基于FPGA的非制冷红外焦平面图像采集系统的研究

论文摘要

红外非制冷焦平面探测器的出现,使红外热成像系统省去了复杂的制冷机构,与制冷式红外热像系统相比,非制冷红外热像系统具有体积小、质量轻、功耗低、性价比高、携带方便等优点,在军事、工业等诸多领域有着广泛的应用,成为当前红外热像系统研究的热点。本课题围绕非制冷红外焦平面图像采集系统的硬件实现展开研究,在分析非制冷红外热成像系统工作原理的基础上,针对本系统使用的红外焦平面探测器,论述了微测辐射热计以及热电制冷器的工作原理、性能参数及其工作特性;根据非制冷红外探测器机芯组件开发协议,提出本系统实现的功能和主要技术指标,在此基础上确定本系统所要遵循的设计原则和技术要求,分析比较了当前各种图像采集系统的结构和软硬件实现方案,提出了基于FPGA的非制冷红外焦平面图像采集系统的设计方案,该方案具有结构简单、体积小、性价比高、功耗低等优点;深入地研究了微测辐射热计UL03191、热电制冷器温度控制芯片ADN8830、视频信号处理器AD9824、视频编码器SAA7104、数据存储器IS61LV51216以及LVDS编码器DS90CR287的工作原理和时序逻辑,采用VHDL语言,在MUX-Plus II编译环境下完成了FPGA的逻辑设计,基于这些器件完成了图像采集系统的硬件设计;针对红外图像的特点,采用FPGA实现红外图像的非均匀性校正和盲元替代,改善图像的信噪比,提高图像采集系统的成像质量,实现了图像的采集、处理、传输及显示等功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 非制冷红外热成像技术发展现状
• 1.2.1 国外非制冷热成像技术发展现状
• 1.2.2 国内非制冷热成像技术发展现状
• 1.3 图像采集系统
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 微测辐射热计非制冷红外成像系统工作原理
• 2.1 非制冷红外热成像系统工作原理
• 2.2 微测辐射热计探测器
• 2.2.1 微测辐射热计探测原理
• 2.2.2 微测辐射热计光谱响应特性
• 2.2.3 微测辐射热计技术指标
• 2.2.4 微测辐射热计UL03191
• 2.3 热电制冷技术
• 2.3.1 热电效应
• 2.3.2 热电制冷机理
• 2.3.3 热电制冷工作特性
• 2.4 黑白全电视信号
• 2.5 本章小结
• 第3章 图像采集系统方案设计
• 3.1 系统功能及主要技术指标
• 3.2 硬件系统总体方案设计
• 3.2.1 图像采集模块硬件方案设计
• 3.2.2 图像预处理模块硬件方案设计
• 3.2.3 主控模块方案设计
• 3.3 软件系统总体方案设计
• 3.3.1 图像采集模块软件方案设计
• 3.3.2 图像预处理模块软件方案设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 图像采集系统硬件设计
• 4.1 图像采集模块电路设计
• 4.1.1 UL03191 电路设计
• 4.1.2 信号处理电路设计
• 4.1.3 TEC温度控制电路
• 4.2 数据存储、传输及显示接口电路
• 4.2.1 图像存储器接口电路设计
• 4.2.2 LVDS数据接口电路设计
• 4.2.3 模拟视频显示接口电路设计
• 4.3 电源及FPGA配置电路
• 4.3.1 配电网络
• 4.3.2 时钟
• 4.3.3 FPGA配置电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 图像采集系统软件设计
• 5.1 FPGA开发流程
• 5.1.1 Altera可编程逻辑器件的特点
• 5.1.2 FPGA的设计步骤
• 5.2 图像采集模块接口设计
• 5.2.1 UL03191 初始化模块接口
• 5.2.2 图像采集控制模块接口
• 5.3 图像存储器接口设计
• 5.4 红外图像预处理算法实现
• 5.4.1 非均匀性校正算法及FPGA实现
• 5.4.2 盲元替代
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