CN107959800A - 一种基于fpga的非制冷红外热成像系统 - Google Patents

一种基于fpga的非制冷红外热成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，属于红外热成像技术领域。本发明包括红外探测模块的偏压信号输入端与偏压调制模块的输出端连接，偏压调制模块的输入端与FPGA模块的输出端连接，红外探测模块的信号输出端与模拟信号调制模块的输入端连接，模拟信号调制模块的信号输出端与FPGA模块的输入端连接，DDR3存储模块和FLASH存储模块与FPGA模块相互连接，FPGA模块的输出端与VIDEO输出模块和LVDS接口模块的输入端连接，针对现有技术的不足，可以实现自适应校正系数的小型化、低功耗、实时性高、图像质量清晰稳定，并对检测结果进行同步显示和分析，适用于手持便携设备、高速图像采集设备等一些特别的定制领域。

Description

一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统
技术领域
本发明具体涉及一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，属于红外热成像技术领域。
背景技术
红外热成像技术是利用红外探测模块探测目标物体的红外辐射，可以检测恶劣环境下的目标特征信息，在军事和民用等领域内有着广泛的应用。传统的红外热成像系统图像的非均匀校正方法上采用的是定点校正算法，这种方法虽然简单容易实现，但是一旦周围环境发生变化，需要重新定标，而基于场景的非均匀性校正算法可以随时修正相关校正系数，很好的解决这一问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，解决了现有技术中的不足，提供一种可以实现自适应校正系数的小型化、低功耗、实时性高、图像质量清晰稳定的非制冷红外热成像系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，包括红外探测模块、偏压调制模块、模拟信号调制模块、FPGA模块、DDR3存储模块、FLASH存储模块、VIDEO输出模块、LVDS接口模块；
所述红外探测模块的偏压信号输入端与偏压调制模块的输出端连接，偏压调制模块的输入端与FPGA模块的输出端连接，红外探测模块的信号输出端与模拟信号调制模块的输入端连接，模拟信号调制模块的信号输出端与FPGA模块的输入端连接，DDR3存储模块和FLASH存储模块与FPGA模块相互连接，FPGA模块的输出端与VIDEO输出模块和LVDS接口模块的输入端连接。
其中，所述红外探测模块采用非制冷红外焦平面探测器，非制冷红外焦平面探测器像素尺寸大小为17μm，面阵规模为640×480的UL04272-032。
其中，其特征在于：所述偏压调制模块由数模转换器和低噪声运算放大器构成。
其中，所述模拟信号调制模块由运算放大器、单端转差分电路和A\D转换器构成。
其中，所述FPGA模块采用的FPGA是Cyclone V系列中的5CSEBA6U19I7N芯片。
其中，所述DDR3存储模块采用的DDR3存储芯片是MT41J128M16JT。
其中，所述FLASH存储模块采用的FLASH存储芯片是N25Q512A13GF840。
其中，所述VIDEO输出模块采用数模转换器AD9705和视频滤波器ADA4430。
其中，所述LVDS接口模块采用LVDS信号驱动器DS90LV047。
本发明的有益效果为：一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，不仅体积小、功耗低、实时性高、算法可移植性高、能在恶劣环境下对被测目标进行实时检测，并利用硬件逻辑算法进行红外图像的基于场景的非均匀性校正，实现自适应的校正系数使成像质量清晰稳定，并对检测结果进行同步显示和分析，适用于手持便携设备、高速图像采集设备等一些特别的定制领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的红外探测模块的结构图。
图3为本发明的偏压调制模块中数模转换器的结构图。
图4为本发明的偏压调制模块中四个低噪声运算放大器的结构图；
其中(a)产生偏置电压VVSK，(b)产生偏置电压VGSK，(c)产生偏置电压VBUS，(d)产生偏置电压VGFID。
图5本发明的模拟信号调制模块中运算放大器的结构图。
图6为本发明的模拟信号调制模块中单端转差分电路的结构图。
图7为本发明的模拟信号调制模块中A\D转换电路的结构图。
图8为本发明的VIDEO输出模块的结构图。
图9为本发明的LVDS接口模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，包括红外探测模块、偏压调制模块、模拟信号调制模块、FPGA模块、DDR3存储模块、FLASH存储模块、VIDEO输出模块、LVDS接口模块；
所述红外探测模块的偏压信号输入端与偏压调制模块的输出端连接，偏压调制模块的输入端与FPGA模块的输出端连接，红外探测模块的信号输出端与模拟信号调制模块的输入端连接，模拟信号调制模块的信号输出端与FPGA模块的输入端连接，DDR3存储模块和FLASH存储模块与FPGA模块相互连接，FPGA模块的输出端与VIDEO输出模块和LVDS接口模块的输入端连接。
其中，FPGA模块采用Cyclone V系列中的5CSEBA6U19I7N芯片为FPGA处理器。FPGA模块的功能主要是完成对非制冷红外探测模块的偏压调制和时序控制以及A\D转换芯片工作的控制，还有相应的配置工作，并利用硬件逻辑算法对采集到的红外图像信号进行预处理，预处理包括图像的非均匀校正、盲元补偿、图像增强，最后完成模拟视频合成和LVDS转换后的输出。
其中，DDR3存储模块采用DDR3存储芯片MT41J128M16，FLASH存储模块采用FLASH存储芯片N25Q512A13GF840；在红外图像预处理过程中，DDR3存储器主要用来存储图像以及校正数据，FLASH存储器主要用来存储一些非均匀校正参数以及其他需要掉电存储的数据。
