基于FPGA微型紅外熱電堆探測(cè)器空間應(yīng)用

劉 奇，蓋芳?xì)J，葉有時(shí)，劉 波，施 蕾

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

紅外地球敏感器通過測(cè)量衛(wèi)星相對(duì)于地球位置確定姿態(tài)，作為一種測(cè)量部件被廣泛應(yīng)于衛(wèi)星控制系統(tǒng)。主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、圖像處理與姿態(tài)解算等部分構(gòu)成。

隨著商業(yè)航天與小衛(wèi)星發(fā)展，對(duì)紅外地球敏感器的小型化、低成本、低功耗方面提出迫切需求。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式產(chǎn)品體積、重量與功耗都較大，且掃描機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)產(chǎn)生偏差，降低產(chǎn)品工作壽命[1]。

開展面陣靜態(tài)紅外地球敏感器研究十分必要，本文探索使用微型紅外熱電堆探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器的圓環(huán)效應(yīng)、溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償、非均勻校正、盲元處理進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與FPGA設(shè)計(jì)，完成新一代微型靜態(tài)紅外地球敏感器設(shè)計(jì)。

1 紅外熱電堆技術(shù)

紅外技術(shù)目前在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，都發(fā)揮著重要作用。其中紅外探測(cè)器是紅外技術(shù)的核心部件，根據(jù)探測(cè)器工作原理，可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。

本文研究的紅外熱電堆探測(cè)器屬于熱探測(cè)器，其工作原理是基于塞貝克效應(yīng)。兩種具有不同逸出功的電導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料相互串接構(gòu)建的閉環(huán)回路，兩個(gè)接觸點(diǎn)中溫度較高的一端通常被稱作“熱結(jié)”，較低的一端被稱作“冷結(jié)”，如圖1 所示。材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動(dòng)，引起電荷積累在冷結(jié)處，此時(shí)回路中便有熱電勢(shì)產(chǎn)生，多對(duì)熱電偶相互串接就結(jié)合為一個(gè)熱電堆[2]。

產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)Vout，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：αA和αB分別為材料A 和B 的塞貝克系數(shù)；αAB是兩種材料的塞貝克系數(shù)差值。

圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Seebeck effect

紅外熱電堆探測(cè)器，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

①工作環(huán)境無需制冷，室溫工作，具有小型化、低成本特點(diǎn)；

②檢測(cè)的光譜范圍寬，能夠響應(yīng)全波段的紅外輻射；

③與標(biāo)準(zhǔn)IC 工藝兼容，穩(wěn)定性好，易于生產(chǎn)，信號(hào)處理電路較容易實(shí)現(xiàn)；

④使用時(shí)外圍配置電路簡(jiǎn)單，無需斬波，無需偏置電壓，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。

可以應(yīng)用于紅外成像、非接觸測(cè)量、空間氣候探測(cè)、衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量等方面。

2 熱電堆探測(cè)器指標(biāo)

本文研究使用的紅外熱電堆探測(cè)器為HEIMANN Sensor 公司的HTPA80x64d 型探測(cè)器。器件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Detector structure chart

HEIMANN Sensor 公司主要從事紅外熱電堆傳感器、成像陣列等方面的研制與生產(chǎn)。本文研究使用探測(cè)器為其新型快響應(yīng)面陣產(chǎn)品，基本參數(shù)信息如表1所示[3]。

表1 HTPA80x64d 型紅外探測(cè)器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of HTPA80x64d infrared detector

3 紅外圖像數(shù)據(jù)處理

3.1 探測(cè)器圓環(huán)效應(yīng)

光電探測(cè)器主要由光學(xué)部分和電學(xué)部分組成，光學(xué)部分將目標(biāo)的光信息通過光學(xué)元件，照射到光電敏感單元，敏感單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電學(xué)部分進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、檢測(cè)、采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出圖像信息。

紅外光線在經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)傳輸后，由于不同能量組分的干涉效應(yīng)，在光電敏感元件表面形成能量分布，以光軸為中心，按規(guī)律分布[4]。而產(chǎn)生了在不同溫度下的探測(cè)器輸出的圓環(huán)效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致圖像的低頻非均勻性，這種非均勻性噪聲一般比較固定。

使用探頭在不同黑體溫度下進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在25℃時(shí)幾乎不存在圓環(huán)效應(yīng)，而偏離25℃越遠(yuǎn)，則圓環(huán)效應(yīng)越大。測(cè)試過程中黑體充滿整個(gè)視場(chǎng)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 探測(cè)器不同黑體輻射溫度圓環(huán)效應(yīng)Fig.3 Ring effect at different blackbody radiation temperature of detector

