双视场双波段红外成像系统设计

摘要：航空用光电吊舱依靠内部的红外传感器和可见光传感器在空中完成对目标的探测和跟踪任务，当前光电吊舱中的红外传感器大多采用单波段的红外传感器，无法满足特殊应用场景中对中波和长波2种波段的需求。由于感光材料的限制以及经济因素，同时支持中、长波双波段的红外探测器尚未普及。文章设计了一种双视场双波段红外成像系统，介绍了双视场双波段成像系统的基本原理、双波段红外探测器选型、探测器接口驱动及时序驱动、探测器信号数模转换处理以及图像处理平台的原理，旨在提供一种高效、可靠的双视场双波段红外成像系统解决方案。

关键词：红外成像技术；电路设计；信号处理；双视场双波段

中图分类号：TP312" 文献标志码：A

作者简介：马利峰（1988— ），男，工程师，硕士；研究方向：光电探测红外成像技术。

0" 引言

随着科技的发展，红外成像技术因其在夜视、医疗诊断、军事侦察等领域的广泛应用而受到重视。常用的红外传感器大多采用中波红外成像，由于红外辐射自身的特点，单波段的红外传感器具有各种局限性。例如在远距离对地目标探测中，长波红外探测器具有明显优势，但是在近距离对地成像中，中波红外图像中目标背景对比度大，局部目标明显的优势更加明显。由于双波段红外感光材料的限制，目前很少有双波段红外成像系统的应用。

本文设计了中波和长波2种红外成像组件组成的双视场双波段红外成像系统，对探测器驱动和时序、信号处理等关键技术进行了分析。为了适当降低光学结构的设计难度和成本，通过设计分光片，形成了独立的中波和长波光学视场，组成了双视场双波段红外成像系统。在光学系统前段，长波与中波共用主光路；在光学系统中段，采用分光片进行中、长波分光；在光学系统后段，对长波光路设计增加变倍镜组，利用视场切换机构来实现2个视场的切换。在目标搜索和跟踪过程中，采用双波段光学系统，双视场快速切换，可以有效提高目标捕获效率和抗干扰能力。红外成像电路作为该技术的核心部分，其性能直接影响成像质量与系统的稳定性。

1" 系统结构及原理

1.1" 基本结构

双视场双波段红外成像系统集成了光学、红外焦平面探测器、电子学、机械等领域的技术，其成像系统如图1所示，由光学系统、中波和长波红外焦平面探测器、中波和长波成像电路等部分组成。

1.2" 工作原理

该系统完整的红外成像过程如下：目标自身产生的中、长波红外辐射，经大气传输后到达红外光学系统；光学系统接收中、长波红外辐射，采用分光片进行中、长波分光，将中波和长波红外辐射分别聚焦在2种探测器的焦平面上；探测器完成中、长波红外的光电信号转换，探测器信号以输出电压的方式输出目标景物的模拟图像信号；经红外成像电路进行数据采集、模数转换、信号处理和视频处理，完成中波和长波红外图像的视频显示。

2" 双波段红外成像组件设计

2.1" 探测器选择

红外探测器是成像组件的核心，为在同一主光路实现双视场双波段成像的功能，中波和长波红外探测器的像元大小、光学F数，像素分辨率需要一致。本文设计的双视场双波段红外热成像系统选用同一厂家的640×512分辨率红外焦平面探测器，光学F数为2，像元大小为15 μm，中波响应波段为3.7～4.8 μm，长波响应波段为7.7～9.3 μm。另外，本文选用同一厂家的中、长波探测器，可以做到电路设计的统型一致，降低设计开发成本。

2.2" 探测器驱动电路

探测器输出的信号通常较弱，须要采取滤波、降噪等措施，以提高图像的质量和清晰度。探测器正常" 工作需要接口电路的驱动，接口电路的质量直接决定了探测器输出信号的精度和噪声，影响成像效果。

中波和长波探测器电源驱动电路采用型号为LT1761的低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片，多片LDO芯片分别产生驱动探测器的数字电源和模拟电源。电源驱动电路如图2所示，图中PCOT信号通过现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）输出控制信号来控制探测器的上电。当探测器焦平面温度未达到探测器正常工作状态的温度时，FPGA输出的PCOT信号为低电平，控制探测器保持断电状态，以保护焦平面；当达到探测器正常工作温度时，FPGA才控制探测器上电。

红外焦平面探测器有4路模拟输出，模拟信号串联74 Ω电阻进行负载匹配，经型号为LT1807的运算放大器芯片组成的跟随电路滤波调理后，输出到AD转换芯片进行模数转换。调理电路如图3所示。

2.3" 探测器驱动时序

探测器数字驱动接口时序如图4所示，主要包括探测器工作主时钟信号、帧起始数据有效信号DATAVALID、探测器积分时间信号（Integration Time，INT）。探测器采用边积分边输出（Isolated Word Recognition，IWR）的工作方式，当INT的下降沿到来时，红外焦平面探测器的DATAVALID信号出现一个高电平，开始一帧探测器数据的读出，探测器一共有4个模拟信号输出接口，每一帧数据量为640×512，因此探测器的数据有效时间为81920（640×512/4）个主时钟周期。

