CN104036080A - 一种多光谱红外探测模拟器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多光谱红外探测模拟器装置，包括控制台模块、图像播放模块、红外成像特性计算模块和红外成像特性模拟模块；各模块之间通过总线相连接；控制台模块管理系统工作过程，图像播放模块完成模拟器的图像数据发送的任务，红外成像特性计算模块负责计算模拟红外成像特性的参数，红外成像特性模拟模块完成成像效应在图像上的模拟，通过使用高速并行运算FPGA芯片的系统，将图像实时加载到红外成像系统中，以便对红外成像系统及图像处理机进行包括非均匀性校正等在内的全面的测试，增加了系统的实时性，而且采用多种方式输出，增加了系统的扩展性。

Description

一种多光谱红外探测模拟器装置

技术领域

本发明涉及仿真模拟红外成像系统，特别涉及一种多光谱红外探测模拟器装置。

背景技术

多光谱图像处理系统验证与评估系统是对在研型号和预研课题中的红外图像处理系统进行仿真和验证的综合系统。主要用于在成像导引头及其它红外成像系统的研制过程中，对图像处理系统(包括探测器预处理系统)算法进行板级和系统级验证。

多光谱红外探测系统模拟器是多光谱图像处理系统验证与评估系统的一个重要组成部分，配合识别结果评价系统一起完成红外成像，系统包括探测器预处理系统、图像预处理系统以及图像识别跟踪系统在内的信息处理系统的评估。

对红外探测器长时间通电工作和多次重复进行上电、下电操作，会对红外探测器产生损伤，直接影响探测器的性能和使用寿命。因此有必要研制一种红外探测器模拟器，可以模拟红外探测器的输出，生成满足红外制导系统调试时需要的图像，从而减少红外探测器的通电时间和使用次数，延长其使用寿命。

红外探测器模拟器对缩短红外制导系统研制周期、降低成本以及提高效费比具有重要的作用，符合智能化、灵活、通用性的军事电子装备的发展潮流，具有很强的实用价值。目前已有的红外探测器模拟器的方案中，大多不具有实时性，并且图像输出方式单一，扩展性不强。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种采用多种方式输出，实时性好，系统扩展性强的多光谱红外探测模拟器装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多光谱红外探测模拟器装置，包括主控计算机和红外探测系统模拟器，所述红外探测系统模拟器由主处理FPGA、协处理FPGA、输出接口和电源系统构成，主处理FPGA和协处理FPGA通过数据总线连接；多光谱红外探测模拟器装置还包括控制台模块、图像播放模块、红外成像特性计算模块和红外成像特性模拟模块，其中：所述的控制台模块，运行于主控计算机，用于完成系统参数配置、系统工作过程控制与管理、与外部设备的交互的任务；所述的图像播放模块，运行于主控计算机，用于完成向红外探测系统模拟器发送图像数据的任务；所述的红外成像特性计算模块，运行于主控计算机，根据要求的红外成像系统参数，计算用于模拟红外成像特性的参数，将获得的参数组织为适宜高速并行处理的格式，并完成相对于图像数据的参数格式匹配；所述的红外成像特性模拟模块运行于主处理FPGA，根据输入的红外成像特性参数，以输入的图像数据为处理对象，完成成像效应在图像上的模拟。

所述主处理FPGA用于完成成像效应的模拟计算工作，包括头罩，光学系统，探测器性能特性的模拟计算；协处理FPGA完成非均匀性和噪声特性的模拟计算工作，同时协处理FPGA还完成对多种输出时序的模拟。

主控计算机通过显卡向红外探测系统模拟器传输图像数据。

所述主控计算机与主处理FPGA之间连接有单片机，主控计算机和单片机采用串行接口连接，单片机和主处理FPGA采用标准EMIF接口连接。

所述输出接口包括8路16位D/A转换模拟输出接口。

所述输出接口还包括VGA输出接口和备用LVDS格式的图像输出接口。

本发明的红外探测器模拟器装置，把红外摄像头获取的高质量的图像、识别结果评价系统产生的图像，以及红外场景仿真模拟系统产生的图像，加入实际红外探测器的各种效应，转换为未经校正的图像的模拟量，通过使用高速并行运算FPGA芯片的系统，将图像实时加载到红外成像系统中，以便对红外成像系统及图像处理机进行包括非均匀性校正等在内的全面的测试。增加了系统的实时性，而且采用多种方式输出，增加了系统的扩展性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用了使用高速并行运算FPGA芯片加载红外图像的方式，克服了现有的红外探测模拟器实时性差的缺点，使本发明具有能实时输出红外图像的优点。

