非制冷紅外焦平面陣列信號處理系統設計

摘要：介紹了320×240非制冷紅外焦平面陣列(UFPA)的信號處理系統；采用復雜可編程邏輯器件(FPGA)產生紅外焦平面陣列的驅動時序。應用數字信號處理(DSP)技術實現紅外焦平面陣列的非均勻校正。實驗及仿真結果表明：FPGA可產生焦平面陣列所需時序，DSP對焦平面陣列的非均勻校正效果較好。
關鍵詞：非制冷焦平面陣列(UFPA)；驅動電路；FPGA；非均勻校正；DSP

1 引言
紅外熱成像儀是一種可探測目標的紅外輻射，通過光電轉換、電信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備，是集光、機、電等尖端技術于一體的高新技術產品。同時，非制冷焦平面探測器使整個紅外熱成像系統省去了復雜的制冷系統，成本大大降低，使得紅外熱成像技術得到飛速發展。作為紅外焦平面成像系統核心的非制冷紅外焦平面陣列UFPA(Un-cooled Infrared Focal Plane Array)，主要由紅外探測器陣列和讀出電路兩部分組成。為了進一步提升UFPA的性能，除了不斷提高器件的研制水平，以提高探測單元和讀出電路的性能外，還需設計出相應的高性能驅動電路，使UFPA處于最佳工作狀態。

2 非制冷焦平面陣列信號處理系統組成
非制冷焦平面陣列信號處理系統由信號預處理電路、驅動電路、非均勻性校正、視頻信號顯示等部分組成，如圖1所示。下面主要介紹驅動電路設計及非均勻校正算法。

2．1 驅動電路
系統紅外UFPA探測器選用320×240元非制冷微測輻射熱計，工作波段為8～14μm，采用CMOS生產工藝，集焦平面陣列(FPA)、讀出電路(ROIC)、熱電制冷器(TEC)及溫度傳感器(PT100型)為一體，其核心是焦平面陣列和讀出電路。該非制冷微熱輻射計只需外加偏置電壓及相應的時序控制信號，由其內部控制邏輯產生讀出電路所需的全部同步控制信號。該微測輻射熱計的讀出電路以全同步方式工作，所有操作都在時鐘觸發下執行。UFPA內部的時序控制器在外部脈沖和偏置電壓的作用下產生焦平面讀出電路及運放所需同步時序控制信號。驅動電路主要產生焦平面陣列工作所需要的時序脈沖驅動信號。時序脈沖驅動信號的產生是通過對FPGA器件運用Verilog HDL語言采用有限狀態機的設計方案來實現；偏置電壓采用低壓差線性穩壓器(LDO)產生。驅動信號發生狀態機的狀態轉換圖如圖2所示。

系統上電后，驅動電路處于空閑狀態。在DSP初始化結束后向FPGA發出準備好信號(dsp_rdy=1)，使能主時鐘。在下一個主時鐘上升沿驅動電路進入UFPA復位狀態。在復位狀態產生RESET信號與第一行積分信號INT后，計數器在主時鐘觸發下開始計數，待計數值為639(640TMC，滿足復位信號時間參數)時，驅動電路離開復位狀態進入逐行積分狀態。在逐行積分狀態，RESET被禁止，置為0；在每一行積分期間，INT高電平持續320TMC，低電平持續62TMC。計數器按行計數，待一幀圖像積分完后進入下一狀態。在等待狀態，RESET與INT均被禁止，置為0。UFPA輸出幀速為60 Hz,即幀周期為16．7 ms，而一幀圖像積分時間為340×240 TMC(16．32 ms)，故積分電路完成一幀圖像積分后等待讀出電路將圖像數據讀出。微熱輻射計以連續方式工作，在輸出完當前幀后緊接著就對下一幀圖像進行積分并輸出。在ISE環境下建立測試向量文件，用第三方軟件ModelSim進行功能仿真。仿真結果如圖3，圖4所示。

2．2 非均勻校正
由于該系統所選用的UFPA上所有非缺陷像元都有不同的增益和偏差響應，其偏差在平均值的±20％以內，額定非均勻的平均值在10％以內，故不進行非均勻校正，所以就不能得到清晰的可視圖像，因此必須實行非均勻性校正。
根據不同原理獲得的非均勻性校正參量方法，可分為參考輻射源法、離焦法、統計平均法和神經網絡法等多種，目前普遍采用的是比較成熟的參考輻射源法。采用該方法中的單點定標校正法實現UFPA的非均勻校正，計算量小且容易滿足圖像實時性處理要求。
假定探測具有線性響應，用溫度為T1的均勻輻射黑體輻照探測器得到每個探測單元相應輸出VijT1，求其平均值：

式中，N為探測器面陣中探測單元總數。
每個探測元的相應偏差為把存儲，對探測器的每個響應輸出實時校正，即圖5為單點校正法流程。

在UFPA非均勻校正過程中，必須對每幀中的每個像元(76 800／幀)進行非均勻校正處理，其典型算法是乘積和累加，要處理的數據量很大，一般計算機的處理速度比較慢，而DSP的高時鐘頻率，指令流水線處理結構，數據總線與程序總線分離，存儲器直接訪問(DMA)技術，大內存容量，多個可并行操作的功能單元，使其能很好滿足高速信號處理的要求。該系統選用TMS320VC5409型DSP實現非均勻校正算法。圖像的非均勻性校正系數保存在Flash中，系統上電后由DSP調入FPGA中進行非均勻校正運算。由于紅外熱成像儀受使用環境溫度影響時，圖像質量會發生變化，因此在系統工作過程中，必須實時進行非均勻校正系數的計算。

3 實驗結果
圖6為非制冷微測輻射熱計輸出的幀同步信號與數據有效信號。圖7為校正前信號波形圖，圖8為校正后信號波形圖。

4 結論
介紹了非制冷紅外焦平面陣列的信號處理電路設計，通過選用FPGA器件產生了系統所需的各種時序控制信號，并且通過Verilog HDL語言編程實現。由于該系統采用FPGA控制系統內多個器件的時序編程，使得系統集成度高，易于隨系統設計要求而改變控制信號，可做到小型化的設計需要。系統運用DSP實現焦平面陣列的非均勻校正，校正效果較好。