红外成像导引头信号调理卡的设计

郭旭敏，李艳宁，段 萌，陈 琨，刘 健，Dante JDorantes-gonzalez

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072;2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

0 引言

导引头可谓是导弹的“眼睛”。导引头采用的制导方式多种多样，如红外制导、激光制导、雷达制导、毫米波制导等。红外制导导引头的发展大致经历了红外非成像制导和红外成像制导2个阶段，当前，红外成像制导是导引头技术发展的主流［1］。

红外成像导引头采用红外焦平面阵列(IRFAP)器件为探测器，这种器件的优点是空间分辨率高、动态范围好、灵敏度高，对目标物体的辐射信号采集率高［2］，但不可避免地也会更多地接收到各种干扰源发出的杂散光信号，影响成像质量，严重时甚至会把目标信号“淹没”，使导引头丢失目标，所以，对其抗杂散光性能进行分析与评估十分重要。导引头在飞行过程中，最大的干扰源是太阳。杂散光测试设备正是在模拟太阳光的环境下对红外成像导引头抗杂散光干扰的性能进行分析与评估。目前，导引头红外焦平面阵列器件的像元规模越来越大，从32×32，64×64到128 ×128，甚至256 ×256，且帧频达到了 100～150 Hz［2］，另外，导引头输出数据采用的是LVDS或HOTLink格式，不能被通用的图像采集卡所识别，如何快速、准确地将导引头的成像数据传输到杂散光测试设备是完成红外成像导引头抗杂散光能力测试的关键性问题之一。本文提出的信号调理卡设计方案正是要解决这一问题。

信号调理卡采用FPGA为控制核心，将导引头输出的低电压差信号(low voltage differential signaling，LVDS)或HOTLink格式的图像数据进行调理，转换成可被杂散光测试设备上的图像采集卡识别的格式，然后传输至计算机做进一步处理。整个设计考虑了数据传输的实时性、高速电路设计和电磁兼容(electro-magnetic compatibility，EMC)性设计。实验表明:该信号调理卡能够满足将导引头信号实时传输到杂散光测试设备的要求。

1 杂散光测试设备介绍

杂散光测试设备主要由四部分组成:

1)太阳模拟器:太阳模拟器是杂散光测试设备的核心。导引头在飞行过程中，太阳是最大的干扰源，杂散光测试设备主要就是测试与分析导引头抗太阳辐射杂散光的能力。太阳模拟器在0.4～12μm波段的辐射能量光谱与大气层外太阳的辐射能量光谱基本一致，而红外成像导引头的工作波段正是在短波 1～3μm，中波3～5μm和长波 8～10μm。

2)运动机构:主要包括姿态调整机构和斩光器等。姿态调整机构用于放置探测器，作用是实现探测器相对于模拟太阳光的各种姿态的调整;斩光器提供0～10 Hz的斩光频率。

3)探测器:杂散光测试设备配备了1～3，3～5μm和8～12μm波段的320×240面阵探测器各一个。

4)工控机:杂散光测试设备的控制核心是工控机。探测器的成像数据都进入到工控机进行处理与分析。

测试时，将导引头置于姿态调整机构上，调整相对于模拟太阳光的姿态，启动斩光器，通过对比有太阳杂散光干扰和无太阳杂散光干扰的情况下导引头红外探测器的成像来分析导引头在飞行过程中各种姿态抗太阳杂散光的能力。由于导引头输出的数据不能被杂散光测试设备直接接收，实际测试时，要先经过的信号调理卡调理后进入杂散光测试设备。

2 信号调理卡硬件电路设计

信号调理卡的控制核心为FPGA，包括LVDS接收模块、HOTLink接收模块、数据缓存模块和LVDS电平匹配网络，另外还有一组开关阵列用于接收通道的选择和图像类型的选择。

2.1 总体框图

信号调理卡总体结构框图如图1所示。信号调理卡有两路通道，一路接收LVDS信号，一路接收HOTLink信号。调理卡的输出接PCI1422图像采集卡，工控机读取图像采集卡的数据。整个硬件电路部分设计的难点有两处:一是

图1 总体框图Fig 1 Overall block diagram

2.2 LVDS接收模块

LVDS是一种低摆幅差分技术，电压摆幅约±350 mV［3］。导引头输出的LVDS格式的图像信号经过LVDS接收电路转换成LVTTL电平进入FPGA。导引头输出的LVDS信号共有三路:1)像素时钟信号YCLK+/-;2)数据同步信号YSYN+/-;3)图像数据YDATA+/-。LVDS接收芯片采用 DS90LV048A，有四路 LVDS接收通道，供电电压为3.3 V，能够将LVDS电平转换成LVTTL电平。为了提高传输速率，导引头输出的LVDS图像信号采用双倍数据速率(DDR)技术，即在像素时钟信号的上下沿都传输数据。每一帧图像都有帧头数据，程序中通过检测帧头来确定图像边界。

2.3 HOTLink模块

HOTLink是Cypress公司提出的点对点串行通信协议，并有底层物理器件支持，它是一种PECL电平［4］。HOTLink接收芯片自带编/解码、时钟恢复和串并转换功能，能将收到的串行数据以8位字节并行输出并同时输出接收时钟［4］。

本文不仅设计了HOTLink接收通道，还有HOTLink发送通道，用于自检模式下判断数据链路是否正常。采用二代HOTLink芯片CYP15G0101，集收发于一体，单通道，驱动电压3.3 V，最高传输速率1.5 GHz。为了更好地抑制共模干扰，端口采用变压器隔离，如图2所示，变压器型号为PULSE公司的PE65508。

