紅外預警實時圖像處理系統設計與實現

楊全海

[摘要]針對紅外預警系統分析可疑來襲目標時減少反應時間和降低虛警率之間的矛盾，提出了一種采用多級預警機制的紅外預警實時圖像處理系統設計方案，設置告警級別，針對不同探測與處理結果給出不同級別的告警信號。同時針對推掃式紅外預警系統的成像特點，采用多路處理方法以提升系統實時性。硬件方面為滿足多級預警與多路處理方法的需求，基于Xilinx公司的5系列FPGA與TI公司TMS320C6455型高速DSP為核心處理器設計多核架構，開發了FPGA內部的DSP運算內核，增強了系統的運算能力。采用紅外預警和多路處理技術能夠在滿足虛警率要求的同時提升系統的實效性。

[關鍵詞]紅外預警；圖像處理；系統設計

紅外預警系統因其良好的抗電子干擾、被動探測目標和全天時工作的能力已經廣泛應用于現代光電對抗等應用中。周掃式紅外預警系統是一種典型的紅外預警系統，主要由探測裝置、伺服系統、圖像處理系統和監視器等部分組成，其中圖像處理系統擔負著對圖像相關信息的處理與提取并向顯示終端發送警戒信號的重要任務。為了能發現敵方目標并即時發送告警信號，圖像處理系統必須實時地完成指定處理任務，這就需要處理平臺在處理機制、處理算法、數據傳輸等方面都能夠滿足實時性要求。

一、紅外預警實時圖像處理

（一）在紅外預警系統執行任務期間，需要盡早探測到敵方目標并準確識別目標類型。當目標距離相對較遠時，反應在圖像上的目標像元尺寸很小，一般為幾個至十幾個像素大小，無法進行目標識別。而當反應在圖像上的目標像元尺寸足夠進行識別時，目標距探測器距離較近。針對以上矛盾，提出了一種應用于紅外預警系統的多級預警機制，為預警信號設置級別，針對不同情況給出不同級別的預警信號。

（二）等待方法。線陣紅外探測器采集到得圖像為“列圖像”，不存在面陣紅外探測器所捕獲的“圖像幀”，且“列圖像”中包含的信息量存在無規律，不完整的特點，圖像處理系統無法從“列圖像”中提取有效信息或目標，因此需定義“圖像子幀”的概念。

（三）在某子幀中發現可疑目標，通過連通性分析確認可疑目標跨越多子幀，則等待下一子幀聯合分析處理，通過連通性分析目標完全處于合并后的圖像中，則對合并后的圖像進行目標提取與識別操作。

（四）在某子幀中發現可疑目標，通過連通性分析確認可疑目標跨越多子幀，則等待下一子幀聯合分析處理，通過連通性分析確認目標跨越3個或更多子幀。隨著預警系統實時性要求不斷提高，等待方法會影響系統實時性，且等待方法對于某個完整目標只進行一次分析，容易產生漏警。因此提出多路處理方法以減少等待方法中的時延。

二、系統設計

（一）系統硬件設計，主要由FPGA芯片、DSP芯片‘FLASH芯片和SDRAM芯片構成。SDRAM1紅外探測器數字圖像接收模塊數據緩存與分路模塊多通道圖像處理模塊SRIO通信與數據緩存模塊信號整合模塊通信控制模塊控制計算機FPGA（XILINX V5）SDRAM2DSP在核心器件選擇方面，FPGA選用Xilinx公司的XC5VLX110T型芯片，最大可達5328Mbit的blockRAM為緩存模塊提供豐富的存儲資源，64個DSP48ESlice支持在FPGA內部開辟多個DSP核，680個用戶I/O使其具有豐富的可擴展性，其對PCI-e和SRIO通信協議的支持提高了處理器間，處理器與終端間的通信速度。紅外預警實時圖像處理系統設計與實現。DSP芯片采用了TI公司高性能定點DSP處理器TMS320C6455。該DSP是支持SRIO協議的一款高速定點信號處理器，其內部有8個并行處理單元，體系結構采用超長指令字結構（VLIW），芯片工作主頻可以達到1.2GHz，當片內8個單元并行運行時其最大處理能力可以達到9600MIPS。在通信協議方面，處理器間通過SRIO協議進行完成通信，處理器與控制計算機間按PCIExpress協議進行交互，兩種協議都采用了基于串化解串（serdes）的高速串行總線技術。低引腳數，基于報文交換的互連體系結構。SRIO協議包含定義電氣特性、鏈路控制和低級錯誤管理的物理層，定義路由與尋址機制的傳輸層，定義總體協議和包格式的邏輯層。根據SRIO協議，其單路傳輸速率理論最高可達3.125Gbit/s，而實際應用中一般不低于2Gbit/s。PCIExpress協議簡稱PCI-e，是由英特爾公司特出的適合板卡與計算機間交互的高速通信協議，在2.0版本16X模式下最高可達到80Gbit/s的傳輸速率，即使在通道數最少的1X模式下依然有4Gbit/s的通信速率。

三、系統工作實現

在執行預警工作前，首先使用紅外探測器推掃一周將背景圖像存入SDRAM1中，在預警工作開始后，數字圖像接收模塊將接收到的圖像送入數據緩存與分路模塊，緩存與分路模塊首先將數據復制為兩份，其中一份送入信號整合模塊以備原始圖像顯示，所述多路掃描機制原理將圖像送入多通道圖像處理模塊。在圖像處理模塊內開辟n個DSP核，每路通道通過FPGA內部的并行運算和DSP核的運算對子幀圖像進行預處理，目標提取和目標識別操作，采用FPGA內部DSP核作為處理過程的核心運算單元同使用多DSP架構相比能夠縮小平臺體積，減少功耗，提高資源利用率，同時避免了多DSP間因通信產生的協議與策略問題。為了多路掃描機制的有效性和實時性，采用快速中值濾波法作為圖像預處理算法以平滑噪聲，采用全局閾值分割算法提取目標，在連通性分析后采用幾何特征判別法對目標進行識別。處理結果通過SRIO高速通信協議傳至作為決策器的DSP芯片中。DSP將最終處理結果回傳至FPGA內部的信號整合模塊中。信號整合模塊將原始圖像和處理結果合并后通過PCI-e協議傳輸到控制計算機中。

設計并實現了應用于周掃式紅外預警系統的實時圖像處理平臺，通過引入多路處理方法和多級預警方法，在滿足系統實時性要求的同時解決了減少系統反應時間和降低虛警率之間的矛盾，所設計的實時圖像處理系統目前已成功應用于某周掃式紅外預警系統中。endprint