探测器前放组合件测试系统设计

丁万成，野 超，赵 剡

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009； 2.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)



探测器前放组合件测试系统设计

丁万成1，野 超2，赵 剡2

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009； 2.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

利用虚拟仪器技术可以实现对探测器前放组合件测试系统等高精度测试系统的开发；系统以工控机为主控平台,结合自研的图像采集与处理单元、切换控制单元，利用虚拟仪器开发软件LabVIEW2011，实现对单个前放模块常温测试，对两发探测器前放组合件同时进行高低温、常温测试；对探测器盲元的检测做了详细的说明和分析；通过现场实际使用，证明了该系统测试精度高，完全满足了微弱小信号的测试，自动化程度高，测试速度快，实现了对测试数据、图表、图像的采集、保存和回放。

红外探测器；前置放大器；盲元；LabVIEW；测试系统

0 引言

红外探测器是实现导弹红外制导的核心组件，前置放大电路是红外探测器处理电路的重要组成部分，它把从读出电路中获取的微弱电信号放大后传输给后面的处理电路[1]，其性能直接影响到整个系统的探测精度。

对探测器前放组合件的检测，以往由于缺乏合适的通用设备，通常采用外接连线、分路测试、人工插拔的方式进行，这种测量方法存在反复插拔，易引起连接不可靠，在非屏蔽状态下测试易受外界电磁波干扰及操作复杂工作效率低三大弊端。而且，这种测试方法，经常出现测试不准确、不稳定的情况，需要花费大量精力来查找探测器前放组合件和测试系统的问题。鉴于上述情况，研制探测器前放组合件测试系统，对提高检测的准确性、可靠性、快速性意义重大。

1 系统方案介绍

探测器前放组合件测试系统主要由主控计算机、图像数据采集与处理单元、切换单元、面源黑体等部分构成。相互之间的关系如图1所示。

图1 探测器前放组合件测试系统整体示意图

电源通过切换单元给被测探测器组合件供电，温箱为测试提供高低温测试环境，供气单元给探测器供气制冷，面源黑体提供面源目标，完成等效噪声温差、盲元率等测试。

探测器将目标红外图像传递给图像板，进过初步处理后以LVDS形式输出，图像数据采集与处理单元将LVDS图像采集并存储，通过PCI总线传给上位机，上位机对这些图像数据处理，利用仿真器可以对图像板的工作点进行烧写。

探测器组合件进行电压测试，被测结果通过切换单元，传递给万用表，万用表将测得电压通过RS232发送给上位机。探测器组合件的被测波形，通过切换单元，传递给示波器，示波器将采集到的波形通过USB发送给上位机，上位机将对波形数据保存、处理、分析。

2 系统硬件设计

2.1 图像采集与处理单元

图像数据采集与处理单元板卡采用FPGA加DSP结构，选用PCI总线通讯，其功能框图见图2。主要分为供电模块、FPGA模块、DSP模块及接口电平转换与阻抗变换模块。

供电部分主要为图像数据采集与处理单元的各个模块供电，DSP芯片大部分采用低电压供电方式，并且采用内核电压和I/O电压分开的方式。DM642芯片的工作电压为3.3 V和1.4 V。其中，1.4 V是为该器件的内核供电的电压，包括CPU和所有的外设逻辑。外部I/O仍然采用3.3 V电压，这样可以直接与外部低压器件连接。

图2 图像采集与处理单元功能框图

FPGA部分主要实现对LVDS图像信号的采集和预处理还有自检中LVDS模拟信号的生成。LVDS 信号接收部分主要接收外部的LVDS 图像数据帧，检出帧头，并将帧数据传送给FIFO以便DSP进行处理，一个数据帧包含16 bit的帧头和128×128 bit 的帧数据。解串后的数据送入FIFO实现数据的存储，用于与DSP的交互[2]。

DSP的DM642部分主要实现图像预处理算法、图像的缓存和通过PCI接口实现与主机的交互。DSP通过EMIF接口与FPGA的FIFO部分相连，实现图像数据的读取，并进行图像预处理算法。另外选用了一款64 MB的SDRAM做为缓冲区。DSP通过内部的EDMA控制器实现集成的PCI接口控制器与DSP的接口。