2.4" 探测器信号模数转换

探测器输出的模拟图像信号须转换为数字信号，以便于后续的数字信号处理。模数转换器（Analog Digital Converter，ADC）的选择应考虑分辨率、采样率和线性度等参数。AD转换模块是进行数字信号处理的前提条件，处于数字信号处理的前端，将探测器输出的模拟图像信号转化为数字信号，如图5所示。中波探测器输出图像信号的电压响应范围为0.9～3 V，长波探测器输出图像信号的电压响应范围为1.6～4.4 V。为了满足转换精度高、动态范围宽、速度快、功耗低等要求，采用4路差分运放LT1994以及4路AD转换芯片LTC2203组成的模数转换电路，以实现探测器输出模拟信号转化为16 bit数字信号。

探测器采用4路同时输出的方式，以实现探测器数据的对外传输。因此，对探测器数据进行模数转换后，须按照给定的排序方式对4路数据进行排序，以满足后续图像处理的需要。模数转换及排序模块的构成如图6所示。

2.5" 信号处理及成像模块

信号处理及成像模块是双波段红外成像组件的核心处理部分，负责实现双波段红外图像视频的生成，如图7所示。图中信号处理电路供电模块为信号处理电路提供电源，晶振为FPGA提供时钟信号，FLASH芯片可以存储FPGA程序数据和两点校正系数，SRAM系数存储器能够存储计算中的单点校正数据，帧存能够存储图像数据，422通信模块可以实现对外通信。

在系统开机或复位后，中波和长波红外成像组件的核心处理器FPGA芯片从FLASH中加载程序并完成系统的初始化和片外设备的自检；在系统初始化完成后，2种波段的红外探测器在驱动电压的驱动下，接收FPGA芯片发出的时序控制信号开始工作；输出的图像信号经过AD转换芯片转换为16 bit的数字信号，随后数字信号被送入FPGA芯片进行数据处理，然后经过视频处理后输出视频信号［1］。

为了实现探测器图像数据处理，本文采用基于Microblaze软核的FPGA［2］，进行实时信号处理。信号处理及成像模块主要完成红外图像非均匀性校正，坏元检测与补偿，图像数据的直方图统计，图像数据灰度等级变换以及通信功能；非均匀性校正系数的计算采用两点校正法和单点校正法。当采用两点校正时，FPGA将两点系数中的乘法系数k和加法系数b存储到FLASH存储器中。当采用单点校正时，FPGA读取FLASH存储器中两点系数，对单点校正系数进行补偿计算并更新，将单点校正系数写到系数存储器SRAM中。在FPGA逻辑程序中，当对图像数据进行非均匀性校正时，首先读取系数存储器SRAM中的k、b值，将原始图像数据的灰度值进行kx+b计算后，将图像数据的灰度数值写入帧存中，其中x为探测器输出灰度值［3］。

两点校正和单点校正后的图像数据在FPGA中经过灰度压缩变换，进行符合视频制式的图像处理编码，随后输出红外视频画面，中波和长波的红外视频" 画面可以随着视场切换而进行切换。

3" 结语

本文在双视场双波段红外成像组件设计中，对光学架构、探测器接口驱动模块、探测器驱动及时序、模数转换及图像数据成像模块进行了设计；对640×512中波和长波探测器的成像电路进行设计，为探测器提供了较好的图像预处理平台。系统采用Microblaze软核FPGA体系结构，可实现集成化、工程化，具有重要的应用价值。

参考文献

［1］厉天扬.红外焦平面图像实时处理的FPGA实现［J］.红外，2023（7）：15-20.

［2］郑洪波.基于FPGA的红外图像非均匀性校正系统设计［J］.红外，2023（9）：8-15.

［3］韩红霞.一种中长波双波段红外热像仪：CN105466573A［P］.2015-12-05.

（编辑" 沈" 强）

Design of dual-field dual-band infrared imaging system

MA" Lifeng

（Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment，Aviation Industry Corporation of China， Luoyang 471000， China）

Abstract： Aeronautical photoelectric pods rely on internal infrared sensors and visible light sensors to complete the detection and tracking tasks of targets in the air， and most of the infrared sensors in the current photoelectric pods use single-band infrared sensors， which cannot meet the needs of medium wave and long wave bands in special application scenarios. Due to the limitation of photosensitive materials and economic factors， infrared detectors that support both medium and long wave have not yet become widespread. In this paper， a dual-field dual-band infrared imaging system is designed， and the basic principles of the dual-field dual-band imaging system are introduced， the principles of dual-band infrared detector selection， detector interface drive and timing drive，detector signal digital-to-analog conversion processing and image preprocessing platform are introduced， aiming to provide an efficient and reliable dual-field dual-band infrared imaging system solution.

Key words： infrared imaging technology; circuit design; signal processing; dual-field dual-band