3.2 圖像補(bǔ)償算法

紅外熱成像系統(tǒng)接收目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射，通過光電信號(hào)處理，以圖像形式輸出。成像結(jié)果會(huì)受到以下3 方面影響：

①與被測(cè)目標(biāo)的發(fā)射率、環(huán)境溫度、背景輻射、測(cè)溫距離、大氣溫度、大氣衰減等因素相關(guān)。

②與探測(cè)器的制備工藝相關(guān)，如各敏感單元的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)換效率、掩膜誤差、材料缺陷等不一致性。

③與探測(cè)器內(nèi)部電氣元件的溫度響應(yīng)相關(guān)，存在溫度漂移與響應(yīng)非線性特點(diǎn)。

探測(cè)器不同敏感單元，在相同的輻照度下存在不同的響應(yīng)特性；同一敏感單元，在不同溫度環(huán)境下存在不同響應(yīng)特性。

為了提高紅外圖像準(zhǔn)確度，針對(duì)以上關(guān)鍵影響因素，建立補(bǔ)償模型，進(jìn)行圖像補(bǔ)償處理[5]。包含溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償。

完成圖像補(bǔ)償處理的具體步驟如下。

1）環(huán)境溫度計(jì)算

探測(cè)器的環(huán)境溫度由公式(2)計(jì)算得到：

2）圖像溫度偏移補(bǔ)償計(jì)算

圖像數(shù)據(jù)溫度偏移補(bǔ)償，由公式(3)計(jì)算得到：

3）像元響應(yīng)偏移補(bǔ)償計(jì)算

像元響應(yīng)偏移補(bǔ)償，由公式(4)計(jì)算得到：

3.3 圖像非均勻校正

非制冷紅外焦平面的非均勻性校正方法基本可分為兩類：基于標(biāo)定技術(shù)的算法和基于場(chǎng)景技術(shù)的算法?；趫?chǎng)景技術(shù)的校正算法，理論性較強(qiáng)，硬件實(shí)現(xiàn)難度較大。基于標(biāo)定技術(shù)的校正算法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，具有較好的適應(yīng)性與有效性。標(biāo)定校正方法，是通過使用均勻的高溫、低溫黑體，對(duì)紅外焦平面標(biāo)定，計(jì)算出增益和偏移系數(shù)，是一種有效實(shí)用的算法。常見有兩點(diǎn)法和擴(kuò)展兩點(diǎn)法，本文使用兩點(diǎn)法對(duì)紅外圖像進(jìn)行非均勻校正[6]。

兩點(diǎn)校正法應(yīng)用的前提條件：探測(cè)器敏感單元的響應(yīng)特性①在使用的溫度范圍內(nèi)，為線性變化；②在使用時(shí)間范圍內(nèi)，受隨機(jī)噪聲影響小，具有穩(wěn)定性。

根據(jù)地球大氣14～16 μm 紅外輻射譜段，地球平均等效黑體溫度約為247 K，空間背景溫度約為4 K。利用普朗克公式計(jì)算光譜輻射能量差，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃，地球模擬輻射圓盤溫度為66.8℃。

紅外地球敏感器在空間工作環(huán)境中，會(huì)進(jìn)行溫度控制，選取典型的工作溫度25℃，對(duì)探測(cè)器的輸出響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示，計(jì)算得到非線性誤差為2.26%。

圖4 探測(cè)器輸出響應(yīng)曲線Fig.4 Detector output response curve

在探測(cè)器工作溫度范圍0℃～45℃，探測(cè)目標(biāo)溫度范圍0℃～80℃，探測(cè)器輸出響應(yīng)的非線性誤差在1.3%～4.6%之間。

在探測(cè)器工作溫度范圍0℃～45℃，對(duì)同一均勻溫度黑體進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，輸出響應(yīng)在時(shí)域上較為穩(wěn)定，存在一些隨機(jī)噪聲，通過平滑濾波后，可以消除噪聲影響。在探測(cè)器工作溫度25℃，探測(cè)目標(biāo)溫度20℃和40℃，連續(xù)進(jìn)行1000 次圖像數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 探測(cè)器連續(xù)輸出響應(yīng)Fig.5 Detector continuous output response

因此，本文使用的探測(cè)器，能夠基本滿足兩點(diǎn)校正法應(yīng)用的兩個(gè)前提條件。

根據(jù)線性模型數(shù)據(jù)公式，兩點(diǎn)校正的具體方法為：用一個(gè)高溫黑體T1和一個(gè)低溫黑體T2作為標(biāo)定源，測(cè)量探測(cè)器敏感單元響應(yīng)。

