劉濤 張曄 李亮 王洋 張旭 黃競 王華

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛(wèi)星大面陣紅外相機視頻處理電路的FPGA設計

劉濤 張曄 李亮 王洋 張旭 黃競 王華

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛(wèi)星填補了多項國內(nèi)外的技術空白，其搭載的紅外相機首次實現(xiàn)了大面陣紅外探測器成像，并展示了高品質(zhì)的大面陣紅外成像能力。文章以高可靠性，高信噪比，小型化的大面陣紅外相機視頻處理電路為目標，從FPGA（Field Programmable Gate Array）設計角度給出設計思路和技術方案。首先，分析了大面陣紅外探測器、設備工作環(huán)境與小型化、信號采樣精度、高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g特點與難點。其次，給出設計思路和技術方案，包括使用時鐘管理芯片進行時鐘網(wǎng)絡設計，提高了信號采樣精度并提高了高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；使用在軌信號處理實現(xiàn)通道不一致性校正，提高了圖像的信噪比；使用電子限流器防止器件的單粒子栓鎖，提高了器件的工作可靠性；使用一塊 FPGA實現(xiàn)焦面控制、信號處理、工程數(shù)據(jù)處理、外圍芯片控制等全部功能，實現(xiàn)了設備的小型化與輕量化；地面進行了自適應像元校正與可編程盲元替換實驗，為后續(xù)型號在軌應用提供了技術儲備。最后，從紅外相機外景成像效果可以看到，設計思路和技術方案可行且滿足任務要求。

時鐘網(wǎng)絡 現(xiàn)場可編程門陣列 大面陣紅外探測器 “高分四號”衛(wèi)星

0 引言

隨著紅外探測器研制技術的快速發(fā)展，紅外成像系統(tǒng)被廣泛應用在多個領域中，但多為線陣紅外探測器，大面陣紅外探測器的使用比較少見。針對“高分四號”衛(wèi)星相機在軌8年壽命，高軌道的工作環(huán)境，對設備的可靠性提出了很高的要求，同時由于相機的結(jié)構(gòu)特點，紅外視頻處理器需要一體化設計，實現(xiàn)紅外焦平面控制、信號處理、工程輔助數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本文分析了設備的特點與設計難點，使用了時鐘管理芯片設計系統(tǒng)時鐘網(wǎng)絡的思路，以提高模擬信號采樣精度和高速串行數(shù)據(jù)發(fā)送可靠性。使用了電子限流器件，降低單粒子栓鎖可能造成的電路損壞。針對探測器和視頻電路多路模擬通道不一致，進行了通道不一致性校正。并進行了地面自適應像元響應不一致性校正和可編程盲元替換試驗，為以后的在軌運行做了技術實驗。實驗結(jié)果表明方案可行且達到預期性能。

1 大面陣紅外探測器視頻處理電路

大面陣紅外視頻處理電路由大面陣紅外探測器、運放電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、高速串行收發(fā)器、時鐘管理芯片、外部存儲器等元件組成。以下簡要分析各個器件的特點及其對電路設計的影響[1-3]。

1.1 大面陣紅外探測器

大面陣紅外探測器的模擬像元信號輸出分為4個通道，像元的排列為相鄰的四個像素同時輸出，這樣可以降低模擬像元信號的讀取時間，讀出的像元模擬信號的位置如圖1所示。

探測器的積分時間由積分信號INT控制，INT信號的上升沿表示探測器積分開始，INT信號的下降沿表示探測器積分結(jié)束。INT信號下降沿m個像元時鐘之后輸出像元數(shù)據(jù)，模擬像元信號的輸出與探測器時鐘信號的下降沿同步，探測器時鐘信號的上升沿對準模擬像元信號的中心。

大面陣紅外探測器由于制造工藝的限制，存在4個輸出通道的不一致性，同時焦面電路和視頻處理器電路之間模擬信號傳輸過程中，電子元件和電纜阻抗的不一致性，也導致4個通道之間存在不一致性，需要進行通道不一致性校正。像元響應不一致性以及盲元的特點，都需要后期的信號處理。

1.2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號噪聲比（SNR）受到很多因素的影響，其中之一便是孔徑抖動，又稱孔徑誤差，是采樣之間孔徑延遲時間的變化。產(chǎn)生這個誤差的原因有很多種，其中輸入時鐘信號的抖動是一個直接的原因。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的信噪比可表示為：

式中 FANALOG表示輸入信號的頻率；tjrms是等效的時鐘抖動；ε是平均的微分非線性偏差；n是ADC的量化位數(shù)；VNOISErms是輸入信號的等效熱電壓噪聲。

