内部时序器 - 基于赛灵思FPGA的红外相机原理样机的系统设计与实现

探测器借助不同的外部时钟和偏置电压，内部时序器为完全同步的ROIC操作提供所有必要的内部信号，所有内部脉冲都是通过主时钟的整数倍频得到的。内部时序器的操作仅需要以下时钟[4]：(1)主时钟（MC）；(2)复位信号；(3)积分信号。VIDEO信号在每行积分完成的18.5个时钟周期后开始输出，与之相应的AD采样时钟可设置为积分完成后的19个周期开始，与主时钟同步。上述信号的时序关系可在FPGA内部编程实现。
2.2 模拟采样电路设计
为了保证图像的高质量，需要确保高精度、低噪声的A/D转换。CCD探测器为串行输出，最高主频为6 MHz，图像采集的数据量较大。输出的Video信号在1 V~4.2 V内动态变化，它对应了-10 ℃~80 ℃的温度范围，由于系统环境温度是27 ℃，Video信号的输出范围很小，给电路的设计带来了较大的困难。为了尽可能提高输出速度和采样精度，选用了14位高速高精度集成转换芯片AD9240[5]，其电路连接图如图3(a)所示。

 

 

 

本系统设计中考虑到图像目标比较均匀单一，采用了计算量偏小的A3×3中值滤波窗口。
上述图像处理模块的实现都由FPGA实现，对于非均匀性校正，预先将高低温下的探测器像元响应存入外部SRAM中，直接调用FPGA中的乘法和加法模块通过上述公式计算各像元系数并存储到Flash中，在实时校正过程中由MircoBlaze将系数调入到外部SRAM中供校正模块使用[5]。对于线性灰度变化，可先求取图像的最大和最小灰度值，然后将校正后的像素值代入式(6)即可求得。对于3×3中值滤波，可将图像数据延迟得到3行并行数据[7](不延迟行数据、延迟1行数据和延迟2行数据)，利用这3行并行数据完成3×3窗口内延迟1行数据的中值滤波计算。
2.4 图像输出模块设计与实现
经过预处理后的图像通过两种方式输出：(1)通过LVDS接口信号方式输出，供后续处理；(2)实时显示在电视屏幕上。
LVDS信号采用低压差分信号传输方式，可实现信号的高速低噪声传输[8]。电路设计较为简单，只要在数据的收发两端设计LVDS信号转换芯片即可，本系统发送端采用了信号发送转换芯片DS90CR215，接收端采用了与之相对应的信号接收转换芯片DS90CR216。
将红外探测器采集到的图像实时显示在电视屏幕上，需要将预处理后的数字图像信号转换为PAL制式的模拟电视信号。系统采用AD公司的DAV7123视频转换芯片，视频码流在芯片内部进行D/A转换，再进行视频编码，然后生成复合同步信号、消隐信号和模拟视频信号，这三路信号共用一路信号输出[9]。由于PAL625行制的电视信号采用13.5 MHz的抽样标准，而探测器输出5 MHz，因此在输出端采用了双口RAM对图像数据进行了缓存，再根据现有PAL制式电视标准[10]对双口RAM中的像素灰度值进行读取。

3 系统测试结果与分析

通过上述硬件电路的设计和图像预处理算法的实现，得到不同预处理阶段的图像和PC机上实现的边缘提取结果如图4所示。

 

 

通过图4图像可以得出，两点校正后的图像成像效果较好，伴有随机散粒噪声干扰，经过中值滤波后，基本上消除了噪声的影响。预处理后的图像边缘轮廓清晰，通过边缘提取结果分析得知，图像质量基本上能保证内外卫星相对位置解算的精度。
本项目设计的最终目的是要通过外卫星腔体内表面的三台红外相机对内卫星进行照相，最后通过双目或三目交汇解算出内外卫星的相对位置。本文的内容属于前期红外相机原理样机的研制，包括红外CCD探测器的选取，硬件电路的设计与软件系统的实现，但其功能只限于红外图像信号的获取和图像预处理，FPGA实现的算法没有涉及到后续的图像处理，包括图像的边缘提取、中心拟合以及三目交汇的解算。通过对预处理后的图像边缘提取结果分析可知，该原理样机的图像输出质量良好，基本达到系统要求，攻克了内编队重力场卫星有效载荷测量的关键技术，为后续试验样机和工程样机的研制奠定了坚实的基础。
参考文献
[1] 张育林，曾国强，王兆魁，等.分布式卫星系统理论及应用[M].北京：科学出版社，2008.
[2] Xilinx Company.Spartan-3 FPGA family complete data sheet[S].2004，8.
[3] Hanson.Advances in monolithic ferroe1ectric uncooled IR FPA technology[C].SPIE，1995，3379：60-68.
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[5] Analog Devices,Inc.High speed AD 9240 datasheet，Rev.A，1998.
[6] 周建勇，尹玉梅，唐遵烈，等.基于FPGA的红外图像非均匀性校正技术[J].半导体光电，2007，28(2).
[7] SEINSTRA F J，KOELMA D.A fully sequential programming model for efficient data parallel image processing. Concurrency and Computation：Practice and Experience，2004，16(6)：611-614.
[8] 张健，吴晓冰.LVDS技术原理和设计简介[J].电子技术应用，2000(5).
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[10] PAL-D制电视广播技术规范[S].中华人民共和国国家标准，GB 3174-1995.
[11] 徐欣，于红旗.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.