雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)設計

摘要：航空用光電吊艙依靠內部的紅外傳感器和可見光傳感器在空中完成對目標的探測和跟蹤任務，當前光電吊艙中的紅外傳感器大多采用單波段的紅外傳感器，無法滿足特殊應用場景中對中波和長波2種波段的需求。由于感光材料的限制以及經(jīng)濟因素，同時支持中、長波雙波段的紅外探測器尚未普及。文章設計了一種雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)，介紹了雙視場雙波段成像系統(tǒng)的基本原理、雙波段紅外探測器選型、探測器接口驅動及時序驅動、探測器信號數(shù)模轉換處理以及圖像處理平臺的原理，旨在提供一種高效、可靠的雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)解決方案。

關鍵詞：紅外成像技術；電路設計；信號處理；雙視場雙波段

中圖分類號：TP312" 文獻標志碼：A

作者簡介：馬利峰（1988— ），男，工程師，碩士；研究方向：光電探測紅外成像技術。

0" 引言

隨著科技的發(fā)展，紅外成像技術因其在夜視、醫(yī)療診斷、軍事偵察等領域的廣泛應用而受到重視。常用的紅外傳感器大多采用中波紅外成像，由于紅外輻射自身的特點，單波段的紅外傳感器具有各種局限性。例如在遠距離對地目標探測中，長波紅外探測器具有明顯優(yōu)勢，但是在近距離對地成像中，中波紅外圖像中目標背景對比度大，局部目標明顯的優(yōu)勢更加明顯。由于雙波段紅外感光材料的限制，目前很少有雙波段紅外成像系統(tǒng)的應用。

本文設計了中波和長波2種紅外成像組件組成的雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)，對探測器驅動和時序、信號處理等關鍵技術進行了分析。為了適當降低光學結構的設計難度和成本，通過設計分光片，形成了獨立的中波和長波光學視場，組成了雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)。在光學系統(tǒng)前段，長波與中波共用主光路；在光學系統(tǒng)中段，采用分光片進行中、長波分光；在光學系統(tǒng)后段，對長波光路設計增加變倍鏡組，利用視場切換機構來實現(xiàn)2個視場的切換。在目標搜索和跟蹤過程中，采用雙波段光學系統(tǒng)，雙視場快速切換，可以有效提高目標捕獲效率和抗干擾能力。紅外成像電路作為該技術的核心部分，其性能直接影響成像質量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1" 系統(tǒng)結構及原理

1.1" 基本結構

雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)集成了光學、紅外焦平面探測器、電子學、機械等領域的技術，其成像系統(tǒng)如圖1所示，由光學系統(tǒng)、中波和長波紅外焦平面探測器、中波和長波成像電路等部分組成。

1.2" 工作原理

該系統(tǒng)完整的紅外成像過程如下：目標自身產(chǎn)生的中、長波紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸后到達紅外光學系統(tǒng)；光學系統(tǒng)接收中、長波紅外輻射，采用分光片進行中、長波分光，將中波和長波紅外輻射分別聚焦在2種探測器的焦平面上；探測器完成中、長波紅外的光電信號轉換，探測器信號以輸出電壓的方式輸出目標景物的模擬圖像信號；經(jīng)紅外成像電路進行數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉換、信號處理和視頻處理，完成中波和長波紅外圖像的視頻顯示。

2" 雙波段紅外成像組件設計

2.1" 探測器選擇

紅外探測器是成像組件的核心，為在同一主光路實現(xiàn)雙視場雙波段成像的功能，中波和長波紅外探測器的像元大小、光學F數(shù)，像素分辨率需要一致。本文設計的雙視場雙波段紅外熱成像系統(tǒng)選用同一廠家的640×512分辨率紅外焦平面探測器，光學F數(shù)為2，像元大小為15 μm，中波響應波段為3.7～4.8 μm，長波響應波段為7.7～9.3 μm。另外，本文選用同一廠家的中、長波探測器，可以做到電路設計的統(tǒng)型一致，降低設計開發(fā)成本。

