理实时性实时处理由处理器运算速度和存储器存取速度决定对高频信号的处理可以处理微波、毫米波乃至光波信号受A/D速度和处理器运算速度的限制实现的典型算法模拟加法器、减法器、乘法器、微分器、积分器；高通、低通、带通滤波 几乎能够实现所有的计算和算法二.数字信号处理系统的基本结构在数字信号处理系统处理信号之前，首先要把输入的模拟量信息转换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后载还原成模拟信号。数字信号处理的简单方框图如图1所示。模拟输入模拟输出模拟滤波(平滑滤波)D/A数字信号处理芯片A/D前置预滤波器（抗混叠滤波）图1 数字图像处理的简单方框图1.前置预滤波器（康混叠滤波）：根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率必须大于两倍信号的最高频率，否则在抽样信号的频谱将出现混叠效应，抽样信号将不能不是真的还原出原信号。在实际系统中，输入信号中常常混有高频噪声，这些噪声使得抽样后信号的频谱出现混叠，不利于对原信号的复原，因此在进行A/D转换前需进行抗混叠滤波，将输入模拟信号中高于抽样频率一半的分量滤除。2.A/D转换：在模拟数字变换器(A/D转换器)中每隔一个采样周期T取出一次输入模拟量的幅值，抽样后的信号称为离散时间信号，它只表示一些离散点0,T,1T,2T,3T的信号值，这样的抽样过程其实就是对模拟信号的时间离散化过程。3.数字信号处理过程：经过A/D转换器的信号变为数字信号序列，数字信号序列被输入到数字信号处理器中，数字信号处理器按照预先的要求对其完成一些列的计算转化，最后变为人们希望的输出数据。4.D/A转换：由数字信号处理器输出的数字信号需通过D/A转换器，完成冲数字信号到模拟信号的转换，转换后的信号应在抽样点上与输入信号的幅值相同。5.模拟滤波(平滑滤波)：由D/A转换器输出的数字信号还要经过模拟滤波器，从而过滤掉一些不需要的高频噪声，平滑成所需要的模拟输出信号。图1所示的数字信号处理基本框图，表示的是模拟信号数字图像处理系统的方框图，实际的系统不一定要包括它的所有部分。例如，有的系统只需要数字输出，可以直接以数字形式显示或打印，就不再需要D/A转换器了；又有一些系统本身输入的就是数字量，因而就不需要A/D转换器；纯粹的数字系统只需要数字信号处理器这一核心部分就行了。图1中的数字信号处理器可以是数字计算机或者微处理器，通过软件编程对输入信号进行一种预期处理，这是一种软件实现的方法。另一种方法使用基本的数字硬件组成专用处理器或专用数字信号处理芯片作为数字信号处理器，这种方法的优点是可以进行实时处理但由于是专用的，因此只能完成某一具体的加工处理，而不能完成其他类型的加工处理，这是它的缺点。第三种数字信号处理器就是现在最为流行的通用数字信号处理芯片它是专为信号处理设计的芯片，有专门执行信号处理算法的硬件，如乘法累加器、流水线工作方式、并行处理、多总线硬件等，并有专为信号处理用的指令。采用信号处理器基友实时的优点油油软件实现的多用性优点，是一种重要的数字信号处理实现方法。由于近年来信息技术的快速发展，数字信号处理芯片已经应用到了很多领域中。常用数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用DSP芯片。(1)专用DSP芯片：作为横向滤波器用的有INMOS公司的A100，PLESSY GEC公司的PDSP16256等，作为快速傅里叶变换用的有PLESSY GEC公司的PDSP16510，Austek公司的A41102；还有作为复乘-累加以及求模和相角等用的专用DSP芯片。(2)通用DSP芯片：有TI公式的TMS320C1X/C2X/C2XX/C54X/C62X系列定点制DSP芯片，ADSP21020/2106X/21160浮点制DSP芯片，有AT&T公司的DSP32C/3210、DSP96002浮点制DSP芯片等芯片，其中我国用得最多的是TI公司和AD公司的产品。三.数字信号处理的特点数字信号处理有一下一些明显的优点：1.精度高：模拟网络的精度由元件决定，模拟器件的精度很难达到10-3以上，而数字系统只要14位字长的就能达到10-4精度。在高精度系统中有时只能使用数字信号处理系统。2.灵活性高：数字系统的性能主要由乘法器的系数决定，而系数是存放在系数存储器重的，因而只要改变存储器的系数就可以得到不同的系统。3.可靠性强：数字系统只有两个信号电平“0”，“1”因而书周围环境温度及噪声的影响较小。4.容易打规模集成：由于数字部件具有高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，因而产品成品率很高。5.分时复用：处理器的运算速度越快，能处理的信道数目也就越多。由于数字信号处理的突出优点，使得它在红外热成像技术、通信、语音、雷达、声呐、遥感、生物医学等领域中得到越来越多的应用。四.数字信号处理在红外图像处理领域中的应用红外热成像技术作为一种发现、探测和识别目标的重要手段，在军事和国民经济领域中有着非常广泛的应用。随着红外焦平面阵列(IRFPA infra red focal plane array )的产生和发展，红外热成像技术已经成为当今世界许多国家大力发展的技术。DSP 技术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系统中，对图像处理领域的技术发展起了十分重要的作用。这里将依托一个基于DSP技术实现的红外图像处理系统来介绍数字信号处理在红外热成像图像处理领域中的应用。1.什么是红外成像技术高于绝对零度的物体都会向外进行红外辐射，红外热成像技术就是利用目标和背景向外辐射的热量不同将图像区别开来，进而把不可见的温度分布图像转换成可见图像的一种技术，该技术已在民用、工业、电力、安防、医疗和军事等多领域获得了广泛的应用。2.数字信号处理在红外图像处理领域的发展现状 目前红外热像仪嵌入式成像电路的组成结构主要有三种方式:单片机+FPGA、DSP十FPGA和定制ASIC芯片。从提高成像组件的稳定性、可靠性、温度适应性出发,兼顾系统的柔性(为今后功能扩展或不断出现的新算法的应用留有余地),DSP+FPGA作为系统架构的方案更具优势。采用这种设计结构,可充分利用DSP的高速处理能力,对非均匀校正算法不断改进和提高,同时DSP较高的外设集成度在小型化上也是一种设计优势。3.一个典型的红外图像处理系统典型的红外图像处理系统主要由光学系统、IRFPA驱动电路和信号预处理及实时图像处理系统等几部分组成，图2为典型红外图像处理系统的示意图。图2典型红外图像处理系统的示意图图3 系统硬件原理图 整个系统按照功能分为前端预处理、A/D采样控制、视频合成显示时序产生、地址与控制信号切换、DSP地址变换和FO控制字接收、数据总线选通、DSP实时图像处理、视频合成显示8个模块。系统功能的主要执行器