基于FPGA微型紅外熱電堆探測器空間應用

劉 奇，蓋芳欽，葉有時，劉 波，施 蕾

（北京控制工程研究所，北京 100190）

0 引言

紅外地球敏感器通過測量衛星相對于地球位置確定姿態，作為一種測量部件被廣泛應于衛星控制系統。主要由光學系統、探測器、圖像處理與姿態解算等部分構成。

隨著商業航天與小衛星發展，對紅外地球敏感器的小型化、低成本、低功耗方面提出迫切需求。傳統的機械掃描式產品體積、重量與功耗都較大，且掃描機構長時間運行后，會產生偏差，降低產品工作壽命[1]。

開展面陣靜態紅外地球敏感器研究十分必要，本文探索使用微型紅外熱電堆探測器，對探測器的圓環效應、溫度補償、響應補償、非均勻校正、盲元處理進行了研究，實現圖像處理系統的方案設計與FPGA設計，完成新一代微型靜態紅外地球敏感器設計。

1 紅外熱電堆技術

紅外技術目前在軍事領域和民用領域，都發揮著重要作用。其中紅外探測器是紅外技術的核心部件，根據探測器工作原理，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。

本文研究的紅外熱電堆探測器屬于熱探測器，其工作原理是基于塞貝克效應。兩種具有不同逸出功的電導體或半導體材料相互串接構建的閉環回路，兩個接觸點中溫度較高的一端通常被稱作“熱結”，較低的一端被稱作“冷結”，如圖1 所示。材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動，引起電荷積累在冷結處，此時回路中便有熱電勢產生，多對熱電偶相互串接就結合為一個熱電堆[2]。

產生的溫差電動勢Vout，其數學表達式為：

式中：αA和αB分別為材料A 和B 的塞貝克系數；αAB是兩種材料的塞貝克系數差值。

圖1 塞貝克效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of Seebeck effect

紅外熱電堆探測器，具有如下的優點：

①工作環境無需制冷，室溫工作，具有小型化、低成本特點；

②檢測的光譜范圍寬，能夠響應全波段的紅外輻射；

③與標準IC 工藝兼容，穩定性好，易于生產，信號處理電路較容易實現；

④使用時外圍配置電路簡單，無需斬波，無需偏置電壓，有利于系統設計簡化。

可以應用于紅外成像、非接觸測量、空間氣候探測、衛星姿態測量等方面。

2 熱電堆探測器指標

本文研究使用的紅外熱電堆探測器為HEIMANN Sensor 公司的HTPA80x64d 型探測器。器件結構如圖2 所示。

圖2 探測器結構圖Fig.2 Detector structure chart

HEIMANN Sensor 公司主要從事紅外熱電堆傳感器、成像陣列等方面的研制與生產。本文研究使用探測器為其新型快響應面陣產品，基本參數信息如表1所示[3]。

表1 HTPA80x64d 型紅外探測器基本參數Table 1 Basic parameters of HTPA80x64d infrared detector

3 紅外圖像數據處理

3.1 探測器圓環效應

光電探測器主要由光學部分和電學部分組成，光學部分將目標的光信息通過光學元件，照射到光電敏感單元，敏感單元將光信號轉換為電信號，電學部分進行信號調理、檢測、采樣、數據處理、數據存儲、輸出圖像信息。

紅外光線在經過光學系統傳輸后，由于不同能量組分的干涉效應，在光電敏感元件表面形成能量分布，以光軸為中心，按規律分布[4]。而產生了在不同溫度下的探測器輸出的圓環效應，會導致圖像的低頻非均勻性，這種非均勻性噪聲一般比較固定。

使用探頭在不同黑體溫度下進行測量，發現在25℃時幾乎不存在圓環效應，而偏離25℃越遠，則圓環效應越大。測試過程中黑體充滿整個視場，結果如圖3 所示。

圖3 探測器不同黑體輻射溫度圓環效應Fig.3 Ring effect at different blackbody radiation temperature of detector