當ADC量化位數(shù)為14bit時，時鐘抖動對信噪比有明顯的影響，時鐘抖動對信噪比的影響如圖（2）所示。

使用時鐘管理芯片，降低時鐘信號的抖動，可以提高視頻處理電路的信噪比。

1.3 高速串行收發(fā)器

高速串行收發(fā)器對輸入?yún)⒖紩r鐘信號的性能有嚴格的規(guī)定。芯片對輸入端的時鐘進行10倍頻處理，然后用倍頻后內(nèi)部時鐘的上升沿和下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生 20倍的發(fā)生數(shù)據(jù)速率。輸入數(shù)據(jù)速率為

100MHz，輸出數(shù)據(jù)速率為2Gbit/s。SerDes芯片的數(shù)據(jù)手冊對輸入時鐘的頻率范圍、頻率穩(wěn)定性、頻率抖動、時鐘占空比都有嚴格的規(guī)定，如表1所示。

表1 SerDes芯片輸入?yún)⒖紩r鐘性能要求Tab.1 Input reference clock performance requirements of SerDes chip

使用時鐘管理芯片，降低時鐘信號的抖動，提高占空比的穩(wěn)定性，可以提高視頻處理電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.4 時鐘控制器

時鐘管理芯片的相位可以相同或分別調(diào)整，實現(xiàn)電路系統(tǒng)級時鐘網(wǎng)絡設計。因為ADC器件和SerDes器件需要高性能的時鐘信號，所以電路系統(tǒng)必須使用系統(tǒng)級別的時鐘網(wǎng)絡設計。圖3為時鐘管理芯片性能圖，當時鐘頻率高于 1kHz時，輸出的時鐘信號的噪聲明顯低于輸入的參考時鐘信號的噪聲?？梢蕴岣呦到y(tǒng)時鐘網(wǎng)絡的時鐘信號品質(zhì)。

針對高軌道衛(wèi)星的單粒子輻射問題，需要設計時鐘異常檢測功能、時鐘管理芯片配置字控制功能。如果時鐘管理器產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，輸出時鐘錯誤，需要FPGA（Field Programmable Gate Array）重新發(fā)送配置控制字，恢復正常的時鐘網(wǎng)絡。

1.5 電子限流器

空間單粒子栓鎖會產(chǎn)生大電流導致器件損壞，在高軌道及8年設計壽命的條件下，設備使用了電子限流器對關鍵器件進行電子限流保護功能，當限流器自動關閉時，會產(chǎn)生信號給 FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)，決定是否關閉電子限流器。

1.6 系統(tǒng)級時鐘網(wǎng)絡設計

當芯片對輸入時鐘信號品質(zhì)要求較高時，系統(tǒng)級時鐘網(wǎng)絡設計方案是較好的選擇，各個器件的時鐘都由時鐘管理芯片提供，到達電路上每一個器件的時鐘相位相同。通過FPGA芯片的約束設計功能、輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)延遲功能對數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)與時鐘的相位關系進行調(diào)整，進一步提高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的可靠性。大面陣紅外信號處理電路由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、FPGA、高速串行收發(fā)器組成，電路系統(tǒng)級時鐘網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2 大面陣紅外探測器視頻處理FPGA設計

大面陣紅外探測器視頻處理電路的FPGA設計中，怎樣提高ADC的精度采樣，怎樣降低高速SerDes數(shù)據(jù)收發(fā)的誤碼率，怎樣減小設備的體積，怎樣處理大面陣紅外探測器多個通道的不一致性，怎樣提高器件的抗輻射指標，怎樣提高地面信號處理的圖像品質(zhì)，從下面幾點給出分析和方案[4-11]。

1）時鐘網(wǎng)絡設計。由于ADC器件和SerDes器件的設計需要，時鐘信號由時鐘管理芯片提供。系統(tǒng)時鐘網(wǎng)絡設計和源同步時鐘設計是兩種設計方案，系統(tǒng)級時鐘網(wǎng)絡設計需要FPGA對輸入數(shù)據(jù)的相位進行調(diào)整以準確采樣輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)相位調(diào)整以便使下一級芯片準確接收數(shù)據(jù)。

2）過采樣設計。過采樣的采樣倍數(shù)取決探測器時鐘頻率與ADC時鐘頻率的倍數(shù)關系，因為像元模擬信號之間存在跳變，模擬信號跳變點采樣數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的，所以均值濾波必須選擇模擬信號穩(wěn)定的采樣點，在一定程度上消除電路的隨機噪聲，輸出穩(wěn)定的像元數(shù)據(jù)。

3）積分時間信號的設計。探測器像元數(shù)據(jù)與探測器時鐘上升沿的相位一致，串行控制字與探測器時鐘下降沿的相位一致，過采樣地址和像元地址需要匹配，對有效的像元數(shù)據(jù)進行過采樣處理。由于數(shù)據(jù)拼接輸出由行同步信號控制，所以INT信號的控制采用上升沿固定、下降沿可變，還是上升沿可變、下降沿固定，兩種方案會導致不同設計效果。