如图2所示，红外探测模块采用非制冷红外焦平面探测器是像素尺寸大小为17μm、面阵规模为640×480的UL04272-032。在偏压调制模块给定的偏置电压和FPGA模块配置的正确时序驱动下，非制冷红外探测模块吸收被测目标的红外辐射，并通过探测器内部的读出电路将采集包含有红外图像信息的模拟信号输出，并送入到模拟信号调制模块中进行处理。
在可选实施例中，如图3和图4所示，偏压调制模块采用数模转换器DAC7568和低噪声运算放大器ADA4004，其中数模转换器DAC7568的输入引脚SYNC、SCLK、DIN与FPGA处理器连接，数模转换器DAC7568的输出引脚VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTD分别与四个运算放大器的同向放大端连接，分别产生四路偏置电压VVSK、VGSK、VBUS、VGFID用于探测器内部读出电路，并通过调节探测器的输出斜率和偏置以获得不同响应度的红外图像信号。
在可选实施例中，如图5、图6和图7所示，模拟信号调制模块采用运算放大器OPA820、单端转差分芯片ADA4932和A\D转换器LTC2264。其中运算放大器的输入引脚3端与非制冷红外探测模块的输出引脚VIDEO连接，运算放大器中的输出引脚1端与单端转差分电路的IN-引脚连接，单端转差分电路的输出引脚OUT-和OUT+分别和A\D转换电路中输入引脚AIN+和AIN-连接，A\D转换电路的输出引脚D0-D13与FPGA处理器连接；模拟信号调制模块的主要作用是将探测器输出的模拟电压信号先经过运算放大器放大，在将放大后的单端信号转换成差分输出，最后经过A\D转换器转换成数字信号，并送至FPGA进行处理。
在可选实施例中，如图8所示，VIDEO输出模块采用数模转换器AD9705和视频滤波器ADA4430。数模转换器AD9705的输入引脚DB0-DB9以及时钟引脚CLK+与FPGA处理器连接，数模转换器将FPGA处理后的数字信号转换成模拟信号，经过视频滤波器ADA4430转换成NTSC视频格式输出，在具有NTSC接口的监视器上显示。
在可选实施例中，如图9所示，LVDS接口模块采用LVDS信号驱动器DS90LV047。LVDS信号驱动器DS90LV047的数据输入引脚IN1、IN2、IN3、IN4与FPGA处理器连接，FPGA处理后数字信号的红外视频图像经过LVDS接口输出，最终在液晶显示屏上显示视频图像。
本发明的工作原理及过程是：整个系统中FPGA处理器首先对非制冷红外探测器发送工作时钟、积分时间、积分电容、偏置电压参数及校正信号，为探测器正常工作提供偏置电压和正确的时序，探测器在正常工作的情况下输出模拟电信号，模拟电信号经过运算放大器放大，在将放大后的单端信号转差分输出，之后经过A\D转换电路转换为数字电信号送入到FPGA处理器中，FPGA处理器对送来的红外图像信号采用硬件逻辑算法进行基于流水线结构的红外图像预处理，这些处理包括基于人工神经网络算法的图像非均匀性校正、盲元补偿、图像增强等，在处理过程中，DDR3存储器用来存储图像数据，FLASH存储器用来存储一些非均匀校正参数以及其他需要掉电存储的数据，在完成各项时序控制和红外图像实时处理后，视频输出方式有模拟视频VIDEO输出和数字视频LVDS接口输出两种，VIDEO输出是经过D\A转换电路将处理后的数字信号转换成模拟信号，并且经过视频滤波器转换成NTSC视频格式输出，在具有NTSC接口的监视器上显示处理后的红外图像；另一种LVDS接口输出是FPGA处理后的红外视频图像经过LVDS信号驱动器后传输在液晶显示屏上显示。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于，包括红外探测模块、偏压调制模块、模拟信号调制模块、FPGA模块、DDR3存储模块、FLASH存储模块、VIDEO输出模块、LVDS接口模块；所述红外探测模块的偏压信号输入端与偏压调制模块的输出端连接，偏压调制模块的输入端与FPGA模块的输出端连接，红外探测模块的信号输出端与模拟信号调制模块的输入端连接，模拟信号调制模块的信号输出端与FPGA模块的输入端连接，DDR3存储模块和FLASH存储模块与FPGA模块相互连接，FPGA模块的输出端与VIDEO输出模块和LVDS接口模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述红外探测模块采用非制冷红外焦平面探测器，非制冷红外焦平面探测器像素尺寸大小为17μm，面阵规模为640×480的UL04272-032。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述偏压调制模块由数模转换器和低噪声运算放大器构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述模拟信号调制模块由运算放大器、单端转差分电路和A\D转换器构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述FPGA模块采用的FPGA是Cyclone V系列中的5CSEBA6U19I7N芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述DDR3存储模块采用的DDR3存储芯片是MT41J128M16JT。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述FLASH存储模块采用的FLASH存储芯片是N25Q512A13GF840。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述VIDEO输出模块采用数模转换器AD9705和视频滤波器ADA4430。
9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的非制冷红外热成像系统，其特征在于：所述LVDS接口模块采用LVDS信号驱动器DS90LV047。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112782555A (zh) * 2020-12-09 2021-05-11 中国电子科技集团公司第十一研究所 用于数字化红外探测器读出电路晶圆测试的电路板及装置

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