第二，由于本发明的输出方式可为时序输出，也可为高速串行序列信号，或者模拟图像输出，克服了现有的红外探测模拟器输出方式单一的缺点，使得本发明具有扩展性强的优点。

第三，本模拟器的输入端可为待仿真场景或是实际图像数据，输出端则有多种类型可选，可为时序输出，也可为高速串行序列信号，或者模拟图像输出。本发明具有高实时性，低噪声，扩展性强的优点。

附图说明

图1是系统硬件平台组成图；

图2是系统软件平台组成图；

图3是系统结构框图；

图4是红外探测模拟器的整体结构图；

图5是系统与外部接口图；

图6是控制台模块流程图；

图7是图像播放软件流程图；

图8是红外成像特性参数计算软件工作流程图；

图9红外成像系统特性模拟框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

1、系统框架组成

多光谱红外探测系统模拟器主要由硬件和软件两部分组成。

1.1硬件平台组成

如附图1所示，系统主要由主控计算机和红外探测系统模拟器两部分组成。

(1)主控计算机：以PC机为基础。主要完成红外探测系统模拟器系统配置、图像数据存储以及向探测系统模拟器发送图像、人机交互、系统与外部输入设备的交互等任务。

(2)红外探测系统模拟器：主要由能进行高速并行处理的芯片完成红外探测器输出接口时序的模拟工作(模拟器输出接口)。红外探测系统模拟器完成红外成像特性模拟，红外探测器输出时序模拟，根据前端数字仿真数据，生成相应于红外探测器的模拟输出。

系统结构框图如图3所示，红外探测系统模拟器是由输入接口、主处理FPGA、协处理FPGA、输出接口和电源系统构成；主处理FPGA用于完成主要成像效应的模拟计算工作，其中包括头罩，光学系统，探测器等性能特性的模拟计算；协处理FPGA主要完成非均匀性和噪声特性的模拟计算工作，同时协处理FPGA还完成对特定探测的输出时序的模拟；

进一步，本发明还具有以下优点：

(1)为提高系统的可靠性和易用性，本系统设计了与计算机显卡可进行直接连接的输入接口DVI(Digital Visual Interface)，该接口采用全数字方式进行通讯，其最高带宽可达4.9Gbps，可有效解决计算机仿真数据的输出带宽问题。

(2)为实现与计算机通讯，系统拟采用RS-232串行接口以及DVI接口实现与计算机之间的通讯交互，包括系统调试、应用中的一些控制参数以及数据通讯。

(3)目前的探测器输出大多为单路，双路或四路的模拟信号输出，另外常包含数目不多的一些双向控制信号。本系统在模拟探测器输出环节，提供8路16位D/A转换分辨率的模拟输出接口，以及每路8根控制信号，其电平满足3.3LVTTL电平标准，该接口可以完全满足多种探测器的仿真应用。

(4)为方便使用，系统设计了一个满足视频标准(VGA)的模拟输出接口，对外可连接VGA显示设备，以便于进行输出图像的实时监控。

1.2软件组成

软件系统主要由两部分组成，分别为主控软件和红外成像特性模拟软件。软件系统的结构框图如2所示。

(1)主控软件：完成系统参数配置、系统工作过程控制与管理、图像播放、导引头视场图像生成、与外部设备的交互等任务。主控软件主要运行在主控计算机上。

(2)红外成像特性模拟软件：根据输入的大气环境以及红外成像系统参数，以输入的图像数据为处理对象，完成成像效应在图像上的模拟。红外成像特性模拟软件主要运行在红外探测系统模拟器上。

2、系统模块介绍

2.1、红外探测系统模拟器整体结构

红外探测系统模拟器整体结构如图4所示。系统主要由主控计算机与模拟器系统组成。主控计算机负责系统配置、系统运行监控、人机交互等任务；模拟器系统主要分为红外成像特性模拟子系统、红外探测器输出模拟接口以及接口模块三个部分。系统数据交互关系如图中的箭头所示。