图2 隔离电路Fig 2 Isolation circuit

2.4 数据缓存模块

为了保证导引头图像数据完整性，采用乒乓操作，即采用两片SRAM做数据缓存，先写一帧图像到一片SRAM，然后在写另一片SRAM的同时发送已存储的一帧。导引头输出的串行图像数据传输速率最高达400Mbps，一帧图像像素大小不超过128×128，这就要求数据缓存器件有较高的存取速度，且至少要有存储一帧图像的容量。SRAM型号选用 IS61LV25616AL—10T，存储容量 256 k，16 位深，每一位最高存取速率在133 Mbps以上，能够满足要求。

2.5 阻抗匹配

无论是LVDS信号传输还是HOTLink信号传输，速率都很高，必须考虑信号的阻抗匹配。对于LVDS信号，需要在信号通道终端跨接1只100Ω的电阻器到差分线上，以减少终端反射和电磁干扰;对于HOTLink信号，传输电缆特征阻抗是75Ω，所以，应该在发送通道的差分线上各串接1只37.5Ω的源端匹配电阻器，在接收端差分线上跨接1只100Ω的终端匹配电阻器，以减少信号的源、终端反射和电磁干扰。

2.6 EMC设计

由于测试现场的电磁环境比较恶劣，必须考虑EMC设计:

1)电路板采用6层板，从顶层到底层分别为信号、地、信号、地、电源和信号。

2)TTL信号和LVDS信号、HOTLink信号尽量分层走线;

3)尽量减少过孔数量，重要信号线周围不走线;

4)差分线走线长度尽量短且等长，避免90°走线，而用45°折线或圆弧代替;

5)使用金属外壳封装，传输线缆采用屏蔽线。

3 FPGA程序设计

调理卡的程序设计采用VHDL语言编写，总流程图如图3所示。

图3 总流程图Fig 3 Overall flow chart

首先，通过外置开关选择当前接收模式是LVDS模式还是HOTLink模式，LVDS模式下对接收到的数据先进行串并转换。2种模式下都要检测到帧头数据后再开始存储。数据的存储采用乒乓操作的方式，按帧存取，存储一帧图像至一片SRAM的同时读取另一片SRAM中的图像数据发送至采集卡。

需要注意的是，信号调理卡在向PCI 1422图像采集卡发送数据时，必须严格按照PCI 1422图像采集卡的读取数据时序。PCI 1422图像采集卡采集面阵图像采集有两路使能信号:帧使能信号(frame enable，用VSYNC表示)和行使能信号(line enable，用HSYNC表示)。行与行之间至少要有3个像素时钟周期的间隙销毁使能。帧与帧之间至少要有3个行周期的间隙销毁时间。

4 实验

导引头输出的LVDS图像像素128×128，14位深，帧频最高100 Hz;HOTLink图像像素128×128，14位深，帧频最高150 Hz。实验内容为自定义一幅实验图像，分别以100 fps的LVDS格式和150 fps的HOTLink格式发送，然后经信号调理卡调理后传输到工控机上显示出来。

实验图像是一个灰色背景方框正中嵌一个白色小方框，灰色背景框像素灰度值为8191，白色小框像素灰度值为16383。实验图像像素为128×128，每个像素点有16位数据，包括14位图像数据和两位标志位，如图4所示。

图4 实验图像Fig 4 Testing image

使用自行研发的基于FPGA的图像发生器作为信号源模拟导引头的时序，将实验图像分别以100 fps的LVDS格式和150 fps的HOTLink格式发送至信号调理卡。LVDS数据的传输介质为三对双绞线，HOTLink数据的传输介质为75Ω同轴电缆。使用QUARTUSII 9.0自带的内嵌式逻辑分析仪得到LVDS格式的图像部分时序图和HOTLink格式的图像部分时序图如图5、图6所示。

图5 LVDS图像部分时序Fig 5 Partial timing of the LVDS image

信号调理卡将信号源发出的2种格式的图像调理之后发送到工控机上显示的图像如图7和图8所示。

图6 HOTLink图像部分时序Fig 6 Partial timing of the HOTLink image

图7 工控机上显示的LVDS图像Fig 7 LVDS image displayed on industrial control computer

图8 工控机上显示的HOTLink图像Fig 8 HOTLink image displayed on industrial control computer

工控机接收到的LVDS图像大小为128×128，帧频为100 Hz，灰色背景框像素灰度值为8191，白色小框像素灰度值为16383;HOTLink图像大小为128×128，帧频为150 Hz，灰色背景框像素灰度值为8 191，白色小框像素灰度值为16383。由于乒乓操作，计算机显示的图像与实际图像有一帧的延迟，如帧频为150 Hz时延迟时间为6.66 ms，这个延迟可以在计算机上通过软件进行补偿，以进一步提高实时性。

5 结论

本文介绍了信号调理卡的硬件电路设计、程序设计和实验情况。连续测试表明:该信号调理卡能够将像素128×128，100 fps的 LVDS图像和像素 128 ×128，150fps的HOTLink图像实时、准确地传输至上位机做进一步分析，可以满足杂散光测试设备对红外成像导引头受杂散光影响的情况进行实时评估的要求。目前，该信号调理卡已经成功应用于中国空空导弹研究院某型杂散光测试设备上，取得了良好的效果。

［1］杨卫平，沈振康.红外成像导引头及其发展趋势［J］.激光与红外，2007，37(11):1129-1136.

［2］汤锦亚，仇 力.红外焦平面探测器在导弹导引头上的应用［J］.红外技术，2002，24(2):14-17.

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［4］Cypress Semiconductor Corporation.CYP15G0101DXB Single-channel HOTLink IITMTransceiver［Z］.Semiconductor Corporation，2002.

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