基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統(tǒng)

　　摘 要： 根據(jù)內(nèi)編隊(duì)重力場衛(wèi)星紅外成像工作環(huán)境的溫度要求，選取了非制冷長波紅外焦平面陣列探測器——UL 03 16 2，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。硬件電路采用了模擬電路和數(shù)字電路分離設(shè)計方案，以減小電路噪聲對紅外圖像的影響。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，以內(nèi)嵌MircoBlaze微處理器FPGA為主處理器，通過編程實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的獲取、處理和輸出以及整個系統(tǒng)各模塊的綜合管理，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞： 紅外焦平面陣列；成像系統(tǒng)；FPGA；圖像處理

　　采用內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星方式測量大地重力場，需要在內(nèi)衛(wèi)星所受非保守力引起的擾動加速度小于1×10-11 m2/s的情況下測量內(nèi)外衛(wèi)星的相對位置[1]，利用非接觸可見光測量帶來的光壓擾動在4×10-10 m2/s左右，已超出了非保守力的干擾要求范圍。通過分析得出，利用內(nèi)衛(wèi)星表面和外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外發(fā)射率不同，采用三臺固定于外衛(wèi)星腔體內(nèi)表面的紅外相機(jī)對內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行拍攝，可解算出內(nèi)外衛(wèi)星的相對位置。

　　由于內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星的特殊性，要求該星載紅外相機(jī)的體積、質(zhì)量、功耗都很小。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的商業(yè)紅外相機(jī)很難達(dá)到上述要求，且無法滿足航天要求。而制冷型相機(jī)需要冷卻裝置將探測器冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟?，這增加了整個系統(tǒng)的功耗和復(fù)雜度。因此，研制一種小型星載非制冷紅外相機(jī)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)編隊(duì)衛(wèi)星有效載荷需要首先解決的問題?；谏鲜鲂枨?，本文通過分析內(nèi)編隊(duì)重力場衛(wèi)星的紅外成像環(huán)境，選用了合適的長紅外焦平面陣列探測器，對非制冷紅外相機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，并利用FPGA實(shí)現(xiàn)了對焦平面陣列探測器芯片正常工作所需各種信號的控制和圖像預(yù)處理算法以及整個系統(tǒng)的綜合管理。

　　1 非制冷紅外成像系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本文設(shè)計的非制冷紅外成像系統(tǒng)主要由光學(xué)鏡頭、非制冷紅外焦平面陣列、控制電路、圖像處理和輸出電路組成，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。紅外目標(biāo)光線經(jīng)過紅外光學(xué)鏡頭聚焦在CCD探測器上，模擬電路部分提供CCD工作的基準(zhǔn)電壓，CCD探測器在數(shù)字電路部分提供的掃描時序驅(qū)動下以模擬電壓的方式逐行輸出每一像素點(diǎn)的灰度值。該模擬電壓信號經(jīng)過高精度A/D采樣后生成數(shù)字圖像信號送入數(shù)字電路部分。數(shù)字電路部分實(shí)時完成各種圖像處理任務(wù)，并輸出處理后的圖像數(shù)據(jù)供PC機(jī)作后續(xù)處理或在電視機(jī)屏幕上顯示。

　　考慮到電路噪聲對紅外圖像信號的影響，本系統(tǒng)采用了數(shù)字電路和模擬電路分離設(shè)計思想，將數(shù)字電路和模擬電路設(shè)計在不同的電路板上，通過排針直接相連。它們之間只有數(shù)字信號的交互，這樣既可以減小數(shù)模混合電路的相互干擾性，也可以降低信號在傳輸線上的噪聲影響。模擬電路部分主要采用各類電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對CCD探測器基準(zhǔn)電壓的設(shè)置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對探測器輸出模擬圖像信號的轉(zhuǎn)換以及處理后模擬圖像信號的輸出。數(shù)字電路部分以內(nèi)嵌MicroBlaze 32位微處理器軟核的FPGA為主處理器[2]，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括CCD探測器時序生成、圖像處理算法、處理后的數(shù)字圖像信號輸出以及整個系統(tǒng)的綜合管理等[3]。