紅外焦平面圖像處理系統的軟硬件設計＊

張 欣

（海軍航空工程學院青島校區 青島 266041）

1 引言

目前，紅外焦平面圖像處理系統被廣泛用于紅外探測及成像技術，并面向紅外搜索跟蹤、紅外凝視掃描、態勢感知、武器熱瞄具等多個領域，獲得各國科學工作者的高度關注。為此，本文主要針對紅外焦平面圖像處理系統所要達到的功能及技術指標進行了分析，并依據所做的分析確定系統的設計方案。明確紅外焦平面圖像處理系統由核心處理模塊、圖像采集模塊、圖像預處理模塊等功能模塊組成，以及每個功能模塊所要具體實現的功能，并從軟件、硬件兩個方面詳細說明各個功能模塊具體的設計方案。達到了預期的設計效果［1］。

2 圖像處理系統

紅外焦平面圖像處理系統在具備紅外圖像的采集、紅外圖像預處理、敏感信息提取等功能的同時，還要具備適用于多個領域的特點［2］。

1）系統的主要基本設計指標為：

（1）響應光譜波段：3μm～5μm、8μm～14μm；

（2）幀頻：≥50Hz；

（3）像元個數：≥320×240；

（4）熱響應時間：＞7ms；

（5）非均勻性：＜50%；

（6）AD 量化位數為14位。

以上的技術指標作為設計輸入，要貫徹到系統設計的整個環節當中，從實際、從工程角度、從適用范圍等多個角度出發，統籌考慮。

2）系統設計主要遵循的設計思想包括：

（1）選用適合的傳感器和性能可靠、渠道穩定的器件，盡可能地降低成本；

（2）采用模塊化設計，頂層到底層逐層設計，每個模塊實現不同的功能；

（3）提高系統的適用性，保證系統對多種應用的兼容性；

（4）余量設計，保證系統可升級。

3 硬件設計

紅外圖像處理系統依據各模塊功能上的不同，可以區分為三個功能模塊，分別為圖像采集模塊、圖像預處理模塊和圖像處理模塊。圖像采集模塊是用來產生數字化的紅外圖像信號，是圖像預處理的前端和基礎，圖像采集模塊將采集到的紅外圖像信息送至圖像預處理模塊進行預處理；圖像預處理模塊依據事先設置的算法對圖像采集模塊送來的紅外圖像進行處理；圖像處理模塊是依據預制的目標識別算法對預處理后的紅外圖像信息進行敏感信息提取，預處理和處理模塊功能上是相對獨立的，但兩者完全可以放在一個硬件上實現，也可以分別在兩個不同的硬件上實現［3］。系統硬件結構圖如圖1所示。

3.1 圖像采集模塊

圖1 紅外圖像處理系統結構圖

將紅外光輻射信息轉換為紅外數字圖像信號是圖像采集模塊所要具備的基本功能。首先，熱探測器將紅外信號轉換為電信號，再經過A／D 轉換電路器將模擬電信號轉換為的數字圖像信號。這一過程包括信號的獲取及處理兩個步驟。系統中圖像采集模塊是由三部分組成，分別是紅外焦平面陣列、圖像信號處理電路和溫度控制單元［4］。其結構圖如圖2所示。

圖2 圖像采集模塊結構圖

1）溫度控制方式。溫度控制方式主要有兩種解決方案，單芯片控制方式和微處理器控制方式。采用控制熱電制冷器電流方向和大小的形式，可以實現控制焦平面陣列溫度的需求。單芯片控制和微處理器控制分別有其不同的特點。單芯片控制方式具有結構簡單、集成度高、體積小、功耗低、設計容易等優點，但其控制精度相對較低。微處理器控制方式可以達到較高的控制精度，但其需要相對復雜的外圍電路設計，調試也相對困難。相比較而言，單芯片溫度控制精度能達到0.01℃，完全可以滿足非制冷型紅外焦平面陣列所需要的工作條件。

2）圖像信號處理。在一個像素采集周期內，進行前后兩次采集的圖像信號的采樣或者積分，然后再將采樣或者積分送至差動放大器件的兩個輸入端口，再進行圖像信號放大的同時去抑制低頻噪聲和寬帶白噪。