根據(jù)式(5)、(6)，計(jì)算得到每個(gè)敏感單元的增益校正系數(shù)Gij與偏移校正系數(shù)Oij：

根據(jù)式(7)，進(jìn)行實(shí)時(shí)非均勻校正：

式中：Xij為探測(cè)器輸出圖像數(shù)據(jù)；Yij為非均勻校正后圖像數(shù)據(jù)。

3.4 圖像盲元處理

紅外焦平面探測(cè)器在生產(chǎn)制備過程中，受半導(dǎo)體材料與制作工藝影響，有的敏感單元會(huì)存在響應(yīng)率過高或過低的現(xiàn)象，稱為盲元，使紅外圖像存在黑白噪點(diǎn)。在探測(cè)器使用過程中，受使用環(huán)境應(yīng)力與器件自身壽命影響，盲元數(shù)量可能會(huì)增加。溫度補(bǔ)償和非均勻校正能夠起到一定補(bǔ)償效果，但無法完全消除盲元影響[7]。

盲元在紅外圖像中形成亮點(diǎn)或暗點(diǎn)，可能會(huì)對(duì)紅外圖像目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別造成較大影響。

盲元或死像元可以通過線性插值法進(jìn)行補(bǔ)償替換。一般采用盲像元相鄰的同一行或同一列的2 個(gè)像素點(diǎn)，或者周圍9 個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性插值計(jì)算，用計(jì)算后的值對(duì)盲元替換。

本文采用的補(bǔ)償方法是用盲元臨近的九宮格，選擇部分點(diǎn)進(jìn)行線性插值計(jì)算，來替換盲像元的值。如圖6 所示，臨近點(diǎn)像元相應(yīng)位為1 則表示使用該像素點(diǎn)，為0 則表示不采用。如果盲元為邊緣點(diǎn)，則在圖像邊界外的位置的值不會(huì)為1。

圖6 盲元線性插值補(bǔ)償Fig.6 Blind element linear interpolation compensation

經(jīng)過對(duì)盲元替換處理，有效避免盲元點(diǎn)對(duì)紅外圖像進(jìn)行姿態(tài)解算帶來的影響，提高了紅外圖像的質(zhì)量，使探測(cè)器在長(zhǎng)工作時(shí)間，紅外圖像能夠保持較好的均勻性。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型紅外熱電堆圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)主要包含3 路探測(cè)器，CPU 及其周邊電路，F(xiàn)PGA 電路，乒乓SRAM電路，EEPROM 電路，接口通訊電路等組成。圖7所示為原理框圖，圖中箭頭表示信號(hào)與數(shù)據(jù)流向。主要分為兩大部分，以FPGA 為核心的圖像數(shù)據(jù)接收與處理部分，以CPU 為核心的主流程控制與姿態(tài)結(jié)算部分，在器件選型方面選擇具有抗輻照指標(biāo)的高可靠元器件。

圖7 圖像處理系統(tǒng)原理框圖Fig.7 Principle block diagram of image processing system

FPGA 主要完成三路探頭數(shù)據(jù)接收，原始紅外數(shù)據(jù)排序，圖像數(shù)據(jù)補(bǔ)償，非均勻校正，盲元數(shù)據(jù)處理，乒乓SRAM 數(shù)據(jù)處理，通訊控制等功能。

乒乓SRAM 用來緩存圖像接收、圖像處理過程數(shù)據(jù)，使圖像數(shù)據(jù)處理與姿態(tài)結(jié)算流水同步操作。

EEPROM 用來存儲(chǔ)補(bǔ)償參數(shù)，非均勻校正參數(shù)，盲元處理參數(shù)，操作指令等信息。關(guān)鍵參數(shù)與指令內(nèi)部通過三取二冗余存儲(chǔ)與校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)處理功能。

CPU 主要完成圖像梯度計(jì)算、地球邊界分析、姿態(tài)計(jì)算、工作流程控制、通訊控制等功能。外圍存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM、BOOT 程序存儲(chǔ)器ROM、擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器NOR Flash。

紅外圖像處理系統(tǒng)上電后，進(jìn)行硬件自檢及資源初始化。按照控制周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)三路探頭數(shù)據(jù)接收、圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像信息解算等流水操作，得到姿態(tài)信息[8]。

4.2 FPGA 設(shè)計(jì)

在圖像處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 作為核心功能單元，功能框圖如圖8 所示，圖中箭頭表示信號(hào)與數(shù)據(jù)流向。紅外圖像處理系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA 對(duì)3 路紅外探測(cè)器完成初始化配置。按照控制指令，接收探測(cè)器原始圖像的灰度數(shù)據(jù)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)按圖幅進(jìn)行數(shù)據(jù)排序，并且乒乓緩存入SRAM 中。

