摘要：航空用光電吊艙依靠內(nèi)部的紅外傳感器和可見光傳感器在空中完成對目標(biāo)的探測和跟蹤任務(wù)，當(dāng)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(yīng)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(jì)因素，同時(shí)支持中、長波雙波段的紅外探測器尚未普及。文章設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)及時(shí)序驅(qū)動(dòng)、探測器信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換處理以及圖像處理平臺(tái)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(guān)鍵詞：紅外成像技術(shù)；電路設(shè)計(jì)；信號(hào)處理；雙視場雙波段

中圖分類號(hào)：TP312" 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)。

0" 引言

隨著科技的發(fā)展，紅外成像技術(shù)因其在夜視、醫(yī)療診斷、軍事偵察等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(diǎn)，單波段的紅外傳感器具有各種局限性。例如在遠(yuǎn)距離對地目標(biāo)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(biāo)背景對比度大，局部目標(biāo)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(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)和時(shí)序、信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。為了適當(dāng)降低光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和成本，通過設(shè)計(jì)分光片，形成了獨(dú)立的中波和長波光學(xué)視場，組成了雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)。在光學(xué)系統(tǒng)前段，長波與中波共用主光路；在光學(xué)系統(tǒng)中段，采用分光片進(jìn)行中、長波分光；在光學(xué)系統(tǒng)后段，對長波光路設(shè)計(jì)增加變倍鏡組，利用視場切換機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)2個(gè)視場的切換。在目標(biāo)搜索和跟蹤過程中，采用雙波段光學(xué)系統(tǒng)，雙視場快速切換，可以有效提高目標(biāo)捕獲效率和抗干擾能力。紅外成像電路作為該技術(shù)的核心部分，其性能直接影響成像質(zhì)量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1" 基本結(jié)構(gòu)

雙視場雙波段紅外成像系統(tǒng)集成了光學(xué)、紅外焦平面探測器、電子學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域的技術(shù)，其成像系統(tǒng)如圖1所示，由光學(xué)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(biāo)自身產(chǎn)生的中、長波紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸后到達(dá)紅外光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)接收中、長波紅外輻射，采用分光片進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換，探測器信號(hào)以輸出電壓的方式輸出目標(biāo)景物的模擬圖像信號(hào)；經(jīng)紅外成像電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)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(shè)計(jì)

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(shí)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(xué)F數(shù)，像素分辨率需要一致。本文設(shè)計(jì)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(xué)F數(shù)為2，像元大小為15 μm，中波響應(yīng)波段為3.7～4.8 μm，長波響應(yīng)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(shè)計(jì)的統(tǒng)型一致，降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本。

2.2" 探測器驅(qū)動(dòng)電路

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

中波和長波探測器電源驅(qū)動(dòng)電路采用型號(hào)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(qū)動(dòng)探測器的數(shù)字電源和模擬電源。電源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，圖中PCOT信號(hào)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(hào)來控制探測器的上電。當(dāng)探測器焦平面溫度未達(dá)到探測器正常工作狀態(tài)的溫度時(shí)，F(xiàn)PGA輸出的PCOT信號(hào)為低電平，控制探測器保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，以保護(hù)焦平面；當(dāng)達(dá)到探測器正常工作溫度時(shí)，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(hào)串聯(lián)74 Ω電阻進(jìn)行負(fù)載匹配，經(jīng)型號(hào)為LT1807的運(yùn)算放大器芯片組成的跟隨電路濾波調(diào)理后，輸出到AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。調(diào)理電路如圖3所示。

2.3" 探測器驅(qū)動(dòng)時(shí)序

探測器數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口時(shí)序如圖4所示，主要包括探測器工作主時(shí)鐘信號(hào)、幀起始數(shù)據(jù)有效信號(hào)DATAVALID、探測器積分時(shí)間信號(hào)（Integration Time，INT）。探測器采用邊積分邊輸出（Isolated Word Recognition，IWR）的工作方式，當(dāng)INT的下降沿到來時(shí)，紅外焦平面探測器的DATAVALID信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)模擬信號(hào)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(shí)間為81920（640×512/4）個(gè)主時(shí)鐘周期。

2.4" 探測器信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換

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

探測器采用4路同時(shí)輸出的方式，以實(shí)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，須按照給定的排序方式對4路數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，以滿足后續(xù)圖像處理的需要。模數(shù)轉(zhuǎn)換及排序模塊的構(gòu)成如圖6所示。

2.5" 信號(hào)處理及成像模塊

信號(hào)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)雙波段紅外圖像視頻的生成，如圖7所示。圖中信號(hào)處理電路供電模塊為信號(hào)處理電路提供電源，晶振為FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)LASH芯片可以存儲(chǔ)FPGA程序數(shù)據(jù)和兩點(diǎn)校正系數(shù)，SRAM系數(shù)存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)計(jì)算中的單點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，幀存能夠存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，422通信模塊可以實(shí)現(xiàn)對外通信。

在系統(tǒng)開機(jī)或復(fù)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(shè)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(qū)動(dòng)電壓的驅(qū)動(dòng)下，接收FPGA芯片發(fā)出的時(shí)序控制信號(hào)開始工作；輸出的圖像信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為16 bit的數(shù)字信號(hào)，隨后數(shù)字信號(hào)被送入FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過視頻處理后輸出視頻信號(hào)［1］。

為了實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。信號(hào)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(bǔ)償，圖像數(shù)據(jù)的直方圖統(tǒng)計(jì)，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(jì)算采用兩點(diǎn)校正法和單點(diǎn)校正法。當(dāng)采用兩點(diǎn)校正時(shí)，F(xiàn)PGA將兩點(diǎn)系數(shù)中的乘法系數(shù)k和加法系數(shù)b存儲(chǔ)到FLASH存儲(chǔ)器中。當(dāng)采用單點(diǎn)校正時(shí)，F(xiàn)PGA讀取FLASH存儲(chǔ)器中兩點(diǎn)系數(shù)，對單點(diǎn)校正系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算并更新，將單點(diǎn)校正系數(shù)寫到系數(shù)存儲(chǔ)器SRAM中。在FPGA邏輯程序中，當(dāng)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正時(shí)，首先讀取系數(shù)存儲(chǔ)器SRAM中的k、b值，將原始圖像數(shù)據(jù)的灰度值進(jìn)行kx+b計(jì)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(diǎn)校正和單點(diǎn)校正后的圖像數(shù)據(jù)在FPGA中經(jīng)過灰度壓縮變換，進(jìn)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(jìn)行切換。

3" 結(jié)語

本文在雙視場雙波段紅外成像組件設(shè)計(jì)中，對光學(xué)架構(gòu)、探測器接口驅(qū)動(dòng)模塊、探測器驅(qū)動(dòng)及時(shí)序、模數(shù)轉(zhuǎn)換及圖像數(shù)據(jù)成像模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)；對640×512中波和長波探測器的成像電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，為探測器提供了較好的圖像預(yù)處理平臺(tái)。系統(tǒng)采用Microblaze軟核FPGA體系結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)集成化、工程化，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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［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(qiáng)）

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