2.2" 探測器驅動電路

探測器輸出的信號通常較弱，須要采取濾波、降噪等措施，以提高圖像的質量和清晰度。探測器正常" 工作需要接口電路的驅動，接口電路的質量直接決定了探測器輸出信號的精度和噪聲，影響成像效果。

中波和長波探測器電源驅動電路采用型號為LT1761的低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片，多片LDO芯片分別產(chǎn)生驅動探測器的數(shù)字電源和模擬電源。電源驅動電路如圖2所示，圖中PCOT信號通過現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）輸出控制信號來控制探測器的上電。當探測器焦平面溫度未達到探測器正常工作狀態(tài)的溫度時，F(xiàn)PGA輸出的PCOT信號為低電平，控制探測器保持斷電狀態(tài)，以保護焦平面；當達到探測器正常工作溫度時，F(xiàn)PGA才控制探測器上電。

紅外焦平面探測器有4路模擬輸出，模擬信號串聯(lián)74 Ω電阻進行負載匹配，經(jīng)型號為LT1807的運算放大器芯片組成的跟隨電路濾波調理后，輸出到AD轉換芯片進行模數(shù)轉換。調理電路如圖3所示。

2.3" 探測器驅動時序

探測器數(shù)字驅動接口時序如圖4所示，主要包括探測器工作主時鐘信號、幀起始數(shù)據(jù)有效信號DATAVALID、探測器積分時間信號（Integration Time，INT）。探測器采用邊積分邊輸出（Isolated Word Recognition，IWR）的工作方式，當INT的下降沿到來時，紅外焦平面探測器的DATAVALID信號出現(xiàn)一個高電平，開始一幀探測器數(shù)據(jù)的讀出，探測器一共有4個模擬信號輸出接口，每一幀數(shù)據(jù)量為640×512，因此探測器的數(shù)據(jù)有效時間為81920（640×512/4）個主時鐘周期。

2.4" 探測器信號模數(shù)轉換

探測器輸出的模擬圖像信號須轉換為數(shù)字信號，以便于后續(xù)的數(shù)字信號處理。模數(shù)轉換器（Analog Digital Converter，ADC）的選擇應考慮分辨率、采樣率和線性度等參數(shù)。AD轉換模塊是進行數(shù)字信號處理的前提條件，處于數(shù)字信號處理的前端，將探測器輸出的模擬圖像信號轉化為數(shù)字信號，如圖5所示。中波探測器輸出圖像信號的電壓響應范圍為0.9～3 V，長波探測器輸出圖像信號的電壓響應范圍為1.6～4.4 V。為了滿足轉換精度高、動態(tài)范圍寬、速度快、功耗低等要求，采用4路差分運放LT1994以及4路AD轉換芯片LTC2203組成的模數(shù)轉換電路，以實現(xiàn)探測器輸出模擬信號轉化為16 bit數(shù)字信號。

探測器采用4路同時輸出的方式，以實現(xiàn)探測器數(shù)據(jù)的對外傳輸。因此，對探測器數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉換后，須按照給定的排序方式對4路數(shù)據(jù)進行排序，以滿足后續(xù)圖像處理的需要。模數(shù)轉換及排序模塊的構成如圖6所示。

2.5" 信號處理及成像模塊

信號處理及成像模塊是雙波段紅外成像組件的核心處理部分，負責實現(xiàn)雙波段紅外圖像視頻的生成，如圖7所示。圖中信號處理電路供電模塊為信號處理電路提供電源，晶振為FPGA提供時鐘信號，F(xiàn)LASH芯片可以存儲FPGA程序數(shù)據(jù)和兩點校正系數(shù)，SRAM系數(shù)存儲器能夠存儲計算中的單點校正數(shù)據(jù)，幀存能夠存儲圖像數(shù)據(jù)，422通信模塊可以實現(xiàn)對外通信。

