基于FPGA的小型星載非制冷紅外成像系統

　　摘 要： 根據內編隊重力場(chǎng)衛星紅外成像工作環(huán)境的溫度要求，選取了非制冷長(cháng)波紅外焦平面陣列探測器——UL 03 16 2，并在此基礎上進(jìn)行了系統的軟硬件設計。硬件電路采用了模擬電路和數字電路分離設計方案，以減小電路噪聲對紅外圖像的影響。在系統實(shí)現上，以?xún)惹禡ircoBlaze微處理器FPGA為主處理器，通過(guò)編程實(shí)現了圖像數據的獲取、處理和輸出以及整個(gè)系統各模塊的綜合管理，提高了系統的集成度和穩定性。

　　關(guān)鍵詞： 紅外焦平面陣列；成像系統；FPGA；圖像處理

　　采用內編隊衛星方式測量大地重力場(chǎng)，需要在內衛星所受非保守力引起的擾動(dòng)加速度小于1×10-11 m2/s的情況下測量?jì)韧庑l星的相對位置[1]，利用非接觸可見(jiàn)光測量帶來(lái)的光壓擾動(dòng)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(guò)分析得出，利用內衛星表面和外衛星腔體內表面的紅外發(fā)射率不同，采用三臺固定于外衛星腔體內表面的紅外相機對內衛星進(jìn)行拍攝，可解算出內外衛星的相對位置。

　　由于內編隊衛星的特殊性，要求該星載紅外相機的體積、質(zhì)量、功耗都很小。通過(guò)調研發(fā)現，現有的商業(yè)紅外相機很難達到上述要求，且無(wú)法滿(mǎn)足航天要求。而制冷型相機需要冷卻裝置將探測器冷卻到相當低的溫度，這增加了整個(gè)系統的功耗和復雜度。因此，研制一種小型星載非制冷紅外相機是實(shí)現內編隊衛星有效載荷需要首先解決的問(wèn)題?；谏鲜鲂枨?，本文通過(guò)分析內編隊重力場(chǎng)衛星的紅外成像環(huán)境，選用了合適的長(cháng)紅外焦平面陣列探測器，對非制冷紅外相機進(jìn)行了系統設計，并利用FPGA實(shí)現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處理算法以及整個(gè)系統的綜合管理。

　　1 非制冷紅外成像系統總體設計

　　本文設計的非制冷紅外成像系統主要由光學(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，系統構成框圖如圖1所示。紅外目標光線(xiàn)經(jīng)過(guò)紅外光學(xué)鏡頭聚焦在CCD探測器上，模擬電路部分提供CCD工作的基準電壓，CCD探測器在數字電路部分提供的掃描時(shí)序驅動(dòng)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(guò)高精度A/D采樣后生成數字圖像信號送入數字電路部分。數字電路部分實(shí)時(shí)完成各種圖像處理任務(wù)，并輸出處理后的圖像數據供PC機作后續處理或在電視機屏幕上顯示。

　　考慮到電路噪聲對紅外圖像信號的影響，本系統采用了數字電路和模擬電路分離設計思想，將數字電路和模擬電路設計在不同的電路板上，通過(guò)排針直接相連。它們之間只有數字信號的交互，這樣既可以減小數?；旌想娐返南嗷ジ蓴_性，也可以降低信號在傳輸線(xiàn)上的噪聲影響。模擬電路部分主要采用各類(lèi)電壓轉換芯片實(shí)現對CCD探測器基準電壓的設置。模數轉換芯片實(shí)現對探測器輸出模擬圖像信號的轉換以及處理后模擬圖像信號的輸出。數字電路部分以?xún)惹禡icroBlaze 32位微處理器軟核的FPGA為主處理器[2]，實(shí)現的功能主要包括CCD探測器時(shí)序生成、圖像處理算法、處理后的數字圖像信號輸出以及整個(gè)系統的綜合管理等[3]。