微测辐射热计阵列性能及信号处理电路研究

论文摘要

红外热成像技术是当今夜视技术的重要组成部分,并且已经发展成为一个国家军事实力和武器装备水平的重要标志。基于微测辐射热计阵列的非制冷红外热成像技术,凭借其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性价比高等优点已经成为当今红外热成像技术的发展重点。本文从我国非制冷红外热成像技术发展现状出发,针对进口的商业级微测辐射热计阵列低温环境下工作性能和成像质量差的问题,展开了微测辐射热计阵列性能及信号处理电路研究,研制出具有-40℃～60℃环境温度适用范围,满足我国军事应用需求,高性能,低功耗,小型化的微测辐射热计阵列热成像系统。根据非制冷红外热成像技术的基本原理,本文首先研究了红外热成像系统理论,为微测辐射热计阵列性能及信号处理电路的深入研究提供了理论基础。从微测辐射热计阵列的基本结构和工作原理入手,本文深入研究了微测辐射热计阵列的响应特性和功耗特性,分别探讨了微测辐射热计阵列的工作温度、偏置电压以及热结构等参数对其响应性能、功耗特性和成像质量等方面的影响,找出了进口微测辐射热计阵列低温环境下工作性能和成像质量下降的原因。针对微测辐射热计阵列性能研究结果,本文分别完成了微测辐射热计阵列环境温度适应性实验和偏置电压适应性实验。根据实验结果提出进口微测辐射热计阵列采用多个工作温度点和相应的偏置电压值工作,可以改善微测辐射热计阵列低温环境下的响应性能、功耗特性和成像质量。由于进口微测辐射热计阵列采用单工作温度点工作,不能满足军用热成像系统的环境温度适用范围,因此本文提出了高精度多温度点TEC（热电制冷器）温度控制方法,并研制了相应的温控电路,使进口微测辐射热计阵列可以根据环境温度的变化自适应地选择合适的工作温度点和偏置电压值,提高了微测辐射热计阵列热成像系统的工作性能和成像质量,扩展了系统的环境温度适用范围,使系统的功耗指标满足了军事应用需求。鉴于传统的实验室一次性标定所带来的红外热成像系统的响应漂移问题,本文提出了基于两点校正的实时标定方法,并研制了相应的标定电路,实现了微测辐射热计阵列热成像系统非均匀性校正系数的现场实时更新,补偿了系统的响应漂移,提高了系统的成像质量。为了满足微测辐射热计阵列热成像系统的小型化需求,本文提出了用FPGA内部的NiosⅡ嵌入式可配置软核处理器替代DSP的系统成像方案,重新设计并研制了基于FPGA的信号处理电路,减小了信号处理电路板和整个热成像系统的体积。利用合作单位提供的测试设备和目前已有的红外热成像系统的性能模型,本文对所研制的微测辐射热计阵列热成像系统进行了工作性能测试评估和图像质量评价,并且将其应用到多光谱图像融合系统中,结果表明本文所研制的微测辐射热计阵列热成像系统基本能够满足军事应用需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 夜视技术发展概述
• 1.2 红外热成像技术的发展与现状
• 1.2.1 红外热成像技术的发展现状
• 1.2.2 非制冷红外热成像技术的发展优势
• 1.2.3 非制冷红外热成像技术的应用前景
• 1.2.4 国内外相关技术发展差距与战略对策
• 1.3 本文研究的背景和意义
• 1.4 本文研究的主要工作
• 2 非制冷红外热成像系统理论
• 2.1 红外辐射特性
• 2.1.1 红外辐射特性
• 2.1.2 大气对红外辐射传输的影响
• 2.2 红外光学系统
• 2.3 非制冷红外焦平面阵列
• 2.3.1 非制冷红外焦平面阵列结构
• 2.3.2 非制冷红外焦平面阵列热平衡方程
• 2.3.3 热电制冷器原理
• 2.4 红外图像预处理
• 2.4.1 红外图像信号特点
• 2.4.2 非均匀性校正
• 2.4.3 盲元检测与替代
• 2.4.4 对比度增强
• 2.5 红外热成像系统工作性能评价
• 2.5.1 非均匀性
• 2.5.2 噪声等效温差
• 2.5.3 调制传递函数
• 2.5.4 最小可分辨温差
• 2.5.5 作用距离
• 2.6 红外热成像系统图像质量评价
• 2.6.1 图像质量的主观评价方法
• 2.6.2 图像质量的客观评价方法
• 2.7 本章小结
• 3 微测辐射热计阵列性能研究
• 3.1 微测辐射热计阵列响应特性
• 3.1.1 无偏置时微测辐射热计阵列响应特性
• 3.1.2 偏置作用下微测辐射热计阵列响应特性
• 3.2 微测辐射热计阵列噪声特性
• 3.2.1 Johnson噪声
• 3.2.2 1/f噪声
• 3.2.3 热噪声
• 3.2.4 总噪声
• 3.3 微测辐射热计阵列工作温度对其性能的影响
• 3.3.1 工作温度对响应性能的影响
• 3.3.2 工作温度对功耗的影响
• 3.4 微测辐射热计阵列偏置电压对其性能的影响
• 3.5 微测辐射热计阵列热结构对其性能的影响
• 3.6 本章小结
• 4 微测辐射热计阵列环境温度效应研究
• 4.1 ULIS UL01011型微测辐射热计阵列
• 4.2 基于FPGA+DSP的信号处理电路
• 4.3 微测辐射热计阵列环境温度适应性实验
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 实验内容与结果
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.3.4 实验结论
• 4.4 微测辐射热计阵列偏置电压适应性实验
• 4.5 对信号处理电路设计的改进
• 4.6 本章小结
• 5 微测辐射热计阵列信号处理电路研究
• 5.1 信号处理电路的总体结构与系统工作原理
• 5.2 高精度多温度点TEC温控电路设计
• 5.2.1 TEC温控原理
• 5.2.2 高精度多温度点TEC温控电路设计
• 5.2.3 温控结果
• 5.3 基于两点校正的实时标定电路设计
• 5.3.1 标定原理
• 5.3.2 基于两点校正的实时标定电路设计
• 5.4 A/D数据采集电路设计
• 5.5 基于FPGA片内逻辑的功能实现
• 5.5.1 EP1C20F400C8的结构
• 5.5.2 时序管理
• 5.5.3 驱动控制
• 5.5.4 实时信号处理
• 5.5.5 视频合成
• 5.5.6 直方图统计
• 5.5.7 接口逻辑
• 5.6 基于NiosII处理器的功能实现
• 5.6.1 NiosII处理器的特性
• 5.6.2 NiosII CPU内核
• 5.6.3 Avalon总线
• 5.6.4 外设接口IP核
• 5.6.5 HAL系统库
• 5.6.6 NiosII处理器系统功能配置
• 5.6.7 NiosII处理器系统程序设计
• 5.6.8 实时信号处理系数计算
• 5.6.9 图形界面服务程序
• 5.6.10 串口通信
• 5.6.11 键盘服务程序
• 5.7 D/A视频转换电路设计
• 5.8 电源系统设计
• 5.9 本章小结
• 6 微测辐射热计阵列热成像系统性能评价及应用
• 6.1 系统工作性能评价
• 6.2 系统图像质量评价
• 6.3 在多光谱图像融合系统中的应用
• 6.4 本章小结
• 7 结束语
• 7.1 本文的工作总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 有待进一步解决的问题和发展建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录