系统与外部接口如图5所示：

2.2主控软件

主控软件主要包含控制台模块、图像播放模块两个部分，完成系统参数配置、系统工作过程控制与管理、图像播放、与外部设备的交互等任务。控制台模块、图像播放模块的描述和设计如下。

a)控制台模块

运行于控制计算机。主要完成系统参数配置、系统工作过程控制与管理、与外部设备的交互等任务。工作流程如下：首先通过人机交互接口以及与外部输入设备的接口，获取仿真模拟需求参数，而后根据要求分别对软件系统和硬件系统进行参数配置。在仿真模拟系统的工作过程中，全程监控系统工作，并通过可视化接口实现人机交互，将系统运行信息以及操作者关心的信息(尚未有完备定义)及时、准确的进行反馈，同时，通过特定的接口向外部设备反馈系统运行信息。控制台模块的软件流程图如图6所示。

b)图像播放模块

运行于主控计算机。主要完成向红外探测器模拟器的图像数据发送任务。图像播放模块的软件流程图如图7所示。

软件包含两个部分功能，即数据加载和数据播放。软件首先接受控制台模块的参数设置；进入工作状态后，先对指定的图像数据进行加载，而后将图像数据按照要求进行播放。

2.3红外成像特性模拟软件

红外成像特性模拟软件包含红外成像特性参数计算和红外成像特性模拟两个模块，下面分别给出其软件流程图。

a)红外成像特性参数计算模块

软件流程图如图8所示。

运行于主控计算机。根据要求的大气环境以及红外成像系统参数，计算用于模拟红外成像特性的参数，将获得的参数组织为适宜高速并行处理的格式，并完成相对于图像数据的参数格式匹配。

b)红外成像特性模拟软件

运行于FPGA并行高速处理系统。根据输入的红外成像特性参数，以输入的图像数据为处理对象，完成成像效应在图像上的模拟。

关于红外成像特性模拟，有两点需要说明：

头罩加热特性、成像系统空时传递特性、非线性的模拟在主控FPGA内完成，噪声、非均匀性在协处理FPGA内完成

红外成像系统成像特性模拟是本模拟系统的核心和特色之一。红外成像系统成像特性模拟逻辑复杂，运算量巨大，为实现高速、高精度的模拟，本系统设计了专门的数据处理结构和处理算法，在这里就不再详述，不同模拟器工作模式下的红外成像系统特性模拟处理由FPGA内的图像处理单元主要完成。其详细结构框图如9所示：

红外成像系统特性包括头罩气动加热、光学系统衰减、渐晕、像面照度分布、空间时间传递效应、噪声与非均匀性等。其中头罩气动加热是加性因子，光学系统衰减、渐晕、像面照度分布均为乘性的，可合成单一的乘性因子，这几个效应的模拟在光学系统响应特性模拟部分处理；空间时间传递效应采用模板运算方式模拟，在空时传递特性模拟部分进行处理；非线性响应为查表操作，噪声是加性因子，非均匀性是乘性因子，这两种效应在噪声与非均匀性特性模拟部分处理。

本装置的具体使用方法如下：

(1)初始化

(1a)将系统各部件正确安装摆放，进行设备连接；

(1b)系统上电；

(1c)将显卡设置为复制模式；

(2)模拟探测器工作方式配置

进行串口、探测器类型、图像分辨率、帧频、输出通道数、截屏起始点坐标以及模拟输出接口开闭的设置。通过主控软件，将配置发送给硬件；

(3)红外成像系统效应参数设置；

(3a)设置各项参数；

(3b)选取模板；

(3c)设置非线性响应度表；

(3d)设置非均匀性；

(3e)添加乘性因子：乘性噪声，数据量大小为(图像分辨率×16bit)，提供高斯分布数据生成模型；

(3f)添加加性噪声；

(3g)主控软件通过DVI接口，按照既定协议将计算好的参数发送给模拟器系统；

(3h)模拟器系统根据接收到的参数完成配置；

(4)发送命令进行仿真；

通过主控软件向模拟器系统发送开始仿真的指令，即可开始进行仿真；

模板的尺寸直接影响系统的处理速度，在保证系统帧频指标的情况下，模板的可选尺寸受限于图像分辨率，下面的例子可以作为一个参考：640×512图像、50fps下，模板尺寸不能大于15×15(16bit)；