4）延遲補償設計。由于探測器、運算放大器、ADC、以及外圍電路元件都存在個體差異，會產(chǎn)生器件響應延遲誤差。探測器的時序控制信號由FPGA輸出；探測器輸入的時序控制信號到模擬像元信號的輸出存在響應延遲；運算放大器及其外圍電路的輸入輸出存在響應延遲；ADC器件大多基于流水線處理，輸入的模擬信號到輸出的數(shù)字信號存在固有的周期響應延遲。由于器件工藝和工作環(huán)境的不同，器件的延遲存在不一致性，在最差情況下，F(xiàn)PGA能采樣ADC輸出的有效數(shù)據(jù)，這需要補償通道之間的響應延遲的不一致性。

5）通道不一致性校正。由于探測器、運算放大器、ADC、以及外圍電路元件都存在工藝離散性，并且受到電路工作環(huán)境的影響，不同通道之間的模擬信號等效放大倍數(shù)，疊加的直流偏置電平，引入等效噪聲都不同，通道之間的模擬信號處理存在不一致性。

基于以上的考慮，設計的FPGA軟件包括：探測器時序控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、指令接收控制模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、輔助數(shù)據(jù)處理模塊、存儲器控制模塊、時鐘管理器控制模塊。其中圖像數(shù)據(jù)處理模塊包括：模擬延遲模塊、圖像數(shù)據(jù)緩存模塊、均值濾波模塊、通道不一致性校正模塊。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3 測試

紅外外景成像如圖6所示，可見光外景成像如圖7所示?？梢钥吹浇ㄖ锊Ａ?nèi)部的鋼架溫度明顯高于周邊的物體溫度，紅外外景成像層次感分明，相對于可見光，提供更多的景物信息，對火災監(jiān)測效果尤為明顯。

4 技術展望

像元響應離散性較大和存在盲元是目前紅外探測器的固有特點，本文在地面進行了自適應像元校正和可編程盲元替換實驗，取得了很好的效果，為進一步型號應用做了有益的探索[12-16]。

在不同積分時間和增益的情況下，像元獲取的輻射能量不同，校正系數(shù)也不同，為了達到最佳的擬合曲線，根據(jù)積分時間的大小和增益的大小設計了多檔位的校正系數(shù)，在不同的場景下，通過使用不同的校正系數(shù)，得到最佳的擬合曲線，實現(xiàn)了自適應像元校正。

隨著紅外探測器使用時間的增加，盲元可能會增加，為了達到最佳的圖像質(zhì)量，盲元坐標做為盲元替換功能的輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)了可編程的盲元替換。

本文給出了輻射定標圖像，校正前圖像如圖8所示，校正后圖像如圖9所示，可以看到校正前圖像存在橫向水波紋、響應過度的亮盲元點、響應不敏感的暗盲元點，圖像校正后非常均勻且干凈。在不同積分時間和增益的情況下，校正后圖像的信噪比提升了16～18dB。

5 結(jié)束語

本文給出了使用時鐘管理芯片、時鐘網(wǎng)絡設計、圖像處理、電子限流器設計思路和方案，解決了大面陣紅外探測器使用、設備工作環(huán)境特殊、設備小型化、高精度采樣和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，從紅外相機成像可以看到圖像細節(jié)豐富，試驗結(jié)果表明，設計的思路和方案為大面陣紅外視頻處理電路的設計提供了有益的參考。

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FPGA Design of “GF-4” Satellite Large-array Infrared Camera Video Processing Circuit

LIU Tao ZHANG Ye LI Liang WANG Yang ZHANG Xu HUANG Jing WANG Hua
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite infrared camera achieves a large-array imaging infrared detectors. This paper firstly analyzes the characteristics of large-array infrared detectors, equipment work environment, miniaturization, signal sampling precision and high-speed serial data transmission, and then uses a clock management chip clock network design to improve the signal sampling accuracy and the reliability of high-speed serial data transmission; In the paper the use of signal processing to achieve orbit correction channel inconsistencies and improve the signal to noise ratio of the image; the use of electronic current limiter prevents single event latch-made devices, and the device improves reliability; ground adaptive pixel correction, programmable blind yuan replaces experiments in orbit for future applications of the technology experiment. Finally, the infrared imaging camera location imaging results show that the proposed design ideas is feasible and meets the mission requirements.

clock network; field programmable gate array (FPGA); large area array infrared detector; GF-4 satellite

TP336

A

1009-8518(2017)03-0109-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.013

劉濤，男，1982年生，2009年獲電子科技大學電子科學與技術專業(yè)碩士學位。研究方向為星載FPGA信號處理。E-mail：178932565@qq.com。

（編輯：劉穎）

2016-04-19

國家重大科技專項工程