開關指數濾波電路原理圖，如圖3所示。

圖3 開關指數濾波電路原理

開關指數型濾波器中RC 常數相對居中，既有雙斜積分法的特點，也包含相關雙采樣的特點，可以允許同時有兩個不同的截止頻率。

紅外焦平面輸出信號受抑制紅外焦平面電壓偏置電路波動的影響，信號處理電路采用相關雙采樣信號處理方法。對于電路設計來說，相關雙采樣電路和放大器等器件可以集成，從而使信號處理電路的設計得到簡化，使系統可靠性得到提高。

3.2 圖像預處理模塊

圖像預處理模塊的設計也可以采用專用集成電路（ASIC）、DSP處理器以及FPGA 等幾種設計方案。圖像預處理模塊一般來說只包含低層處理算法，這種算法的運算量巨大，對處理速度的要求相對較高，但其算法運算結構比較簡單，因此可以采用FPGA 芯片設計專用的處理單元來實現預處理模塊的功能［5］。

采用FPGA 作為圖像預處理模塊的工作平臺，采用VHDL語言可實現非均勻性校正、盲點替代以及圖像增強相關算法等運算數據量大、算法結構簡單的紅外圖像預處理算法，是非常適合的。

3.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊是用來統一管理和控制紅外圖像信號的實時采集和紅外圖像預處理模塊的，并可接收上位機發出的控制指令，不僅實現對圖像采集模塊和圖像預處理模塊的控制，還要實現基于預置目標識別算法的敏感目標提取的功能［6］。

圖像處理模塊可采用以下四種方案來實現：

1）基于單片機的設計方案。單片機具有功耗低、實現簡單、調試方便等特點，但其外圍電路相對較多，硬件結構復雜，單片機不能自行完成對紅外焦平面陣列的驅動，需要借助專用的集成芯片來完成，圖像數據的傳輸和顯示等功能也需要占用大量的單片機資源。

2）基于DSP芯片的設計方案。DSP芯片具有運行頻率高、數據處理速度快、集成度高等特點，其外圍電路相對簡單。

3）基于嵌入式系統的設計方案。嵌入式系統具有適用范圍廣，具有成熟的模塊，設計簡單，數據處理能力強，具有在線編程、在線仿真，開發環境友好等特點。

4 系統軟件設計

系統軟件設計方案主要包含三部分內容，分別是圖像采集模塊軟件設計方案、圖像預處理模塊軟件設計方案和圖像處理軟件設計方案。

4.1 圖像采集模塊軟件

圖像采集模塊的軟件功能主要是實現紅外焦平面陣列的時序驅動、時序控制以及陣列的參數控制等，也就是說，當外部的紅外光輻射到紅外焦平面陣列后，由圖像采集模塊軟件實現光學圖像信息到數字圖像信號的轉換，即完成圖像的采集和存儲。針對非制冷型紅外焦平面陣列而言，還需要對溫度進行控制，使陣列能穩定工作［6］。

4.2 圖像預處理模塊軟件

紅外焦平面陣列材料及其制造工藝等相關因素是影響系統紅外圖像輸出質量的關鍵，若紅外焦平面陣列本身的工作性能指標較低的話，所探測到的目標可能直接淹沒在背景噪聲當中。紅外焦平面陣列自身的響應率低可以直接導致輸出的有效信號無法從較高的背景電平中讀取，有效信號就會丟失。紅外焦平面陣列內的每個熱敏單元在相同的紅外輻射強度下，其產生的輸出電平幅度也不盡相同，使其出現不均勻現象，這種不均勻現象會使陣列輸出的紅外圖像信息模糊不清，并產生畸變，甚至使陣列直接失去探測能力。這時就需要對紅外圖像進行實時的預處理，擴大紅外焦平面圖像處理系統的動態輸出范圍，消除圖像的非均勻性并抑制紅外圖像噪聲、改善紅外圖像質量［7］。

現在經常使用的紅外圖像預處理算法主要有盲點補償、非均勻性校正等：

1）盲點補償算法。盲點檢測一般來說是在紅外焦平面陣列上對每個熱敏單元進行的，通常采用的方法有噪聲檢測法、響應率法和偏差法等，但因為陣列受時域噪聲以及非均勻性噪聲等因素的影響，使得盲點檢測結果的精確度很難達到一個很高的標準。