查找表的大小为2¹⁶×16bit；

数据量为16Mbit，随机噪声，符合高斯分布；加性噪声的模拟方式为，首先直接预先生成1M×16bit噪声数据，添加噪声时，随机生成起始地址并依此顺序读取(图像大小×16bit)的数据作为当前帧将添加的加性噪声，随机起始地址可通过顺序读取噪声数据集的20bit数据获得。

在本装置中，系统的硬件平台由主控计算机和红外探测系统模拟器构成；有两种工作模式：连续播放模式、弹道模拟模式；主控计算机通过显卡向红外探测系统模拟器传输图像数据；控制台模块将红外成像特性模拟所需的参数传递给红外成像特性计算模块，图像播放模块将图像数据传递给红外成像特性模拟模块；

红外探测模拟器的使用方法如下：

a)连续播放模式

步骤1：在主控软件的监控下，红外成像特性模拟软件根据用户输入的条件参数要求，计算用于模拟红外成像特性的参数，并将获得的成像特性参数以查找表、模板等格式进行有效组织，使其适合高速并行处理，以提高模拟过程的运算速度和运算效率。

步骤2：主控软件完成红外探测系统模拟器配置(包括成像特性参数配置等)。同时，主控软件根据用户输入，完成模拟器高速图像传输接口配置(如帧频、分辨率、时序、指令格式等)以及红外探测器输出模拟输出接口参数的配置(如时序等)。

步骤3：主控软件根据用户输入，完成图像播放软件播放特性配置(播放内容、分辨率、帧频等)。

步骤4：在主控软件的监控下，图像播放模块、红外成像特性模拟软件以及相关接口交互控制软件协同工作。主控软件中的图像播放模块输出的图像数据经高速图像接口输入红外探测系统模拟器，在红外探测系统模拟器高速处理平台上，由红外成像特性模拟软件完成成像效应的模拟，而后通过红外探测器输出时序模拟接口，由数字格式转换为模拟量进行系统的最终输出。

b)弹道模拟模式

轨迹模拟模式与连续播放模式的工作过程相似，都是根据已知图像数据模拟探测器的输出。两者的最大差别是，在轨迹模拟模式下，由主控软件的播放组件为红外探测系统模拟器播放具有运动信息的图像序列以完成运动物体由远到近的整个过程的仿真。

以上所述，仅是本发明的较佳实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施方法揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：包括主控计算机和红外探测系统模拟器，所述红外探测系统模拟器由主处理FPGA、协处理FPGA、输出接口和电源系统构成，主处理FPGA通过DVI接口与主控计算机连接，主处理FPGA和协处理FPGA通过数据总线连接；多光谱红外探测模拟器装置还包括控制台模块、图像播放模块、红外成像特性计算模块和红外成像特性模拟模块，其中：

所述的控制台模块，运行于主控计算机，用于完成系统参数配置、系统工作过程控制与管理、与外部设备的交互的任务；

所述的图像播放模块，运行于主控计算机，用于完成向红外探测系统模拟器发送图像数据的任务；

所述的红外成像特性计算模块，运行于主控计算机，根据要求的红外成像系统参数，计算用于模拟红外成像特性的参数，将获得的参数组织为适宜高速并行处理的格式，并完成相对于图像数据的参数格式匹配；

所述的红外成像特性模拟模块运行于主处理FPGA，根据输入的红外成像特性参数，以输入的图像数据为处理对象，完成成像效应在图像上的模拟。

2.根据权利要求1所述的多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：所述主处理FPGA用于完成成像效应的模拟计算工作，包括头罩，光学系统，探测器性能特性的模拟计算；协处理FPGA完成非均匀性和噪声特性的模拟计算工作，同时协处理FPGA还完成对多种输出时序的模拟。

3.根据权利要求1所述的多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：主控计算机通过显卡向红外探测系统模拟器传输图像数据。

4.根据权利要求1所述的多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：所述主控计算机与主处理FPGA之间连接有单片机，主控计算机和单片机采用串行接口连接，单片机和主处理FPGA采用标准EMIF接口连接。

5.根据权利要求1所述的多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：所述输出接口包括8路16位D/A转换模拟输出接口。

6.根据权利要求1所述的多光谱红外探测模拟器装置，其特征在于：所述输出接口还包括VGA输出接口和备用LVDS格式的图像输出接口。