紅外預(yù)警實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊全海

[摘要]針對(duì)紅外預(yù)警系統(tǒng)分析可疑來(lái)襲目標(biāo)時(shí)減少反應(yīng)時(shí)間和降低虛警率之間的矛盾，提出了一種采用多級(jí)預(yù)警機(jī)制的紅外預(yù)警實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)置告警級(jí)別，針對(duì)不同探測(cè)與處理結(jié)果給出不同級(jí)別的告警信號(hào)。同時(shí)針對(duì)推掃式紅外預(yù)警系統(tǒng)的成像特點(diǎn)，采用多路處理方法以提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。硬件方面為滿足多級(jí)預(yù)警與多路處理方法的需求，基于Xilinx公司的5系列FPGA與TI公司TMS320C6455型高速DSP為核心處理器設(shè)計(jì)多核架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了FPGA內(nèi)部的DSP運(yùn)算內(nèi)核，增強(qiáng)了系統(tǒng)的運(yùn)算能力。采用紅外預(yù)警和多路處理技術(shù)能夠在滿足虛警率要求的同時(shí)提升系統(tǒng)的實(shí)效性。

[關(guān)鍵詞]紅外預(yù)警；圖像處理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外預(yù)警系統(tǒng)因其良好的抗電子干擾、被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)和全天時(shí)工作的能力已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光電對(duì)抗等應(yīng)用中。周掃式紅外預(yù)警系統(tǒng)是一種典型的紅外預(yù)警系統(tǒng)，主要由探測(cè)裝置、伺服系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和監(jiān)視器等部分組成，其中圖像處理系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著對(duì)圖像相關(guān)信息的處理與提取并向顯示終端發(fā)送警戒信號(hào)的重要任務(wù)。為了能發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)并即時(shí)發(fā)送告警信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)地完成指定處理任務(wù)，這就需要處理平臺(tái)在處理機(jī)制、處理算法、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娑寄軌驖M足實(shí)時(shí)性要求。

一、紅外預(yù)警實(shí)時(shí)圖像處理

（一）在紅外預(yù)警系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)期間，需要盡早探測(cè)到敵方目標(biāo)并準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)類型。當(dāng)目標(biāo)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，反應(yīng)在圖像上的目標(biāo)像元尺寸很小，一般為幾個(gè)至十幾個(gè)像素大小，無(wú)法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。而當(dāng)反應(yīng)在圖像上的目標(biāo)像元尺寸足夠進(jìn)行識(shí)別時(shí)，目標(biāo)距探測(cè)器距離較近。針對(duì)以上矛盾，提出了一種應(yīng)用于紅外預(yù)警系統(tǒng)的多級(jí)預(yù)警機(jī)制，為預(yù)警信號(hào)設(shè)置級(jí)別，針對(duì)不同情況給出不同級(jí)別的預(yù)警信號(hào)。

（二）等待方法。線陣紅外探測(cè)器采集到得圖像為“列圖像”，不存在面陣紅外探測(cè)器所捕獲的“圖像幀”，且“列圖像”中包含的信息量存在無(wú)規(guī)律，不完整的特點(diǎn)，圖像處理系統(tǒng)無(wú)法從“列圖像”中提取有效信息或目標(biāo)，因此需定義“圖像子幀”的概念。

（三）在某子幀中發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，通過(guò)連通性分析確認(rèn)可疑目標(biāo)跨越多子幀，則等待下一子幀聯(lián)合分析處理，通過(guò)連通性分析目標(biāo)完全處于合并后的圖像中，則對(duì)合并后的圖像進(jìn)行目標(biāo)提取與識(shí)別操作。