除此之外，图像数据采集与处理单元还包括时钟电路，JTAG接口和扩展的外部FLASH存储器。在DSP加FPGA系统中，时钟电路是处理数字信息的基础，同时它也是产生电磁辐射的主要来源，其性能好坏直接影响到系统是否正常运行，所以时钟电路在数字系统设计中占有至关重要的地位。设计中，需要多个时钟输入，而且对时钟质量要求很高，所以从时钟质量和成本两方面折中考虑，也为了将来系统稳定运行后可以方便的提高频率，本设计选取了晶振电路的方式来设计时钟电路[3]。其中FPGA采用20 MHz晶振，DSP采用50 MHz晶振，通过DSP内部PLL实现高达600 MHz的主频。设计中扩展了2 M字节的外部程序FLASH，以此实现对DSP程序的存储。

2.2 切换控制单元

切换控制单元由单片机STM32控制继电器的通断，完成整个测试逻辑控制，配合数字多用表和示波器完成电流、电压、噪声的测量及相关波形的分析。另外，切换控制单元通过SPI接口对图像参数板进行程序烧写；通过控制气源电磁阀的关闭，对产品进行供气或者断气。

所有开关采用欧姆龙继电器，并且继电器和切换单元所有元器件单独供电，与被测信号绝缘无电的联系，尽量减少对被测信号的干扰，确保弱信号在数字万用表中实现高精度的测量。测试信号线采用屏蔽线，以免电磁干扰，来达到系统的测试精度要求[4]。电压取样由万用表探头直接实现，而电流取样将根据对象的具体接口功能与性能接入电阻实现。切换控制单元设计示意图见图3。

图3 切换控制单元卡示意图

自检自校模块是模拟和仿真探测器前放组合件和前放模块的输出信号和控制信号，将这些信号接到测试端口，进行无产品在回路中程序调试、设备状态检测和校核，使设备处于一种仿真工作状态，按照正常产品测试流程实现测试的全过程，检测设备各种测试控制程序的运行是否正确。

3 系统软件设计

系统软件是基于Windows平台，采用图像化编程软件LabVIEW作为开发工具，以图表的形式完成测试所需的全部功能。

上位机软件总体界面分为六个部分：自检，组合件测试，前放模块测试，参数板的程序烧写，生成测试报告，图像波形数据回读，远程通讯，参数设置(管理员)。自检程序可以完成仪器设备的自检和图像的自检；组合件测试完成对组合件常温、高低温下的测试；前放模块测试完成对前放模块常温下的测试；参数板的程序烧写，完成对参数板Flash芯片的程序烧写；生成测试报告完成Excel表格的生成；远程通讯接受测试任务，完成向远程数据库传输测试结果；参数设置(管理员)完成对限制电压电流上限，测试结果合格范围，波形显示时间等参数的修改。总体界面功能图如图4所示。

图4 总体界面功能图

4 盲元检测

4.1 滑动窗口检测法

传统的滑动窗口检测法是以待检像元为中心取一个(2n+1)×(2n+1)的窗口，以窗口内所有像元均值作为阈值，以此判断中心像元是否为盲元。滑动窗口具体检测时，采用中心像元周围的像元进行检测，通过求解周围像元灰度值的均值来判断中心像元是否是盲元[5]，滑动窗口示意图如图5所示。

Bi-1,j-1(n)Bi-1,j(n)Bi-1,j+1(n)Bi,j-1(n)Bi,j(n)Bi,j+1(n)Bi+1,j-1(n)Bi+1,j(n)Bi+1,j+1(n)

图5 3×3 的滑动窗口示意图

采用滑动窗口对红外图像进行检测盲元时，窗口的大小的选取对盲元检测结果有一定的影响。最小为3×3的窗口[6]，窗口越小，相对检测到的盲元数量越少，越容易出现检测偏差。当窗口大小选取不同时，检测结果也不同，检测结果如图6所示。

