高速紅外TDI圖像采集系統設計

趙云峰，韓 冰，陳 忻，馬 貝，夏 暉，饒 鵬

高速紅外TDI圖像采集系統設計

趙云峰，韓 冰，陳 忻，馬 貝，夏 暉，饒 鵬

（中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083）

圖像采集系統在紅外時間延遲積分（Time Delay Integration，TDI）相機開發前期的驗證與測試階段發揮重要作用。介紹了一套以PXI硬件平臺和LabVIEW軟件平臺為基礎開發的圖像采集系統。該系統采用模塊化、多線程設計，具有高速數據采集和處理的能力。實驗結果表明，系統最高達到約120Mbps的數據采集率，可完成8級TDI圖像的高速實時處理與顯示。該系統實現了對新型640×8中波紅外數字式TDI探測器的數據獲取，對新型探測器的應用有重要的技術支撐作用。

紅外TDI；圖像采集；LabVIEW；PXI

0 引言

TDI技術具有在不犧牲空間分辨率和成像系統工作速度的情況下獲得高靈敏度的特性，在空間紅外遙感領域應用廣泛[1]。例如，EarthCARE衛星上的多譜段成像儀、美國的中波TDI多光譜成像儀（MTIS）以及SBIRS HEO等預警衛星均采用了紅外TDI技術[2-3]。

在紅外TDI系統開發前期的驗證與測試階段，需要搭建圖像采集系統，以便進行各項測試與成像實驗[4]。大量的測試實驗和較短的開發時間要求圖像采集系統需具備可靠性高、易于開發、擴展性強和靈活性高的特點。PXI硬件平臺具有高帶寬低延時、可重配置和高可擴展性的優點。與PXI硬件平臺配套的LabVIEW軟件平臺使用圖形化語言編程，界面直觀友好，易于學習，包含大量圖像處理、數學運算和測試測量的工具包，可方便、快速地搭建系統，極大地提高了編程效率[5-6]。因此，本文中的圖像采集系統以PXI硬件平臺和LabVIEW軟件平臺為基礎開發。該系統可采集LVDS信號，實時處理并顯示TDI圖像。

1 紅外TDI測試系統簡介

紅外TDI成像測試系統的結構圖如圖1所示，圖像采集系統是整個成像測試系統的后端部分。光學鏡頭、紅外探測器、前端電路板固定在一維掃描轉臺上，圖像采集系統控制轉臺掃描，探測器輸出信號經前端電路板轉換后通過LVDS通道傳輸到圖像采集系統。實驗中采用的新型中波紅外數字式TDI探測器的主要指標如表1所示。

圖1 紅外TDI測試系統

表1 探測器技術指標

2 圖像采集系統的硬件架構

2.1 外部接口

圖像采集系統與外部有兩個接口：與一維轉臺之間通過RS232接口通信，以實現掃描控制；與前端電路板之間通過LVDS通道傳輸圖像數據。如圖2所示，圖像采集系統通過6個LVDS通道與前端連接，分別是1個50MHz時鐘信號CLK，4個并行的數據信號DATA1～DATA4和1個數據使能信號EN。每個數據通道在EN有效的14個時鐘周期內傳輸1個14bit的圖像數據。由表1得，探測器的最大輸出數據率約為120Mbps。該接口可傳輸的最大數據率約為200Mbps，可滿足探測器的采集需求。

圖2 前端電路輸出的LVDS信號

2.2 內部架構

如圖3所示，圖像采集系統采用了PXI架構，包括機箱、控制器、外設模塊3部分，控制器和外設模塊均通過PXI/PXI-e接口連接在機箱上。該系統中，機箱是NI PXIe-1073，控制器是裝有Windows XP操作系統和LabVIEW軟件的計算機，外設模塊是由NI PXI-7952R和NI 6583組成的FlexRIO模塊。該模塊是一款可重新配置的高性能儀器，可通過LabVIEW編程，提供靈活且可定制的輸入輸出接口。它提供32路單端和16路LVDS通道，時鐘率達200MHz，滿足了6路50MHz LVDS輸入信號的需求。同時，該模塊包含了一個Virtex-5 FPGA和128MB板載DRAM，具有高速實時的數據處理能力，可完成部分數據采集和處理工作，減小了對控制器的運算能力需求。

圖3 系統內部硬件架構

3 圖像采集系統的軟件實現

3.1 系統高速處理的需求

該圖像采集系統需具備高速數據處理的能力，其原因表現在以下3方面：

第一，TDI成像方式帶來數據量的大幅增長。TDI技術是使視場沿某一方向掃描，將不同時刻的同一目標所成的圖像信號累加起來，以提高信噪比。因此，在相同時間分辨率、空間分辨率和掃描視場的條件下， TDI相機的數據量是單線列掃描相機的倍（為TDI級數）。本系統的數據率達到同等條件下的640元單線列掃描相機的8倍，約為8×640×1680×14bps＝120Mbps。

