微测辐射热计焦平面阵列的成像系统研究

论文摘要

红外热成像技术是当今夜视技术的发展热点。无论是观瞄成像，还是目标寻的，红外热成像系统都扮演着愈来愈重要的角色。采用微测辐射热计焦平面阵列作为探测器件的非制冷红外热成像系统，以其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性价比高等优点，在红外热成像系统的发展中占据着举足轻重的地位。本文在研究非制冷红外热成像系统基础理论和红外焦平面阵列实时信号处理技术的基础上，研制了集实时信号处理、异步串行通信、键盘服务等功能于一体的非制冷红外热成像系统，取得了很好的成效，其性能评估结果表明已经基本满足了军事应用的需要。非制冷热成像系统的基础理论研究是研制红外热成像系统的基础。本文首先从基础理论入手，分析了红外热成像系统的基本成像原理、影响系统工作的主要因素、微测辐射热计的工作原理，探讨了获得焦平面阵列最佳性能的途径，为系统设计提供了理论指导。实时性是热成像系统信号处理的基本要求，非均匀校正、盲元替代和图像增强是信号处理的主要内容。本文在基于标定技术的非均匀校正方法的基础上，讨论了两点定标和运动补偿相结合的综合校正方法、基于LMS滤波器的校正方法和基于时域统计特性的校正方法，为系统的实时信号处理提供了多种可能性选择。基于时域统计特性的校正方法从概率密度函数角度阐述了非均匀性，证明了时域直方图和概率密度函数之间的等价关系，并指出该性质可以用于数据的存储，解决了直接存储数据需要大量内存空间的问题。盲元检测是盲元替代的前提。本文借鉴了多种盲元检测方法，并结合实验数据的分析，建立了针对微测辐射热计焦平面阵列的评判准则，获得了与ULIS公司近似一致的效果。为了克服中断式盲元替代的缺点，提出了基于标志位的盲元替代方法。针对红外图像直方图的特点，讨论了自适应线性灰度变换的图像增强方法。信号处理电路是热成像系统的核心。所设计的信号处理电路可以完成实时信号处理、串口通信、直方图统计、键盘控制、TEC温度控制等功能。实时信号处理模块采用流水线结构，把非均匀校正、盲元替代、自动增益控制功能集成于一条流水线，与传统的乒乓结构相比，时钟频率更低，输出延迟和系统功耗更小，结构更简单。设计的双温度点TEC温度控制电路，两个温度点的稳定精度均达到了±0.004℃，有效地保证了热成像系统的成像质量，同时解决了焦平面阵列的工作温度和环境之间温差增大引起的功耗增加问题。充分利用信号处理电路板的数据采集能力和串行通信能力，构建了红外焦平面阵列的测试平台，可以完成红外焦平面阵列的非均匀性、响应灵敏度、校正系数和盲元的测试，同时还可以采集其他红外图像数据，供人们在PC上进行各种图像处理和数

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 红外热成像技术发展概况

1.1.1 制冷型红外热成像技术发展概况

1.1.2 非制冷红外热成像技术发展概况

1.2 非制冷红外热成像技术的应用前景和现实意义

1.2.1 非制冷红外热成像技术的发展优势

1.2.2 非制冷红外热成像技术的应用前景

1.2.3 国内外红外热成像技术差距和战略对策

1.3 本文的研究背景和现实意义

1.4 本文的研究内容

2 微测辐射热计焦平面阵列成像系统的基础理论

2.1 微测辐射热计焦平面阵列成像系统的总体设计

2.1.1 微测辐射热计焦平面阵列成像系统的基本结构

2.1.2 热成像系统总体设计中需要考虑的因素

2.2 红外辐射特性

2.2.1 红外辐射特性与规律

2.2.2 大气对红外辐射传输的影响

2.3 红外光学系统

2.4 热电制冷器原理

2.5 非制冷红外焦平面阵列基础

2.5.1 非制冷红外焦平面探测器结构

2.5.2 非制冷红外焦平面阵列的热平衡方程

2.6 微测辐射热计焦平面阵列响应特性分析

2.6.1 无偏置时微测辐射热计焦平面阵列的响应特性

2.6.2 偏置作用下微测辐射热计红外焦平面阵列的响应特性

2.6.3 微测辐射热计红外探测器的噪声特性分析及对系统设计的启示

2.7 ULIS公司UL01011微测辐射热计红外焦平面阵列

本章小结

3 红外焦平面阵列的实时信号处理技术研究

3.1 影响红外成像质量的因素

3.1.1 响应的非均匀性

3.1.2 响应的漂移特性

3.1.3 盲元

3.1.4 红外场景的对比度

3.1.5 红外图像信号的特点

3.2 红外焦平面阵列的非均匀校正算法

3.2.1 基于标定技术的非均匀性校正算法

3.2.2 两点定标和运动补偿相结合的综合校正方法

3.2.3 LMS自适应非均匀性校正算法

3.2.4 基于时域统计特性的非均匀校正方法

3.3 盲元的检测和替代

3.3.1 盲元检测

3.3.2 盲元替代

3.4 自动增益控制

3.4.1 红外图像直方图特点

3.4.2 自适应分段线性变换

本章小结

4 微测辐射热计焦平面阵列成像系统的信号处理电路

4.1 电路的结构和工作原理

4.2 A／D数据采集电路的设计

4.3 基于FPGA的功能实现

4.3.1 EP1C12的结构

4.3.2 FPGA的配置

4.3.3 时钟系统

4.3.4 IRFPA的数字驱动信号的产生

4.3.5 基于流水线结构的实时信号处理

4.3.6 视频合成

4.3.7 直方图统计

4.3.8 逻辑仲裁

4.4 基于DSP的功能实现

4.4.1 TMS320VC33型DSP芯片

4.4.2 DSP硬件设计中需要注意的问题

4.4.3 DSP的资源分配

4.4.4 DSP程序设计

4.4.5 程序初始化

4.4.6 实时信号处理系数的计算和加载

4.4.7 图形界面服务程序

4.4.8 键盘服务程序

4.5 D／A转换电路的设计

4.6 TEC温控电路设计

4.6.1 TEC温控原理

4.6.2 双温度点TEC控制电路设计

4.6.3 结果

4.7 与PC的通信接口

4.7.1 异步串行通信方案

4.7.2 通信接口的实现

4.7.3 通信模块软件程序

4.8 其他电路模块

4.8.1 看门狗电路

4.8.2 电源电路

4.9 系统调试与成像

4.9.1 硬件调试

4.9.2 软件调试

4.9.3 联合调试与系统成像

本章小结

5 红外热成像系统的性能测试和评估

5.1 红外焦平面阵列的性能测试

5.1.1 测试平台

5.1.2 基于PC的测试软件设计

5.1.3 非均匀性、校正系数的计算和盲元的检测

5.1.4 实时红外图像信号处理算法评估

5.1.5 焦平面阵列在不同工作温度下的成像质量对比

5.2 红外热成像系统的性能评估

5.2.1 红外热成像系统的性能参量

5.2.2 红外热成像系统的作用距离估算

5.3 红外热成像系统的环境适应性评估

本章小结

6 结束语

6.1 本文的工作总结

6.2 本文的创新点

6.3 有待进一步解决的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间申请的专利

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