红外探测器集成图像信号处理芯片设计

金长江 董晓红

摘要：红外成像技术基于全天候自动化探测、灵敏度高、抗干扰能力强等特点，在多领域发挥了不可替代的作用。红外探测器应用中，信号处理是一项重点内容，对整体信号采集、分析结果产生了直接影响，传统模式下原始输出数据噪声大、非均匀性严重问题极为突出，这对于红外线探测器应用效果造成严重干扰，基于此，探究一种红外探测器集成图像信号处理芯片设计方法，希望为缓解信号处理问题提出更多参考。

关键词：红外探测器；图像信号处理；芯片；设计思路

一、前言

随着红外成像技术的持续发展，红外线信号处理得到进一步重视。为了满足新时期红外探测器的集成信号处理需求，达成图像除噪、增强图像画质等目标，针对集成图像信号处理的研究不断得到拓展。与此同时，红外线探测器作为一种应用范围广泛的设备，在武器装备中发挥了重要作用，这些问题的存在成为困扰相关领域发展的桎梏，且新时期武器装备功能日益强大，采集的图像信号向大数据、复杂方向靠拢，处理图像的算法模块也呈现复杂、繁琐、实时性强等特点，常用的 FPGA 或 FPGA＋DSP 图像处理方式不再适用，尤其在小口径红外制导弹药应用领域无法满足需求。基于此，本文就红外线探测器集成图像信号处理芯片设计问题展开分析具有现实意义。

二、红外集成信号处理现状分析

基于红外成像技术的大面积推广应用，相关设备日益先进。其中红外热像仪中探测器技术基于市场需求，得到迅速发展。国外，红外焦平面探测器已经在武器领域得到广泛应用 ，充分发挥红外成像技术优势，辅助武器提升性能。尤其是以640×512等为代表的二代碲镉汞红外探测器，是现阶段重点推广设备。与此同时，基于需求发展，红外探测器得到持续化发展，红外探测器日益先进。在此过程中，对红外热像仪中的红外图像信号处理效果和质量要求标准也不断提高，不仅需要保证红外图像信号处理系统和红外热像仪的其他软硬件设备相匹配，还需要持续优化图像信号处理效率、清晰度等参数[1]。在此背景下，本文基于红外探测器发展水平，从集成图像信号处理电路方向入手，探究提高图像信号处理效果的可行性设计思路。

三、设计方案阐述

结合上文对红外探测器集成图像处理现状的阐述，提出了一种利用集成图像信号处理电路提升图像信号识别、检测精准度，提升信号目标识别效率，增强噪声等抗干扰能力的设计思路，为我国红外探测领域发展提供参考。

（一）设计思路分析

设计集成图像信号处理电路，发挥电路的高性能集成优势，实现对图像信号的智能化检测识别。通过技术优势，提升目标信号强度、强化噪音或者杂波抗干扰能力，进而达到提升信噪比、有效提升目标检测精确度的目标。

设计中应注意以下几点：第一，需要确保电路可以实现复杂背景条件下背景和目标信号初步分离，换言之，需要保证目标信号可以从原始图像中被精确提取出来；第二，确保红外图像系统可以对目标进行高精度检测识别，对采集的图像信号进行高速处理，且确保处理后的数据结果具备可靠性和科学性[2]。

此外，当前红外探测器在持续化发展中，关于集成图像信号处理系统的研究也日益深入，目前有多种图像信号处理方式，其中借助FPGA、DSP和PC机的技术架构方式应用较广，同时也出现了“FPGA+DSP”协同应用处理方法。上述三种方式中，现场可编程逻辑阵列（field programmable gate array，FPGA）架构、数字信号处理器（DSP）以及多方式联合应用方式较为常见。无论何种结构方式，核心器件都依赖国外企业，尤其是随着武器装备领域向小体积、低功耗等方向发展，上述架构方式的短板逐渐暴露，此时需要提出一种新型方式提升处理效果。此时半导体集成电路工艺的出现，为大批量数据运算处理、图像畸变校正等提供了支持。因此，本文以集成电路为框架，实现边缘图像预处理算法和图像处理算法达成ASIC （application specific integrated circuit）集成，进而形成红外信号处理ISP电路，这是实现降噪、提质目标的可行思路。

（二）红外ISP电路设计

结合上文的设计思路思考设计框架，构建如图1所示的系统结构。本文基于红外线探测器信号处理目标和需求，探究信号集成路径，形成集成图像预处理算法的ISP系统芯片专用电路[3]。结合图1来看，设计中，以ARM Cortex-M4处理器为核心支撑运行，应用AMBA（advanced microcontroller  bus architecture）总线结构，最终形成运行频率为100MHz、395mW功耗的处理系统。此外，内部还包含内置图像信号处理IP、图像接口、3路UART等。

