红外预警实时图像处理系统设计与实现

杨全海

[摘要]针对红外预警系统分析可疑来袭目标时减少反应时间和降低虚警率之间的矛盾，提出了一种采用多级预警机制的红外预警实时图像处理系统设计方案，设置告警级别，针对不同探测与处理结果给出不同级别的告警信号。同时针对推扫式红外预警系统的成像特点，采用多路处理方法以提升系统实时性。硬件方面为满足多级预警与多路处理方法的需求，基于Xilinx公司的5系列FPGA与TI公司TMS320C6455型高速DSP为核心处理器设计多核架构，开发了FPGA内部的DSP运算内核，增强了系统的运算能力。采用红外预警和多路处理技术能够在满足虚警率要求的同时提升系统的实效性。

[关键词]红外预警；图像处理；系统设计

红外预警系统因其良好的抗电子干扰、被动探测目标和全天时工作的能力已经广泛应用于现代光电对抗等应用中。周扫式红外预警系统是一种典型的红外预警系统，主要由探测装置、伺服系统、图像处理系统和监视器等部分组成，其中图像处理系统担负着对图像相关信息的处理与提取并向显示终端发送警戒信号的重要任务。为了能发现敌方目标并即时发送告警信号，图像处理系统必须实时地完成指定处理任务，这就需要处理平台在处理机制、处理算法、数据传输等方面都能够满足实时性要求。

一、红外预警实时图像处理

（一）在红外预警系统执行任务期间，需要尽早探测到敌方目标并准确识别目标类型。当目标距离相对较远时，反应在图像上的目标像元尺寸很小，一般为几个至十几个像素大小，无法进行目标识别。而当反应在图像上的目标像元尺寸足够进行识别时，目标距探测器距离较近。针对以上矛盾，提出了一种应用于红外预警系统的多级预警机制，为预警信号设置级别，针对不同情况给出不同级别的预警信号。

（二）等待方法。线阵红外探测器采集到得图像为“列图像”，不存在面阵红外探测器所捕获的“图像帧”，且“列图像”中包含的信息量存在无规律，不完整的特点，图像处理系统无法从“列图像”中提取有效信息或目标，因此需定义“图像子帧”的概念。

（三）在某子帧中发现可疑目标，通过连通性分析确认可疑目标跨越多子帧，则等待下一子帧聯合分析处理，通过连通性分析目标完全处于合并后的图像中，则对合并后的图像进行目标提取与识别操作。

（四）在某子帧中发现可疑目标，通过连通性分析确认可疑目标跨越多子帧，则等待下一子帧联合分析处理，通过连通性分析确认目标跨越3个或更多子帧。随着预警系统实时性要求不断提高，等待方法会影响系统实时性，且等待方法对于某个完整目标只进行一次分析，容易产生漏警。因此提出多路处理方法以减少等待方法中的时延。

二、系统设计

（一）系统硬件设计，主要由FPGA芯片、DSP芯片‘FLASH芯片和SDRAM芯片构成。SDRAM1红外探测器数字图像接收模块数据缓存与分路模块多通道图像处理模块SRIO通信与数据缓存模块信号整合模块通信控制模块控制计算机FPGA（XILINX V5）SDRAM2DSP在核心器件选择方面，FPGA选用Xilinx公司的XC5VLX110T型芯片，最大可达5328Mbit的blockRAM为缓存模块提供丰富的存储资源，64个DSP48ESlice支持在FPGA内部开辟多个DSP核，680个用户I/O使其具有丰富的可扩展性，其对PCI-e和SRIO通信协议的支持提高了处理器间，处理器与终端间的通信速度。红外预警实时图像处理系统设计与实现。DSP芯片采用了TI公司高性能定点DSP处理器TMS320C6455。该DSP是支持SRIO协议的一款高速定点信号处理器，其内部有8个并行处理单元，体系结构采用超长指令字结构（VLIW），芯片工作主频可以达到1.2GHz，当片内8个单元并行运行时其最大处理能力可以达到9600MIPS。在通信协议方面，处理器间通过SRIO协议进行完成通信，处理器与控制计算机间按PCIExpress协议进行交互，两种协议都采用了基于串化解串（serdes）的高速串行总线技术。低引脚数，基于报文交换的互连体系结构。SRIO协议包含定义电气特性、链路控制和低级错误管理的物理层，定义路由与寻址机制的传输层，定义总体协议和包格式的逻辑层。根据SRIO协议，其单路传输速率理论最高可达3.125Gbit/s，而实际应用中一般不低于2Gbit/s。PCIExpress协议简称PCI-e，是由英特尔公司特出的适合板卡与计算机间交互的高速通信协议，在2.0版本16X模式下最高可达到80Gbit/s的传输速率，即使在通道数最少的1X模式下依然有4Gbit/s的通信速率。

三、系统工作实现

在执行预警工作前，首先使用红外探测器推扫一周将背景图像存入SDRAM1中，在预警工作开始后，数字图像接收模块将接收到的图像送入数据缓存与分路模块，缓存与分路模块首先将数据复制为两份，其中一份送入信号整合模块以备原始图像显示，所述多路扫描机制原理将图像送入多通道图像处理模块。在图像处理模块内开辟n个DSP核，每路通道通过FPGA内部的并行运算和DSP核的运算对子帧图像进行预处理，目标提取和目标识别操作，采用FPGA内部DSP核作为处理过程的核心运算单元同使用多DSP架构相比能够缩小平台体积，减少功耗，提高资源利用率，同时避免了多DSP间因通信产生的协议与策略问题。为了多路扫描机制的有效性和实时性，采用快速中值滤波法作为图像预处理算法以平滑噪声，采用全局阈值分割算法提取目标，在连通性分析后采用几何特征判别法对目标进行识别。处理结果通过SRIO高速通信协议传至作为决策器的DSP芯片中。DSP将最终处理结果回传至FPGA内部的信号整合模块中。信号整合模块将原始图像和处理结果合并后通过PCI-e协议传输到控制计算机中。

设计并实现了应用于周扫式红外预警系统的实时图像处理平台，通过引入多路处理方法和多级预警方法，在满足系统实时性要求的同时解决了减少系统反应时间和降低虚警率之间的矛盾，所设计的实时图像处理系统目前已成功应用于某周扫式红外预警系统中。endprint