图6 检测结果图

滑动窗口检测法对于离散的散点盲元具有很好的检测效果，能够分辨离散盲元与周围正常像元。但是对于连续的盲元点，则很难进行判断，会将一部分的连续盲元误判为正常像元，从而导致出现漏检问题。所以3×3的窗格适用于成像质量较高的红外图像的盲元检测。

4.2 高低温检测法

滑动窗口检测法对于检测连续盲元效果较差，所以采用一种高低温检测法进行盲元检测，通过实验发现能够得到更好的检测结果。

盲元在不同温度下的响应特性上与正常像元有很大的差异。正常像元在一定动态范围内是呈线性变化，并且随着温度的升高其响应灰度值也增大[7]。其中正常像元、过热像元和死像元的响应曲线如图7所示。

图7 盲元响应特性曲线

如前所述，盲元响应特性与正常像元响应特性相比，其响应值基本不随温度的升高而增加，过热像元维持在一个较高的灰度值而死像元维持在一个较低的灰度值。因此利用这个特点，分别在低温和高温上测量其响应数据，将这两组数据的每一个像元的灰度值进行处理，差值与一个阈值做比较，如果大于该阈值即为正常像元，小于该阈值则可判为盲元[8]。其具体步骤如下：

1)将黑体温度调整到低温TL，待黑体温度稳定后，采集并保存探测器输出图像数据Yi,j(TL)，结果如图8(a)所示；

2)将黑体温度调整到高温TH，待黑体温度稳定后，采集并保存探测器输出图像数据Yi,j(TH)，结果如图8(b)所示；

3)计算测得的高低温响应差值:

(1)

4) 设定阈值δ，判断盲元。如果ΔYi,j<δ，表示像元(i，j)为盲元；如果ΔYi,j>δ，表示像元(i，j)为正常像元，结果如图8(c)所示。

图8 检测结果图

(2)

式中,k为比例因子，通常根据各像元对高低温的实际响应数据及盲元定义的临界值进行多次修正，以获取最佳盲元检测效果[10]。

5 系统测试精度

测试系统的电压、电流、噪声测试结果见表1。从表中可以

表1 系统校准表

看出，电压测试达到了0.1 mV,完全满足1 mV的技术要求，电流测试达到了0.01 mA,完全满足0.1 mA的技术要求，噪声的测试精度在6 μV之内，也满足30 μV的技术要求。通过对系统的校准，充分说明的系统的测试精度高。

6 结语

应用实践证明该测试系统不仅性能稳定、测试精度高、测试速度快，自动化程度高，而且还能够实现对系统内部的噪声，盲元等干扰因素进行补偿和消除，使测试系统得到进一步的完善。

[1] 方 丹. 红外焦平面器件的信息获取电路技术[J]. 红外, 2003(3): 1-8.

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Design of Detector Preamplifier assembly Test System

Ding Wancheng1，Ye Chao2，Zhao Yan2

(1.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009, China；2.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University，Beijing 100191，China)

A detector preamplifier assembly test system is introduced by using virtual instrument technology. The system takes IPC as the hosting platform, jointly with image acquisition and processing unit, switching control unit and virtual instrument software Labview2011. Therefore temperature test of single preamplifier module as well as high-low temperature test and temperature test of two detector preamplifier assemblies simultaneously can be realized. Detection to blind detector element has been given a detailed description and analysis. Through actual application on site, we can demonstrate that the system has a high precision, which satisfy the weak small signal testing adequately. In addition, the system with a high degree of automation and fast test speed can implement capture and save test data, charts and images.

Infrared detector; preamplifier; blind unit; LabVIEW; test system

2015-06-24；

2015-12-15。

航空科学基金项目(20110112007)。

丁万成(1973-)，男，河南洛阳人，高工，主要从事系统测试与控制技术方向研究。

赵 剡(1956-)，男，山西临汾人，教授，博士研究生导师，主要从事导航与制导方向研究。

1671-4598(2016)06-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.005

TP271

A