3.2 圖像補償算法

紅外熱成像系統接收目標發出的紅外輻射，通過光電信號處理，以圖像形式輸出。成像結果會受到以下3 方面影響：

①與被測目標的發射率、環境溫度、背景輻射、測溫距離、大氣溫度、大氣衰減等因素相關。

②與探測器的制備工藝相關，如各敏感單元的結構尺寸、轉換效率、掩膜誤差、材料缺陷等不一致性。

③與探測器內部電氣元件的溫度響應相關，存在溫度漂移與響應非線性特點。

探測器不同敏感單元，在相同的輻照度下存在不同的響應特性；同一敏感單元，在不同溫度環境下存在不同響應特性。

為了提高紅外圖像準確度，針對以上關鍵影響因素，建立補償模型，進行圖像補償處理[5]。包含溫度補償、響應補償。

完成圖像補償處理的具體步驟如下。

1）環境溫度計算

探測器的環境溫度由公式(2)計算得到：

2）圖像溫度偏移補償計算

圖像數據溫度偏移補償，由公式(3)計算得到：

3）像元響應偏移補償計算

像元響應偏移補償，由公式(4)計算得到：

3.3 圖像非均勻校正

非制冷紅外焦平面的非均勻性校正方法基本可分為兩類：基于標定技術的算法和基于場景技術的算法。基于場景技術的校正算法，理論性較強，硬件實現難度較大。基于標定技術的校正算法，結構簡單，易于硬件實現，具有較好的適應性與有效性。標定校正方法，是通過使用均勻的高溫、低溫黑體，對紅外焦平面標定，計算出增益和偏移系數，是一種有效實用的算法。常見有兩點法和擴展兩點法，本文使用兩點法對紅外圖像進行非均勻校正[6]。

兩點校正法應用的前提條件：探測器敏感單元的響應特性①在使用的溫度范圍內，為線性變化；②在使用時間范圍內，受隨機噪聲影響小，具有穩定性。

根據地球大氣14～16 μm 紅外輻射譜段，地球平均等效黑體溫度約為247 K，空間背景溫度約為4 K。利用普朗克公式計算光譜輻射能量差，當環境溫度為25℃，地球模擬輻射圓盤溫度為66.8℃。

紅外地球敏感器在空間工作環境中，會進行溫度控制，選取典型的工作溫度25℃，對探測器的輸出響應進行測量，如圖4 所示，計算得到非線性誤差為2.26%。

圖4 探測器輸出響應曲線Fig.4 Detector output response curve

在探測器工作溫度范圍0℃～45℃，探測目標溫度范圍0℃～80℃，探測器輸出響應的非線性誤差在1.3%～4.6%之間。

在探測器工作溫度范圍0℃～45℃，對同一均勻溫度黑體進行標定測量，輸出響應在時域上較為穩定，存在一些隨機噪聲，通過平滑濾波后，可以消除噪聲影響。在探測器工作溫度25℃，探測目標溫度20℃和40℃，連續進行1000 次圖像數據采集，結果如圖5 所示。

圖5 探測器連續輸出響應Fig.5 Detector continuous output response

因此，本文使用的探測器，能夠基本滿足兩點校正法應用的兩個前提條件。

根據線性模型數據公式，兩點校正的具體方法為：用一個高溫黑體T1和一個低溫黑體T2作為標定源，測量探測器敏感單元響應。

根據式(5)、(6)，計算得到每個敏感單元的增益校正系數Gij與偏移校正系數Oij：

根據式(7)，進行實時非均勻校正：

式中：Xij為探測器輸出圖像數據；Yij為非均勻校正后圖像數據。

3.4 圖像盲元處理

紅外焦平面探測器在生產制備過程中，受半導體材料與制作工藝影響，有的敏感單元會存在響應率過高或過低的現象，稱為盲元，使紅外圖像存在黑白噪點。在探測器使用過程中，受使用環境應力與器件自身壽命影響，盲元數量可能會增加。溫度補償和非均勻校正能夠起到一定補償效果，但無法完全消除盲元影響[7]。

盲元在紅外圖像中形成亮點或暗點，可能會對紅外圖像目標檢測識別造成較大影響。

盲元或死像元可以通過線性插值法進行補償替換。一般采用盲像元相鄰的同一行或同一列的2 個像素點，或者周圍9 個像素點數據，進行線性插值計算，用計算后的值對盲元替換。

本文采用的補償方法是用盲元臨近的九宮格，選擇部分點進行線性插值計算，來替換盲像元的值。如圖6 所示，臨近點像元相應位為1 則表示使用該像素點，為0 則表示不采用。如果盲元為邊緣點，則在圖像邊界外的位置的值不會為1。

圖6 盲元線性插值補償Fig.6 Blind element linear interpolation compensation

經過對盲元替換處理，有效避免盲元點對紅外圖像進行姿態解算帶來的影響，提高了紅外圖像的質量，使探測器在長工作時間，紅外圖像能夠保持較好的均勻性。

4 系統方案設計

4.1 系統設計

微型紅外熱電堆圖像處理系統平臺主要包含3 路探測器，CPU 及其周邊電路，FPGA 電路，乒乓SRAM電路，EEPROM 電路，接口通訊電路等組成。圖7所示為原理框圖，圖中箭頭表示信號與數據流向。主要分為兩大部分，以FPGA 為核心的圖像數據接收與處理部分，以CPU 為核心的主流程控制與姿態結算部分，在器件選型方面選擇具有抗輻照指標的高可靠元器件。