在系統(tǒng)開機或復位后，中波和長波紅外成像組件的核心處理器FPGA芯片從FLASH中加載程序并完成系統(tǒng)的初始化和片外設備的自檢；在系統(tǒng)初始化完成后，2種波段的紅外探測器在驅動電壓的驅動下，接收FPGA芯片發(fā)出的時序控制信號開始工作；輸出的圖像信號經(jīng)過AD轉換芯片轉換為16 bit的數(shù)字信號，隨后數(shù)字信號被送入FPGA芯片進行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過視頻處理后輸出視頻信號［1］。

為了實現(xiàn)探測器圖像數(shù)據(jù)處理，本文采用基于Microblaze軟核的FPGA［2］，進行實時信號處理。信號處理及成像模塊主要完成紅外圖像非均勻性校正，壞元檢測與補償，圖像數(shù)據(jù)的直方圖統(tǒng)計，圖像數(shù)據(jù)灰度等級變換以及通信功能；非均勻性校正系數(shù)的計算采用兩點校正法和單點校正法。當采用兩點校正時，F(xiàn)PGA將兩點系數(shù)中的乘法系數(shù)k和加法系數(shù)b存儲到FLASH存儲器中。當采用單點校正時，F(xiàn)PGA讀取FLASH存儲器中兩點系數(shù)，對單點校正系數(shù)進行補償計算并更新，將單點校正系數(shù)寫到系數(shù)存儲器SRAM中。在FPGA邏輯程序中，當對圖像數(shù)據(jù)進行非均勻性校正時，首先讀取系數(shù)存儲器SRAM中的k、b值，將原始圖像數(shù)據(jù)的灰度值進行kx+b計算后，將圖像數(shù)據(jù)的灰度數(shù)值寫入幀存中，其中x為探測器輸出灰度值［3］。

兩點校正和單點校正后的圖像數(shù)據(jù)在FPGA中經(jīng)過灰度壓縮變換，進行符合視頻制式的圖像處理編碼，隨后輸出紅外視頻畫面，中波和長波的紅外視頻" 畫面可以隨著視場切換而進行切換。

3" 結語

本文在雙視場雙波段紅外成像組件設計中，對光學架構、探測器接口驅動模塊、探測器驅動及時序、模數(shù)轉換及圖像數(shù)據(jù)成像模塊進行了設計；對640×512中波和長波探測器的成像電路進行設計，為探測器提供了較好的圖像預處理平臺。系統(tǒng)采用Microblaze軟核FPGA體系結構，可實現(xiàn)集成化、工程化，具有重要的應用價值。

參考文獻

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［2］鄭洪波.基于FPGA的紅外圖像非均勻性校正系統(tǒng)設計［J］.紅外，2023（9）：8-15.

［3］韓紅霞.一種中長波雙波段紅外熱像儀：CN105466573A［P］.2015-12-05.

（編輯" 沈" 強）

Design of dual-field dual-band infrared imaging system

MA" Lifeng

（Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment，Aviation Industry Corporation of China， Luoyang 471000， China）

Abstract： Aeronautical photoelectric pods rely on internal infrared sensors and visible light sensors to complete the detection and tracking tasks of targets in the air， and most of the infrared sensors in the current photoelectric pods use single-band infrared sensors， which cannot meet the needs of medium wave and long wave bands in special application scenarios. Due to the limitation of photosensitive materials and economic factors， infrared detectors that support both medium and long wave have not yet become widespread. In this paper， a dual-field dual-band infrared imaging system is designed， and the basic principles of the dual-field dual-band imaging system are introduced， the principles of dual-band infrared detector selection， detector interface drive and timing drive，detector signal digital-to-analog conversion processing and image preprocessing platform are introduced， aiming to provide an efficient and reliable dual-field dual-band infrared imaging system solution.

Key words： infrared imaging technology; circuit design; signal processing; dual-field dual-band