红外焦平面图像处理系统的软硬件设计＊

2013-11-23张欣

舰船电子工程 2013年9期

张欣

（海军航空工程学院青岛校区青岛 266041）

1 引言

目前，红外焦平面图像处理系统被广泛用于红外探测及成像技术，并面向红外搜索跟踪、红外凝视扫描、态势感知、武器热瞄具等多个领域，获得各国科学工作者的高度关注。为此，本文主要针对红外焦平面图像处理系统所要达到的功能及技术指标进行了分析，并依据所做的分析确定系统的设计方案。明确红外焦平面图像处理系统由核心处理模块、图像采集模块、图像预处理模块等功能模块组成，以及每个功能模块所要具体实现的功能，并从软件、硬件两个方面详细说明各个功能模块具体的设计方案。达到了预期的设计效果［1］。

2 图像处理系统

红外焦平面图像处理系统在具备红外图像的采集、红外图像预处理、敏感信息提取等功能的同时，还要具备适用于多个领域的特点［2］。

1）系统的主要基本设计指标为：

（1）响应光谱波段：3μm～5μm、8μm～14μm；

（2）帧频：≥50Hz；

（3）像元个数：≥320×240；

（4）热响应时间：＞7ms；

（5）非均匀性：＜50%；

（6）AD 量化位数为14位。

以上的技术指标作为设计输入，要贯彻到系统设计的整个环节当中，从实际、从工程角度、从适用范围等多个角度出发，统筹考虑。

2）系统设计主要遵循的设计思想包括：

（1）选用适合的传感器和性能可靠、渠道稳定的器件，尽可能地降低成本；

（2）采用模块化设计，顶层到底层逐层设计，每个模块实现不同的功能；

（3）提高系统的适用性，保证系统对多种应用的兼容性；

（4）余量设计，保证系统可升级。

3 硬件设计

红外图像处理系统依据各模块功能上的不同，可以区分为三个功能模块，分别为图像采集模块、图像预处理模块和图像处理模块。图像采集模块是用来产生数字化的红外图像信号，是图像预处理的前端和基础，图像采集模块将采集到的红外图像信息送至图像预处理模块进行预处理；图像预处理模块依据事先设置的算法对图像采集模块送来的红外图像进行处理；图像处理模块是依据预制的目标识别算法对预处理后的红外图像信息进行敏感信息提取，预处理和处理模块功能上是相对独立的，但两者完全可以放在一个硬件上实现，也可以分别在两个不同的硬件上实现［3］。系统硬件结构图如图1所示。

3.1 图像采集模块

图1 红外图像处理系统结构图

将红外光辐射信息转换为红外数字图像信号是图像采集模块所要具备的基本功能。首先，热探测器将红外信号转换为电信号，再经过A／D 转换电路器将模拟电信号转换为的数字图像信号。这一过程包括信号的获取及处理两个步骤。系统中图像采集模块是由三部分组成，分别是红外焦平面阵列、图像信号处理电路和温度控制单元［4］。其结构图如图2所示。

图2 图像采集模块结构图

1）温度控制方式。温度控制方式主要有两种解决方案，单芯片控制方式和微处理器控制方式。采用控制热电制冷器电流方向和大小的形式，可以实现控制焦平面阵列温度的需求。单芯片控制和微处理器控制分别有其不同的特点。单芯片控制方式具有结构简单、集成度高、体积小、功耗低、设计容易等优点，但其控制精度相对较低。微处理器控制方式可以达到较高的控制精度，但其需要相对复杂的外围电路设计，调试也相对困难。相比较而言，单芯片温度控制精度能达到0.01℃，完全可以满足非制冷型红外焦平面阵列所需要的工作条件。

2）图像信号处理。在一个像素采集周期内，进行前后两次采集的图像信号的采样或者积分，然后再将采样或者积分送至差动放大器件的两个输入端口，再进行图像信号放大的同时去抑制低频噪声和宽带白噪。

开关指数滤波电路原理图，如图3所示。

图3 开关指数滤波电路原理

开关指数型滤波器中RC 常数相对居中，既有双斜积分法的特点，也包含相关双采样的特点，可以允许同时有两个不同的截止频率。

红外焦平面输出信号受抑制红外焦平面电压偏置电路波动的影响，信号处理电路采用相关双采样信号处理方法。对于电路设计来说，相关双采样电路和放大器等器件可以集成，从而使信号处理电路的设计得到简化，使系统可靠性得到提高。

3.2 图像预处理模块

图像预处理模块的设计也可以采用专用集成电路（ASIC）、DSP处理器以及FPGA 等几种设计方案。图像预处理模块一般来说只包含低层处理算法，这种算法的运算量巨大，对处理速度的要求相对较高，但其算法运算结构比较简单，因此可以采用FPGA 芯片设计专用的处理单元来实现预处理模块的功能［5］。

采用FPGA 作为图像预处理模块的工作平台，采用VHDL语言可实现非均匀性校正、盲点替代以及图像增强相关算法等运算数据量大、算法结构简单的红外图像预处理算法，是非常适合的。