然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理，完成圖像數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償，響應(yīng)補(bǔ)償，非均勻校正，盲元處理，將處理好的圖像數(shù)據(jù)再次緩存入乒乓SRAM 中[9]。

圖8 圖像處理FPGA 設(shè)計(jì)功能框圖Fig.8 Image processing FPGA design function block diagram

FPGA 內(nèi)部集成定點(diǎn)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)處理單元、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)四則運(yùn)算單元、浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)處理單元。從探測(cè)器輸出圖像數(shù)據(jù)為定點(diǎn)數(shù)據(jù)，先轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理過程與MATLAB 計(jì)算結(jié)果按步驟依次比對(duì)，定點(diǎn)處理部分結(jié)果一致，浮點(diǎn)處理部分精度為小數(shù)點(diǎn)后兩位（十進(jìn)制下），基于FPGA 圖像數(shù)據(jù)處理符合設(shè)計(jì)要求。

在FPGA 集成編譯工具下，使用工具內(nèi)嵌邏輯分析儀，對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理過程波形抓取。三路探頭數(shù)據(jù)接收如圖9 所示，圖像數(shù)據(jù)處理如圖10 所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的圖像補(bǔ)償算法、非均勻校正、盲元處理能夠滿足空間應(yīng)用需求，開展了紅外成像實(shí)驗(yàn)。圖11 為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成像，(a)為探測(cè)器輸出原始數(shù)據(jù)圖像，(b)為完成圖像補(bǔ)償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。從圖中可以看出，(a)中圖像非均勻性及噪聲非常明顯，基本無法辨認(rèn)圖像信息，(b)中圖像在處理后非均勻性大大降低，圖像質(zhì)量得到非常明顯提升，(c)中圖像的盲元黑點(diǎn)完成插值替換，消除對(duì)后期進(jìn)行圖像信息解算的影響。

圖12 為模擬探測(cè)器在空間中對(duì)地球輻射圓盤邊界成像，(a)為探測(cè)器輸出原始數(shù)據(jù)圖像，(b)為完成圖像補(bǔ)償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紅外探測(cè)器原始圖像，經(jīng)過圖像處理后，地球輻射圓盤邊界能夠清晰成像。

圖9 三路探測(cè)器數(shù)據(jù)接收Fig.9 Three way detector data receiving

圖10 圖像數(shù)據(jù)處理Fig.10 Image data processing

圖11 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)圖像采集Fig.11 Image acquisition in laboratory

圖12 模擬地球輻射圓盤邊界圖像Fig.12 Simulating the boundary image of the earth's radiation disk

對(duì)完成補(bǔ)償運(yùn)算、非均勻校正、盲元處理的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行非均勻性評(píng)估，非均勻性由公式(8)計(jì)算得到：

式中：YSTD為像元輸出響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；為像元輸出響應(yīng)均值。

在紅外地球敏感器工作溫度范圍0℃～45℃，紅外圖像數(shù)據(jù)非均勻性在0.72%～1.43%之間，地球輻射圓盤成像邊界清晰平滑，能夠進(jìn)行姿態(tài)解算。

使用三路探測(cè)器圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算。通過圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)梯度計(jì)算，完成地球輻射圓盤邊緣提??；求取邊緣點(diǎn)的空間坐標(biāo)映射，完成地球圓心位置提取。測(cè)試結(jié)果表明，姿態(tài)測(cè)量偏差小于0.2°，基于FPGA 的微型紅外熱電堆探測(cè)器圖像處理系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量。

6 結(jié)論

提出了一種基于FPGA 的微型紅外熱電堆探測(cè)器圖像處理系統(tǒng)，對(duì)探測(cè)器的圓環(huán)效應(yīng)、圖像溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償、非均勻校正、盲元處理進(jìn)行了研究。介紹了紅外圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、FPGA 設(shè)計(jì)，對(duì)最終的圖像處理結(jié)果進(jìn)行了分析，姿態(tài)測(cè)量偏差小于0.2°。表明基于FPGA 的微型紅外的熱電堆探測(cè)器設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量，基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的紅外地球敏感器為全數(shù)字處理方案，體積、重量約為傳統(tǒng)機(jī)械掃描式產(chǎn)品的1/3，成本極大降低，滿足小型化、低功耗、低成本需求，可以替代傳統(tǒng)機(jī)械掃描式紅外地球敏感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。