第二，片外數字TDI的實現方式增加了系統的運算量。本文的TDI方式是片外數字TDI。與模擬TDI和片上數字TDI不同，片外數字TDI的TDI操作在圖像采集系統中完成。本系統中，每秒因此增加的加法運算量為7×640×1680＝7.5×106次。

第三，非均勻性校正、盲元補償等操作增加了系統的運算量。本系統具備實時的非均勻性校正和盲元補償功能，這也會導致系統運算量的增加。例如，本系統的非均勻性校正算法為兩點法[7]，校正每個像素需要一次加法操作和一次乘法操作。因此每秒增加的運算量為8×640×1680＝8.6×106次加法和乘法操作。

總之，多種復雜的功能需求和高數據率對系統的處理能力提出要求，因此必須優化設計系統的軟件架構。

3.2 處理邏輯流程

該系統進行圖像采集的流程圖如圖4所示。

圖像采集的整個流程包含多項操作，分別是：

1）設備初始化：設置FlexRIO的多個參數，使其初始化。

2）掃描控制：設置掃描轉臺的速度和角度，并控制其自動往復掃描。

3）數據采集：從6路LVDS中采集到圖像數據，實現從比特流到數據流的轉化。

4）數據存儲：將采集到的數據存儲到計算機的磁盤中，以供后續分析。

5）解幀：前端電路輸出的數據中，每幀圖像數據（640×8個）前均加入了特定的8個14bit數據，即幀頭。解幀是指不斷從圖像數據中查找幀頭，實現提取出每幀圖像的功能。

6）圖像預處理：對已解幀的圖像進行背景減除、非均勻性校正、盲元補償等圖像預處理。這里采用的兩點法校正算法應用廣泛，且計算量小，符合高速實時處理的要求。盲元補償采用了鄰域濾波補償的方法。

圖4 圖像采集流程圖

7）圖像處理：圖像處理的目的是為了得到未TDI的圖像和TDI后的圖像。未TDI的圖像的獲取過程是，直接對多幀圖像進行圖像拼接操作，即將多幀圖像的特定列數據抽取出來，再拼成一幅圖像，拼接完成的圖像就是目標的未TDI圖像。TDI后的圖像的獲取過程是，首先進行TDI處理，然后將多列圖像拼接起來。

8）圖像顯示：在NI Vision工具包的支持下，將未TDI的圖像和進行TDI的圖像實時顯示在程序前面板上。

3.3 多線程、模塊化設計實現高速處理

為了滿足系統的多種功能需求和高速數據處理能力需求，設計了模塊化、多線程的軟件架構，如圖5所示。該系統包括兩個主要的VI，即FPGA VI和HOST VI。FPGA VI運行在FlexRIO模塊的FPGA上，包括一個數據采集模塊。HOST VI運行在計算機上，包括多個模塊。HOST VI的每個模塊都是一個單獨的循環體，完成相應的功能。這種架構的優點有：第一，LabVIEW是一種自動多線程編程語言，可把多個持續運行的循環任務分配到多個線程中，充分利用多核計算機的并行處理能力；第二，每個模塊只完成特定功能，程序結構簡單，易于開發，方便閱讀和調試。值得注意的是，LabVIEW程序運行過程中，循環體中的數據一般只在循環結束后才能傳遞到循環體外。為使圖像數據流在多個循環體之間傳遞，采用了隊列進行數據同步，即A循環中產生的數據存入隊列，B循環將隊列中的數據取出進行下一步處理。

圖5 模塊化、多線程的軟件架構

FPGA VI上的數據采集模塊LVDS信號的采集與傳輸。控制模塊負責整個采集過程的流程邏輯控制，初始化模塊控制數據采集模塊實現設備初始化，掃描控制模塊、數據存儲模塊、解幀模塊分別實現掃描控制、數據存儲、解幀的功能，圖像處理與顯示模塊實現圖像預處理、圖像處理和圖像實時顯示。

控制模塊在整個系統中處于核心地位，通過消息通知器實現指令流的傳輸。如圖6所示，它采用了循環事件結構，完成控制其他模塊運行狀態的功能。循環事件結構是一種常用的LabVIEW程序結構，常用于界面控制或全局控制。該模塊包括多個事件分支，程序前面板上“開始”或“停止”按鈕按下的動作可觸發對應事件分支，此時向消息通知器中發出對應通知，其他模塊通過查詢通知器的狀態做出對應的響應。