圖7 圖像處理系統原理框圖Fig.7 Principle block diagram of image processing system

FPGA 主要完成三路探頭數據接收，原始紅外數據排序，圖像數據補償，非均勻校正，盲元數據處理，乒乓SRAM 數據處理，通訊控制等功能。

乒乓SRAM 用來緩存圖像接收、圖像處理過程數據，使圖像數據處理與姿態結算流水同步操作。

EEPROM 用來存儲補償參數，非均勻校正參數，盲元處理參數，操作指令等信息。關鍵參數與指令內部通過三取二冗余存儲與校驗，實現容錯處理功能。

CPU 主要完成圖像梯度計算、地球邊界分析、姿態計算、工作流程控制、通訊控制等功能。外圍存儲器包括數據存儲器SRAM、BOOT 程序存儲器ROM、擴展程序存儲器NOR Flash。

紅外圖像處理系統上電后，進行硬件自檢及資源初始化。按照控制周期，實現對三路探頭數據接收、圖像數據預處理、圖像信息解算等流水操作，得到姿態信息[8]。

4.2 FPGA 設計

在圖像處理系統中，FPGA 作為核心功能單元，功能框圖如圖8 所示，圖中箭頭表示信號與數據流向。紅外圖像處理系統上電后，FPGA 對3 路紅外探測器完成初始化配置。按照控制指令，接收探測器原始圖像的灰度數據，對圖像數據按圖幅進行數據排序，并且乒乓緩存入SRAM 中。

然后對圖像數據進行流水處理，完成圖像數據溫度補償，響應補償，非均勻校正，盲元處理，將處理好的圖像數據再次緩存入乒乓SRAM 中[9]。

圖8 圖像處理FPGA 設計功能框圖Fig.8 Image processing FPGA design function block diagram

FPGA 內部集成定點轉浮點處理單元、浮點數據四則運算單元、浮點轉定點處理單元。從探測器輸出圖像數據為定點數據，先轉換為浮點數據，進行數據處理后，再轉換為定點數據。

數據處理過程與MATLAB 計算結果按步驟依次比對，定點處理部分結果一致，浮點處理部分精度為小數點后兩位（十進制下），基于FPGA 圖像數據處理符合設計要求。

在FPGA 集成編譯工具下，使用工具內嵌邏輯分析儀，對圖像數據處理過程波形抓取。三路探頭數據接收如圖9 所示，圖像數據處理如圖10 所示。

5 實驗結果與分析

為驗證所設計的圖像補償算法、非均勻校正、盲元處理能夠滿足空間應用需求，開展了紅外成像實驗。圖11 為實驗室內成像，(a)為探測器輸出原始數據圖像，(b)為完成圖像補償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。從圖中可以看出，(a)中圖像非均勻性及噪聲非常明顯，基本無法辨認圖像信息，(b)中圖像在處理后非均勻性大大降低，圖像質量得到非常明顯提升，(c)中圖像的盲元黑點完成插值替換，消除對后期進行圖像信息解算的影響。

圖12 為模擬探測器在空間中對地球輻射圓盤邊界成像，(a)為探測器輸出原始數據圖像，(b)為完成圖像補償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。實驗結果顯示，紅外探測器原始圖像，經過圖像處理后，地球輻射圓盤邊界能夠清晰成像。

圖9 三路探測器數據接收Fig.9 Three way detector data receiving

圖10 圖像數據處理Fig.10 Image data processing

圖11 實驗室內圖像采集Fig.11 Image acquisition in laboratory

圖12 模擬地球輻射圓盤邊界圖像Fig.12 Simulating the boundary image of the earth's radiation disk

對完成補償運算、非均勻校正、盲元處理的圖像數據，進行非均勻性評估，非均勻性由公式(8)計算得到：

式中：YSTD為像元輸出響應標準差；為像元輸出響應均值。

在紅外地球敏感器工作溫度范圍0℃～45℃，紅外圖像數據非均勻性在0.72%～1.43%之間，地球輻射圓盤成像邊界清晰平滑，能夠進行姿態解算。

使用三路探測器圖像數據，進行數據融合與姿態解算。通過圖像數據點梯度計算，完成地球輻射圓盤邊緣提取；求取邊緣點的空間坐標映射，完成地球圓心位置提取。測試結果表明，姿態測量偏差小于0.2°，基于FPGA 的微型紅外熱電堆探測器圖像處理系統，能夠應用于衛星姿態測量。

6 結論

提出了一種基于FPGA 的微型紅外熱電堆探測器圖像處理系統，對探測器的圓環效應、圖像溫度補償、響應補償、非均勻校正、盲元處理進行了研究。介紹了紅外圖像處理系統的方案設計、FPGA 設計，對最終的圖像處理結果進行了分析，姿態測量偏差小于0.2°。表明基于FPGA 的微型紅外的熱電堆探測器設計能夠應用于衛星姿態測量，基于該系統設計的紅外地球敏感器為全數字處理方案，體積、重量約為傳統機械掃描式產品的1/3，成本極大降低，滿足小型化、低功耗、低成本需求，可以替代傳統機械掃描式紅外地球敏感器，具有廣闊的應用前景。