基于窗口的“3σ”原則的盲點檢測方法可以避免圖像的非均勻性和圖像在受時域噪聲影響下的盲點檢測精度較低的問題。這種方法的基本原理是利用均勻背景下，紅外圖像的灰度值基本近似于一個正態分布的統計特征和盲點在圖像中所表現出來的具體特征，利用“3σ”準則對陣列上的盲點進行判斷，當熱敏單元的響應值不在陣列平均響應值±3σ之間的像元，將其判定為盲點，其閾值的計算公式可表示為

其中，σ（i，j）為中心坐標（i，j）的窗口像元灰度標準差，n為半窗寬度，f（k，l）為窗口內像元灰度值，U（i，j）是中心坐標為（i，j）的窗口像元灰度平均值，即

實現基于窗口的“3σ”原則的盲點檢測算法，算法結構相對比較復雜，不適合在FPGA 芯片中實現，但可以在DSP中實現，并將計算的結果傳回給FPGA 芯片。盲點檢測并不需要經常進行，在確定盲點位置后，只需要將數據制成盲點信息表，在需要進行盲點補償時，DSP芯片將盲點信息表回傳給FPGA 芯片。

2）非均勻性校正算法。紅外焦平面陣列的非均勻性可以定義成陣列內各熱敏單元的響應度不同導致陣列產生的紅外圖像質量下降，也可定義為由于陣列工作的環境溫度發生變化或者電荷傳輸效率變化等多方面因素促使陣列的成像質量出現下降。雖然紅外焦平面陣列熱敏單元不同的響應率可以反映出非均勻性的本質，但是即使陣列內每個熱敏單元響應率一致，在實際使用中，其陣列輸出仍然具有不一致性。獨立于輸入信號的偏差非均勻性以及熱敏單元因響應不均勻性而導致的增益非均勻性會使其噪聲疊加在圖像上，使圖像信息產生誤差。這個誤差的產生對陣列的成像質量會產生非常嚴重的影響，因此通過對紅外焦平面陣列內各熱敏單元的增益和偏差進行預先校正，可以很好地改善陣列輸出的圖像質量情況。

4.3 圖像處理模塊軟件

圖像處理模塊的軟件功能主要實現對經過預處理算法處理的圖像數據進行敏感目標識別、提取等。圖像處理模塊算法的實現主要在DSP 芯片內部，敏感目標識別、提取有很多方法，例如圖像灰度計算及統計、小波分析、圖像差分分析等，在設計算法時，需要采用多種方法對圖像數據進行分析，以避免單一算法的固有缺點，保證目標識別的準確性［8］。

5 結語

隨著紅外焦平面圖像處理系統的不斷研制和開發，其性能越來越好，其可靠性越來越高，在未來現代化戰爭或局部戰爭中，對于防空反導來說，適時運用紅外焦平面圖像處理系統進行紅外探測、紅外搜索跟蹤、紅外凝視掃描、態勢感知、武器熱瞄、紅外成像制導等技術，就能夠有效地打擊對方，保護自身目標的安全［9］。

［1］李言謹，危峻，胥學榮.一種線陣紅外焦平面的圖像處理方法［J］.紅外與毫米波學報，2010（2）：13-15.

［2］張良.中波紅外變焦距系統的光學設計［J］.應用光學，2006，36（1）：32-34.

［3］郭磐，陳思穎，倪國強，高昆.一種新的紅外焦平面圖像信號無線光輸出協議［J］.激光與紅外，2007／S1：119-123.

［4］朱慧，李堯橋，陳新禹，方家熊.一種紅外焦平面的數字化輸出設計方案［J］.激光與紅外，2007／S1：94-97.

［5］王炳健，劉上乾，程玉寶.基于FPGA 的紅外焦平面實時圖像處理系統［J］.紅外與激光工程，2006（6）：16-19.

［6］蔡毅，胡旭.短波紅外成像技術及其軍事應用［J］.紅外與激光工程，2006（6）：4-8.

［7］方強，孫廣富，盧煥章.紅外焦平面圖像穩像處理的FPGA 實現［J］.微處理機，2001，（1）：56-59.

［8］張正輝，吳曉靖，許士文.前視紅外成像成像MTF與MRTD關系的計算［J］.紅外與激光工程，2007，36（S2）：23-26.

［9］金其偉，王吉暉，王霞，等.紅外成像系統性能評價技術的新進展［J］.紅外與激光工程，2009，38（1）：7-13.