遠(yuǎn)紅外實(shí)時(shí)成像樣機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、紅外成像技術(shù)是一種把紅外輻射波圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像的技術(shù)。它利用景物自身表面各部分熱輻射的差異獲取圖像細(xì)節(jié)，因此是一種被動(dòng)成像技術(shù)。紅外成像對(duì)煙霧雨雪穿透性較強(qiáng)，能識(shí)別偽裝和自然景物，不易受強(qiáng)光干擾，對(duì)人體無損傷，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離和全天候觀察。
　　紅外熱成像系統(tǒng)的研制涉及物理、材料、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、圖像處理等多個(gè)領(lǐng)域，已在軍事、工業(yè)、科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。尤其是近年發(fā)展的基于微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列的非制冷紅

2、外熱成像系統(tǒng)，具有重量輕、體積小、成本低、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在諸多熱成像檢測(cè)領(lǐng)域更具應(yīng)用前景。歐美一些國家對(duì)紅外成像系統(tǒng)及其核心部件紅外探測(cè)器的研究起步較早，其關(guān)鍵技術(shù)上一直領(lǐng)先于國內(nèi)，包括紅外探測(cè)器的研制，紅外圖像處理算法的研究，高性能處理電路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等方面。
　　課題基于某國外產(chǎn)微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列紅外探測(cè)器，響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為8-14μm。首先研究了其信號(hào)輸出格式及噪聲特性，設(shè)計(jì)和研制出一套遠(yuǎn)紅外成像系

3、統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板，可采集到格式正確的原始紅外圖像并作為算法研究的基礎(chǔ)；然后從非均勻性校正，灰度變換增強(qiáng)，插值放大三個(gè)方面進(jìn)行了預(yù)處理和后處理算法研究和實(shí)驗(yàn)；進(jìn)一步研究了紅外焦平面陣列實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)，開發(fā)了一套高性能的遠(yuǎn)紅外實(shí)時(shí)成像電路處理系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證取得了良好的效果。
　?。?）在探究微測(cè)輻射熱計(jì)紅外焦平面陣列信號(hào)輸出特性方面：
　　根據(jù)輸出的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，設(shè)計(jì)和調(diào)試出一套小型化低功耗的成像電路系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)在板上

4、CPLD內(nèi)，可進(jìn)行精度為比特級(jí)的調(diào)整，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，探究到了準(zhǔn)確的紅外視頻驅(qū)動(dòng)時(shí)序。通過編程實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制實(shí)驗(yàn)板采集圖像并上傳，在上位機(jī)進(jìn)行精度為像素級(jí)的調(diào)整，驗(yàn)證了探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的正確性。進(jìn)一步對(duì)探測(cè)器輸出原始紅外圖像噪聲特性進(jìn)行了分析。
　?。?）在紅外圖像預(yù)處理和后處理算法研究方面：
　　提出了一種基于S曲線模型的紅外焦平面陣列非均勻性標(biāo)定校正算法，考慮到標(biāo)定類校正算法無法應(yīng)對(duì)探測(cè)器漂移的情形，又提出了考慮焦平面陣列漂

5、移特性的校正算法，實(shí)驗(yàn)證明這兩種算法在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)均具有較高的校正精度。針對(duì)實(shí)驗(yàn)電路板采集的原始紅外圖像，還提出了一種基于噪聲模型的幀間動(dòng)態(tài)非均勻性噪聲濾除算法，該算法具有自適應(yīng)性，對(duì)高噪聲率紅外圖像具有良好的校正效果，易于工程實(shí)現(xiàn)。
　　通過對(duì)傳統(tǒng)的空域紅外圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行研究對(duì)比，提出了一種基于直方圖閾值自適應(yīng)提取的灰度變換增強(qiáng)算法。該算法能較好地完成14bits原始紅外圖像到8bits圖像的動(dòng)態(tài)壓縮，原始圖像中像素?cái)?shù)目較少而

6、占用灰度級(jí)較多的大動(dòng)態(tài)范圍得到較好抑制，保留了細(xì)節(jié)。算法具有自適應(yīng)性，運(yùn)行速度較快。
　　針對(duì)紅外圖像的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)邊緣保持紅外圖像插值算法，經(jīng)測(cè)試，該算法對(duì)紅外圖像行列均兩倍插值放大具有較好的效果，但耗時(shí)較多。兼顧算法的有效性和實(shí)時(shí)性，還提出一種基于梯度的快速圖像插值算法，便于應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。
　?。?）在紅外實(shí)時(shí)成像電路處理系統(tǒng)研究方面：
　　此前已研制出一套小型化低功耗長(zhǎng)波紅外成像系統(tǒng)，并驗(yàn)證

7、了各模塊驅(qū)動(dòng)時(shí)序的正確性，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過系統(tǒng)方案論證比較，又開發(fā)出一套高性能長(zhǎng)波遠(yuǎn)紅外實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)上以高速大內(nèi)存且具有雙外部總線接口的DSP-TMS320C6416T為處理器，采用高速FIFO機(jī)制緩存待采集和顯示的紅外圖像。軟件編程上在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用EDMA和QDMA，采用中斷函數(shù)對(duì)不同類型的事務(wù)按預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。這些措施很大程度上降低了數(shù)據(jù)傳輸占用時(shí)間，保證了DSP分配給預(yù)處理和后處理算法的時(shí)間，因此易