（四）在某子幀中發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，通過(guò)連通性分析確認(rèn)可疑目標(biāo)跨越多子幀，則等待下一子幀聯(lián)合分析處理，通過(guò)連通性分析確認(rèn)目標(biāo)跨越3個(gè)或更多子幀。隨著預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不斷提高，等待方法會(huì)影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，且等待方法對(duì)于某個(gè)完整目標(biāo)只進(jìn)行一次分析，容易產(chǎn)生漏警。因此提出多路處理方法以減少等待方法中的時(shí)延。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，主要由FPGA芯片、DSP芯片‘FLASH芯片和SDRAM芯片構(gòu)成。SDRAM1紅外探測(cè)器數(shù)字圖像接收模塊數(shù)據(jù)緩存與分路模塊多通道圖像處理模塊SRIO通信與數(shù)據(jù)緩存模塊信號(hào)整合模塊通信控制模塊控制計(jì)算機(jī)FPGA（XILINX V5）SDRAM2DSP在核心器件選擇方面，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的XC5VLX110T型芯片，最大可達(dá)5328Mbit的blockRAM為緩存模塊提供豐富的存儲(chǔ)資源，64個(gè)DSP48ESlice支持在FPGA內(nèi)部開(kāi)辟多個(gè)DSP核，680個(gè)用戶I/O使其具有豐富的可擴(kuò)展性，其對(duì)PCI-e和SRIO通信協(xié)議的支持提高了處理器間，處理器與終端間的通信速度。紅外預(yù)警實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。DSP芯片采用了TI公司高性能定點(diǎn)DSP處理器TMS320C6455。該DSP是支持SRIO協(xié)議的一款高速定點(diǎn)信號(hào)處理器，其內(nèi)部有8個(gè)并行處理單元，體系結(jié)構(gòu)采用超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)（VLIW），芯片工作主頻可以達(dá)到1.2GHz，當(dāng)片內(nèi)8個(gè)單元并行運(yùn)行時(shí)其最大處理能力可以達(dá)到9600MIPS。在通信協(xié)議方面，處理器間通過(guò)SRIO協(xié)議進(jìn)行完成通信，處理器與控制計(jì)算機(jī)間按PCIExpress協(xié)議進(jìn)行交互，兩種協(xié)議都采用了基于串化解串（serdes）的高速串行總線技術(shù)。低引腳數(shù)，基于報(bào)文交換的互連體系結(jié)構(gòu)。SRIO協(xié)議包含定義電氣特性、鏈路控制和低級(jí)錯(cuò)誤管理的物理層，定義路由與尋址機(jī)制的傳輸層，定義總體協(xié)議和包格式的邏輯層。根據(jù)SRIO協(xié)議，其單路傳輸速率理論最高可達(dá)3.125Gbit/s，而實(shí)際應(yīng)用中一般不低于2Gbit/s。PCIExpress協(xié)議簡(jiǎn)稱PCI-e，是由英特爾公司特出的適合板卡與計(jì)算機(jī)間交互的高速通信協(xié)議，在2.0版本16X模式下最高可達(dá)到80Gbit/s的傳輸速率，即使在通道數(shù)最少的1X模式下依然有4Gbit/s的通信速率。

三、系統(tǒng)工作實(shí)現(xiàn)

在執(zhí)行預(yù)警工作前，首先使用紅外探測(cè)器推掃一周將背景圖像存入SDRAM1中，在預(yù)警工作開(kāi)始后，數(shù)字圖像接收模塊將接收到的圖像送入數(shù)據(jù)緩存與分路模塊，緩存與分路模塊首先將數(shù)據(jù)復(fù)制為兩份，其中一份送入信號(hào)整合模塊以備原始圖像顯示，所述多路掃描機(jī)制原理將圖像送入多通道圖像處理模塊。在圖像處理模塊內(nèi)開(kāi)辟n個(gè)DSP核，每路通道通過(guò)FPGA內(nèi)部的并行運(yùn)算和DSP核的運(yùn)算對(duì)子幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，目標(biāo)提取和目標(biāo)識(shí)別操作，采用FPGA內(nèi)部DSP核作為處理過(guò)程的核心運(yùn)算單元同使用多DSP架構(gòu)相比能夠縮小平臺(tái)體積，減少功耗，提高資源利用率，同時(shí)避免了多DSP間因通信產(chǎn)生的協(xié)議與策略問(wèn)題。為了多路掃描機(jī)制的有效性和實(shí)時(shí)性，采用快速中值濾波法作為圖像預(yù)處理算法以平滑噪聲，采用全局閾值分割算法提取目標(biāo)，在連通性分析后采用幾何特征判別法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。處理結(jié)果通過(guò)SRIO高速通信協(xié)議傳至作為決策器的DSP芯片中。DSP將最終處理結(jié)果回傳至FPGA內(nèi)部的信號(hào)整合模塊中。信號(hào)整合模塊將原始圖像和處理結(jié)果合并后通過(guò)PCI-e協(xié)議傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)中。

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于周掃式紅外預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)，通過(guò)引入多路處理方法和多級(jí)預(yù)警方法，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)解決了減少系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和降低虛警率之間的矛盾，所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于某周掃式紅外預(yù)警系統(tǒng)中。endprint