3.3 图像处理模块

图像处理模块是用来统一管理和控制红外图像信号的实时采集和红外图像预处理模块的，并可接收上位机发出的控制指令，不仅实现对图像采集模块和图像预处理模块的控制，还要实现基于预置目标识别算法的敏感目标提取的功能［6］。

图像处理模块可采用以下四种方案来实现：

1）基于单片机的设计方案。单片机具有功耗低、实现简单、调试方便等特点，但其外围电路相对较多，硬件结构复杂，单片机不能自行完成对红外焦平面阵列的驱动，需要借助专用的集成芯片来完成，图像数据的传输和显示等功能也需要占用大量的单片机资源。

2）基于DSP芯片的设计方案。DSP芯片具有运行频率高、数据处理速度快、集成度高等特点，其外围电路相对简单。

3）基于嵌入式系统的设计方案。嵌入式系统具有适用范围广，具有成熟的模块，设计简单，数据处理能力强，具有在线编程、在线仿真，开发环境友好等特点。

4 系统软件设计

系统软件设计方案主要包含三部分内容，分别是图像采集模块软件设计方案、图像预处理模块软件设计方案和图像处理软件设计方案。

4.1 图像采集模块软件

图像采集模块的软件功能主要是实现红外焦平面阵列的时序驱动、时序控制以及阵列的参数控制等，也就是说，当外部的红外光辐射到红外焦平面阵列后，由图像采集模块软件实现光学图像信息到数字图像信号的转换，即完成图像的采集和存储。针对非制冷型红外焦平面阵列而言，还需要对温度进行控制，使阵列能稳定工作［6］。

4.2 图像预处理模块软件

红外焦平面阵列材料及其制造工艺等相关因素是影响系统红外图像输出质量的关键，若红外焦平面阵列本身的工作性能指标较低的话，所探测到的目标可能直接淹没在背景噪声当中。红外焦平面阵列自身的响应率低可以直接导致输出的有效信号无法从较高的背景电平中读取，有效信号就会丢失。红外焦平面阵列内的每个热敏单元在相同的红外辐射强度下，其产生的输出电平幅度也不尽相同，使其出现不均匀现象，这种不均匀现象会使阵列输出的红外图像信息模糊不清，并产生畸变，甚至使阵列直接失去探测能力。这时就需要对红外图像进行实时的预处理，扩大红外焦平面图像处理系统的动态输出范围，消除图像的非均匀性并抑制红外图像噪声、改善红外图像质量［7］。

现在经常使用的红外图像预处理算法主要有盲点补偿、非均匀性校正等：

1）盲点补偿算法。盲点检测一般来说是在红外焦平面阵列上对每个热敏单元进行的，通常采用的方法有噪声检测法、响应率法和偏差法等，但因为阵列受时域噪声以及非均匀性噪声等因素的影响，使得盲点检测结果的精确度很难达到一个很高的标准。

基于窗口的“3σ”原则的盲点检测方法可以避免图像的非均匀性和图像在受时域噪声影响下的盲点检测精度较低的问题。这种方法的基本原理是利用均匀背景下，红外图像的灰度值基本近似于一个正态分布的统计特征和盲点在图像中所表现出来的具体特征，利用“3σ”准则对阵列上的盲点进行判断，当热敏单元的响应值不在阵列平均响应值±3σ之间的像元，将其判定为盲点，其阈值的计算公式可表示为

其中，σ（i，j）为中心坐标（i，j）的窗口像元灰度标准差，n为半窗宽度，f（k，l）为窗口内像元灰度值，U（i，j）是中心坐标为（i，j）的窗口像元灰度平均值，即

实现基于窗口的“3σ”原则的盲点检测算法，算法结构相对比较复杂，不适合在FPGA 芯片中实现，但可以在DSP中实现，并将计算的结果传回给FPGA 芯片。盲点检测并不需要经常进行，在确定盲点位置后，只需要将数据制成盲点信息表，在需要进行盲点补偿时，DSP芯片将盲点信息表回传给FPGA 芯片。

2）非均匀性校正算法。红外焦平面阵列的非均匀性可以定义成阵列内各热敏单元的响应度不同导致阵列产生的红外图像质量下降，也可定义为由于阵列工作的环境温度发生变化或者电荷传输效率变化等多方面因素促使阵列的成像质量出现下降。虽然红外焦平面阵列热敏单元不同的响应率可以反映出非均匀性的本质，但是即使阵列内每个热敏单元响应率一致，在实际使用中，其阵列输出仍然具有不一致性。独立于输入信号的偏差非均匀性以及热敏单元因响应不均匀性而导致的增益非均匀性会使其噪声叠加在图像上，使图像信息产生误差。这个误差的产生对阵列的成像质量会产生非常严重的影响，因此通过对红外焦平面阵列内各热敏单元的增益和偏差进行预先校正，可以很好地改善阵列输出的图像质量情况。

4.3 图像处理模块软件

图像处理模块的软件功能主要实现对经过预处理算法处理的图像数据进行敏感目标识别、提取等。图像处理模块算法的实现主要在DSP 芯片内部，敏感目标识别、提取有很多方法，例如图像灰度计算及统计、小波分析、图像差分分析等，在设计算法时，需要采用多种方法对图像数据进行分析，以避免单一算法的固有缺点，保证目标识别的准确性［8］。