圖6 控制模塊（循環事件結構）程序框圖

HOST VI中的其他模塊均采用了狀態機結構。狀態機結構也是一個比較常用的結構模式，能夠應對可能出現的多種工作狀態和狀態轉移。例如，掃描控制模塊，其程序框圖如圖7所示。該模塊控制一維轉臺的自動連續往復掃描，并可設置轉動的角度、速度和轉動次數。該模塊有init、idle、run和stop四個狀態分支，run分支下通過一個for循環完成掃描往復控制。

圖7 掃描控制模塊（狀態機結構）程序框圖

總之，該系統的軟件設計采用了“循環事件結構”和“狀態機結構”的基本模塊，實現了模塊化設計；以命令通知器傳輸指令流，以隊列傳輸圖像數據流，實現了各個模塊間的通信與數據同步。這種模塊化、多線程的軟件架構能夠充分滿足系統復雜功能的需求，將處理負荷分解到多個線程中，充分利用了多核計算機的強大處理能力，可滿足TDI圖像采集與處理的需求，也可作為一種通用架構適用于紅外與可見成像測試系統的快速開發。

4 系統成像實驗及結果

利用該圖像采集系統，進行了一系列成像實驗，完成了圖像采集系統各項功能的調試與檢測，并獲取了大量TDI成像的實驗數據。實驗計算機采用英特爾酷睿2 Q8400處理器，4GB內存。多次實驗中，該圖像采集系統均可以完成數據存儲、掃描控制、圖像實時處理與顯示的功能。當探測器采用最高幀頻讀出時，CPU和內存占用率均不超過50%，且未出現數據溢出等異常現象。圖8(a)和(b)是外場成像實驗中對同一區域未TDI和8級TDI的成像結果，可以看出TDI運算后的圖像與未TDI的圖像相比，對比度更高，非均勻性更好，細節更清晰。對采集到的黑體輻射圖像進行處理可得，TDI處理后，探測器的非均勻性從11%減小到9%，系統的噪聲等效溫差從57mK降為22mK。這表明數字TDI可以有效降低系統噪聲水平，提高系統靈敏度，同時對探測器的非均勻性也有一定改善。

但是，圖中的兩幅圖像仍有較高的非均勻性，即圖像存在較明顯的橫條紋，原因可能是系統采用了兩點法進行非均勻性校正。兩點法假定探測器輸出與接收的輻射通量成線性關系，但這種線性模型過于簡單，不符合實際情況。未來可采用更精確的校正算法，如多點校正法、多項式擬合校正算法以及神經網絡法、卡爾曼濾波方法和高階統計量法等基于場景的非均勻性校正方法[8-9]，進一步降低非均勻性。

總體來看，該圖像采集系統運行可靠穩定，效率較高，完成了預期的各項功能。

圖8 外場實驗中的成像結果

5 結束語

本文從軟硬件架構的角度闡述了構建一個圖像采集系統的過程，并通過成像實驗驗證其功能。系統中運用的“模塊化、多線程”架構便于大型圖像采集系統的開發，能滿足多種復雜需求。開放式的軟件平臺LabVIEW和可重配置的硬件平臺PXI使得該系統具有易于開發，可靠性和可擴展性高的特點和高速實時的數據采集和圖像處理能力，便于項目開發前期驗證與檢測階段的大量調試工作。總之，該系統運行平穩高效，可滿足640×8中波紅外數字式TDI探測器數據采集的各項需求。不足之處在于，系統的非均勻性校正存在一定問題，這也是今后進一步改進的方向。

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The Design of a High Speed Infrared TDI Image Acquisition System

ZHAO Yunfeng，HAN Bing，CHEN Xin，MA Bei，XIA Hui，RAO Peng

(,,200083,)

Image acquisition system plays an important role in the validation and testing phase of the early development stage of infrared Time Delay Integration (TDI) cameras. An image acquisition system based on PXI hardware platform and LabVIEW software platform is introduced in this paper. The system, adopting multi-thread and modular design, has the capability of high speed data acquisition and data processing. Experiments show that the system can achieve a data acquisition rate up to 120Mbps, and can process and display 8-stage TDI images in real time. The system has achieved the data acquisition of a new 640×8 digital MWIR TDI detector, which provides important technical support for application of the new detectors.

Infrared TDI，image acquisition，LabVIEW，PXI

TN21

A

1001-8891(2016)11-0975-05

2015-12-02；

2016-05-30.

趙云峰（1989-），男，河南焦作人，博士研究生，主要從事紅外光電技術研究。E-mail：zhaoyf_08@163.com。

饒鵬（1977-），男，湖北武漢人，研究員，博士，主要從事光電系統工程方面的研究工作。E-mail：Peng_rao@mail.sitp.ac.cn。