（三）基本功能阐述

结合新时期红外线探测器的功能需求和应用场景，需要确保其图像信号处理系统具备如下功能：第一为噪音去除功能；第二为细节增强，自动化曝光；第三为自动聚焦。具体来看，第一，噪音去除功能。在视频图像处理过程中，受噪音干扰的影响，需要借助降噪算法对其进行处理，传统的线性滤波技术无法应对非高斯噪音或非线性噪音，基于此，探索新的噪音去除方法极为重要。视频图像降噪算法中时域降噪在保护图像边缘中具备优势。基于这个特点提出一种降噪算法，可以确保图像内容在帧间的相关性，确保时域方面可以准确捕捉图像，确保摄像头在捕捉运动过程中，前一帧和后一帧可以精确匹配，并对相匹配的图像进行强度检测。通过这种方法确保图像精确识别，最大限度降低视频图像中的噪点，确保图像呈现细节丰富的画面[4]。第二，细节增强。现阶段，在进行图像采集过程中，场景过度曝光问题发生概率较为频繁，进而导致图像细节不够清晰的问题难以杜绝。因此，针对这一情况，需要借助现代化技术，对图像进行处理，发挥算法模型优势，确保其在图像采集过程中，可以更好地适应光线影响，自动化调整曝光时间。第三，自动聚焦。随着现代化技术发展，大量现代化技术导致自动聚焦成为热点，在红外线探测器中，为了确保图像采集过程更贴合实际，且符合人眼观察效果，聚焦功能优化持续开展。目前在自动化控制技术支持下，自动控制聚焦、精准识别图像特征成为关键[5]。

（四）专用图像预处理模块设计

结合上文阐述，图像预处理模块中，算法模型是基础。其中算法之间交互是保证图像信号、数据传输的关键，所谓算法交互包括两点：第一是数据流之间的高效传输和算法信息交互；第二是保证算法和缓存之间存在大规模交互的通道。为了确保红外焦平面在扩大发展过程中仍正常发挥效用，多采用1024×1024分辨率的面阵。这时，随着面阵扩大，会导致内部总线带宽发生变化，需要达到400～700Mbyte/s才可以满足需求，而外部存储器带宽需要满足4～7Gbyte/s才可以支撑运转。这时，也需要对高速总线接口、高带宽外部存储器和高效存储器等进行升级，否则会影响后续使用效果。

基于上述分析，在设计高速总线接口过程中，必须要确保其具有合理的外部存储器读写访问功能，然后将每一模块与ISP电路中的总线连接，调整参数配置，选择是否参与预处理流程成为重点。同时涉及数据量较多的子模块还会与外部高速接口联系在一起，这无形中进一步提升了数据吞吐量，支撑系统采集、处理更多图像信号。但是红外线探测器自身的材料、工艺会影响原始图像质量，进而导致后续图像处理系统处理结果受到干扰，尤其是在对比度较低、随机噪音大等条件下，会严重干扰图像信号处理效果。因此，在进行集成图像信号处理系统设计中，也需要围绕红外线探测器的相关信息进行思考，例如探测器驱动器、图像存储等。最后将各模块集成并灵活配置，就可以满足需求。在此结合分析结果，以ISP电路为基础获得如图2所示的图像预处理模块，该设计方案总共包含15个子模块。

四、仿真试验分析

为了测试上文设计方案的科学性和实用性，本文借助仿真系统软件，完成试验测试。用实际结果验证该设计方案的价值。首先，对集成的图像预处理模块进行仿真，依据设计方案配置图像IP内的各个模块，确保各模块有效连接，彼此之间流畅交互。然后围绕应用场景配置芯片各输出控制信号时序，从视频接口位置输入原始图像数据，依托仿真软件探究各图像IP内每级模块输出是否正确，并探究ISP电路中除了图像预处理模块的其他模块仿真情况。最后，以结果作为验证该设计思路是否可行的基础。仿真试验主要内容如下：第一，处理器仿真。确定其是否可以如实加载处理器的各项指令，并对其反应情况做出验证。第二，配置图像模块的时钟复位仿真，通过比对读写寄存器初值的差异确定图像处理效果。第三，有序触发各中断源，验证各中断模式能否充分、高效做出反应。第四，DMA仿真。科学配置DMA等，验证从DAM作为BUS Master进行数据传输时，传输数据是否会发生错误。第五，对DDR进行仿真，通过读写其各边界地址，验证数据是否正确。第六，对外设接口进行仿真，确定QSPI、I2C等在单线/双线/四线模式下通讯动作的正确性。 仿真试验结果如下：通过仿真试验分析，设计的方案最终图像信号处理效果如图3所示，相较传统模式而言，清晰度、细节增强效果、亮度效果等有明显提升。

五、结语

综上所述，随着社会发展，关于红外成像技术的应用、开发成为热门领域，且基于实际需求，与其他技术融合应用日益频繁。本文结合当前红外线探测器发展状况，总结新时期红外成像技术应用发展趋势以及当前红外图像信号处理面临的问题，以问题为依据，结合现代化技术优势，提出一种集成图像信号处理电路设计思路，应对噪声大、对比度低及非均匀性严重的输出图像处理问题，通过仿真试验测试其可行性和实用价值。希望本文可为我国红外线探测器创新发展提供更多参考。

参考文献

[1]胡鹏博，郭晓东，詹东军，等.基于锑化铟中波制冷红外探测器的高帧频图像采集系统设计[J].光学与光电技术，2022，20（6）：53-57.

[2]田震，宋淑芳，邢艳蕾，等.甚长波碲镉汞红外探测器制备研究[J].激光与红外，2022，52（10）：1527-1531.

[3]陈正超，唐利斌，郝群，等.HgCdTe多层异质结红外探测材料与器件研究进展[J].红外技术，2022，44（9）：889-903.

[4]杜鹏飞，叶伟，萧生，等.锑基Ⅱ类超晶格InAs/InAsSb红外探测器的研究进展[J].激光与光电子学进展，2022，59（17）：47-53.

[5]葛浩楠，谢润章，郭家祥，等.人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器[J].物理学报，2022，71（11）：13-30.

基金项目：基于电子产品设计虚实结合系统开发设计（课题编号：061920）

作者单位：成都航空职业技术学院