非制冷红外焦平面阵列信号处理系统设计

摘要：介绍了320×240非制冷红外焦平面阵列(UFPA)的信号处理系统；采用复杂可编程逻辑器件(FPGA)产生红外焦平面阵列的驱动时序。应用数字信号处理(DSP)技术实现红外焦平面阵列的非均匀校正。实验及仿真结果表明：FPGA可产生焦平面阵列所需时序，DSP对焦平面阵列的非均匀校正效果较好。
关键词：非制冷焦平面阵列(UFPA)；驱动电路；FPGA；非均匀校正；DSP

1 引言
    红外热成像仪是一种可探测目标的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。同时，非制冷焦平面探测器使整个红外热成像系统省去了复杂的制冷系统，成本大大降低，使得红外热成像技术得到飞速发展。作为红外焦平面成像系统核心的非制冷红外焦平面阵列UFPA(Un-cooled Infrared Focal Plane Array)，主要由红外探测器阵列和读出电路两部分组成。为了进一步提升UFPA的性能，除了不断提高器件的研制水平，以提高探测单元和读出电路的性能外，还需设计出相应的高性能驱动电路，使UFPA处于最佳工作状态。

2 非制冷焦平面阵列信号处理系统组成
    非制冷焦平面阵列信号处理系统由信号预处理电路、驱动电路、非均匀性校正、视频信号显示等部分组成，如图1所示。下面主要介绍驱动电路设计及非均匀校正算法。

2．1 驱动电路
    系统红外UFPA探测器选用320×240元非制冷微测辐射热计，工作波段为8～14μm，采用CMOS生产工艺，集焦平面阵列(FPA)、读出电路(ROIC)、热电制冷器(TEC)及温度传感器(PT100型)为一体，其核心是焦平面阵列和读出电路。该非制冷微热辐射计只需外加偏置电压及相应的时序控制信号，由其内部控制逻辑产生读出电路所需的全部同步控制信号。该微测辐射热计的读出电路以全同步方式工作，所有操作都在时钟触发下执行。UFPA内部的时序控制器在外部脉冲和偏置电压的作用下产生焦平面读出电路及运放所需同步时序控制信号。驱动电路主要产生焦平面阵列工作所需要的时序脉冲驱动信号。时序脉冲驱动信号的产生是通过对FPGA器件运用Verilog HDL语言采用有限状态机的设计方案来实现；偏置电压采用低压差线性稳压器(LDO)产生。驱动信号发生状态机的状态转换图如图2所示。

    系统上电后，驱动电路处于空闲状态。在DSP初始化结束后向FPGA发出准备好信号(dsp_rdy=1)，使能主时钟。在下一个主时钟上升沿驱动电路进入UFPA复位状态。在复位状态产生RESET信号与第一行积分信号INT后，计数器在主时钟触发下开始计数，待计数值为639(640TMC，满足复位信号时间参数)时，驱动电路离开复位状态进入逐行积分状态。在逐行积分状态，RESET被禁止，置为0；在每一行积分期间，INT高电平持续320TMC，低电平持续62TMC。计数器按行计数，待一帧图像积分完后进入下一状态。在等待状态，RESET与INT均被禁止，置为0。UFPA输出帧速为60 Hz,即帧周期为16．7 ms，而一帧图像积分时间为340×240 TMC(16．32 ms)，故积分电路完成一帧图像积分后等待读出电路将图像数据读出。微热辐射计以连续方式工作，在输出完当前帧后紧接着就对下一帧图像进行积分并输出。在ISE环境下建立测试向量文件，用第三方软件ModelSim进行功能仿真。仿真结果如图3，图4所示。

2．2 非均匀校正
    由于该系统所选用的UFPA上所有非缺陷像元都有不同的增益和偏差响应，其偏差在平均值的±20％以内，额定非均匀的平均值在10％以内，故不进行非均匀校正，所以就不能得到清晰的可视图像，因此必须实行非均匀性校正。
    根据不同原理获得的非均匀性校正参量方法，可分为参考辐射源法、离焦法、统计平均法和神经网络法等多种，目前普遍采用的是比较成熟的参考辐射源法。采用该方法中的单点定标校正法实现UFPA的非均匀校正，计算量小且容易满足图像实时性处理要求。
    假定探测具有线性响应，用温度为T1的均匀辐射黑体辐照探测器得到每个探测单元相应输出VijT1，求其平均值：

   

式中，N为探测器面阵中探测单元总数。
    每个探测元的相应偏差为

把

存储，对探测器的每个响应输出实时校正，即

图5为单点校正法流程。

    在UFPA非均匀校正过程中，必须对每帧中的每个像元(76 800／帧)进行非均匀校正处理，其典型算法是乘积和累加，要处理的数据量很大，一般计算机的处理速度比较慢，而DSP的高时钟频率，指令流水线处理结构，数据总线与程序总线分离，存储器直接访问(DMA)技术，大内存容量，多个可并行操作的功能单元，使其能很好满足高速信号处理的要求。该系统选用TMS320VC5409型DSP实现非均匀校正算法。图像的非均匀性校正系数保存在Flash中，系统上电后由DSP调入FPGA中进行非均匀校正运算。由于红外热成像仪受使用环境温度影响时，图像质量会发生变化，因此在系统工作过程中，必须实时进行非均匀校正系数的计算。

3 实验结果
    图6为非制冷微测辐射热计输出的帧同步信号与数据有效信号。图7为校正前信号波形图，图8为校正后信号波形图。

4 结论
    介绍了非制冷红外焦平面阵列的信号处理电路设计，通过选用FPGA器件产生了系统所需的各种时序控制信号，并且通过Verilog HDL语言编程实现。由于该系统采用FPGA控制系统内多个器件的时序编程，使得系统集成度高，易于随系统设计要求而改变控制信号，可做到小型化的设计需要。系统运用DSP实现焦平面阵列的非均匀校正，校正效果较好。