朱光明,張 巍,賈 贊,羅志斌,楊 帆,王 敏,朱洪洋,崔光德
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基于288×4探測器的掃描型熱像儀外同步實現(xiàn)方法的研究
朱光明,張 巍,賈 贊,羅志斌,楊 帆,王 敏,朱洪洋,崔光德
(昆明物理研究所,云南 昆明 650223)
討論了基于288×4探測器熱像儀外同步功能的局限,提出了一種將熱像儀掃描采樣流程與視頻輸出流程在時序上“脫鉤”的辦法,使熱像儀能夠與存在誤差的外同步信號同步,該方法已在某掃描型熱像儀上得到了實現(xiàn)。
288×4探測器;外同步;探測器積分周期
熱像儀是一種將熱圖像進行光電轉(zhuǎn)換并輸出視頻圖像的儀器。當(dāng)它與其他設(shè)備組成一個系統(tǒng),并相互配合工作時,需要與整個系統(tǒng)的運行“節(jié)奏合拍”。一般情況下,系統(tǒng)會統(tǒng)一向各組成部分提供一組外同步信號進行同步控制,故熱像儀需要具備相應(yīng)的同步功能。基于288×4探測器的掃描型熱像儀在國內(nèi)外被廣泛使用,選擇此型熱像儀實現(xiàn)外同步具有很高的實用價值。
法國SAGEM公司的IRIS熱像儀、THALES公司的SOPHIE和CATHERINE系列熱像儀、英國與德國合作的SYNERGI熱像儀等均使用288×4探測器[1],該探測器是針對輸出PAL制式的視頻圖像而設(shè)計的。這些熱像儀都具備相應(yīng)的外同步功能,現(xiàn)對法國SAGEM公司大量出口的CATHERINE-FC熱像儀進行分析。
CATHERINE-FC熱像儀具有基于模擬信號和數(shù)字信號的外同步功能。其模擬外同步接口要求輸入符合PAL制式的模擬視頻信號。同步過程如圖1所示。使用視頻同步分離芯片從模擬視頻信號中提取出數(shù)字化的復(fù)合同步信號作為熱像儀同步的基準。熱像儀將圖像處理后的數(shù)字視頻信號與提取出的復(fù)合同步信號進行時序同步后輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器,即可得到同步后的模擬視頻圖像。而對于數(shù)字外同步接口,則要求輸入符合PAL制式的數(shù)字視頻復(fù)合同步信號。在視頻同步時可以省去視頻同步分離芯片,而其他同步過程與模擬端類似。
復(fù)合同步信號由多個行同步、均衡和開槽脈沖信號組成,同步基準點較多,以該信號作為外同步信號進行的同步處理,具有實現(xiàn)原理簡單、同步性能優(yōu)越等優(yōu)點。在需要精確控制的伺服系統(tǒng)或要求嚴格匹配的圖像采集[2]、視頻跟蹤[3]、圖像疊加融合[4]系統(tǒng)中熱像儀采用此方法可獲得較好的同步效果。
圖1 熱像儀模擬接口同步原理
基于288×4探測器的熱像儀,早期主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,在武器系統(tǒng)設(shè)計時已對熱像儀的同步性能進行充分考慮。基于整個武器系統(tǒng)實時性和精確性的要求,通常采用標(biāo)準視頻信號作為系統(tǒng)的同步信號。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展,熱像儀規(guī)模化生產(chǎn)后成本的降低,基于288×4探測器的熱像儀逐漸開始應(yīng)用于森林防火、電力監(jiān)控和邊防巡邏等眾多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域內(nèi),當(dāng)前系統(tǒng)在設(shè)計時并沒有針對熱像儀進行適配,采用的同步信號類型也各不相同,對熱像儀外同步性能的要求也存在差異。這些民用系統(tǒng)在設(shè)計時更注重系統(tǒng)的兼容性,從而適當(dāng)放寬了對各部件的同步性能的要求。此類系統(tǒng)通常采用類似圖2的形式,使用一個周期為的脈沖信號作為同步信號。以脈沖信號的上升沿或下降沿作為同步的基準點或觸發(fā)點來使用,并且對周期的誤差容許范圍也比較大。
圖2 周期為T的同步信號
此類同步信號的信號形式與PAL制式視頻格式不一致,不能與以CATHERINE-FC為代表的熱像儀同步,即使采用轉(zhuǎn)接視頻同步生成器的方式(將圖2中的同步信號轉(zhuǎn)換為熱像儀可接收的視頻同步信號),也存在系統(tǒng)生成的同步信號精度不高,或同步信號在系統(tǒng)內(nèi)傳輸時受到干擾、傳輸線延遲過大、各部份信號接收阻抗不匹配等一系列問題,這些問題將導(dǎo)致同步信號的時間周期存在不可忽視的誤差。該誤差將導(dǎo)致視頻同步生成器產(chǎn)生的視頻同步信號與標(biāo)準視頻信號存在差異,使得熱像儀外同步功能失效,或者同步后熱像儀輸出圖像存在閃爍、滾動、黑屏等現(xiàn)象。所以,需要改變熱像儀的同步機制以適應(yīng)不同的系統(tǒng)需求。
掃描型熱像儀的主要特點在于使用線列探測器通過掃描的方式成像。線列探測器的拓撲結(jié)構(gòu)和掃描成像方式很大程度上決定了掃描型熱像儀輸出視頻圖像的分辨率。同時,熱像儀輸出的視頻圖像的顯示格式也受到外同步信號的制約。因此熱像儀外同步功能的實現(xiàn)需要將探測器拓撲結(jié)構(gòu)和掃描成像方式納入設(shè)計考量。
288×4探測器的拓撲結(jié)構(gòu)[5]如圖3所示,在垂直方向(方向)上有288個通道(每個通道含有4個像元)。為達到在方向上的完全覆蓋的目的,288個通道按奇偶順序左右放置。在掃描方向(方向),將4個像元的輸出按照時間延遲積分的形式完成累加,每一個積分周期結(jié)束后順序輸出288個通道的信號。
圖3 288×4探測器拓撲結(jié)構(gòu)圖
由于288×4探測器特殊的結(jié)構(gòu)形式,掃描后需要對探測器輸出的奇偶通道進行“對齊”處理,才能獲得正確的圖像。掃描型熱像儀是通過掃描器將所觀察的場景按時間順序依次“掃描”進探測器來實現(xiàn)掃描成像,可通過對奇通道的輸出信號延時若干個積分周期的方法,使奇通道與偶通道的輸出信號對齊。因此可以認為每一個積分周期探測器輸出一組288×1的線列圖像信號。
熱像儀通過控制掃描電機帶動掃描反射鏡轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對場景的掃描,并將該場景反射到探測器上。與此同時,探測器在積分信號的控制下進行光電轉(zhuǎn)換及時間延遲積分并輸出列形式的圖像信號。當(dāng)掃描電機完成一個掃描周期的工作后,將探測器輸出的各列圖像信號進行拼接并做相應(yīng)圖像處理,可得到一幅所觀察場景的熱圖像。而掃描運動曲線、掃描效率和探測器積分周期之間的相互匹配程度將直接影響到掃描成像的效果。
掃描型熱像儀大多采用控制精度高的有限轉(zhuǎn)角無刷直流力矩電機[6]作為掃描電機,其掃描運動曲線如圖4所示。掃描電機的工作特點為:在一個掃描周期(0)內(nèi)保證一段時間(0)的勻速轉(zhuǎn)動工作,以獲得連續(xù)的掃描場景,得到無畸變的熱圖像;并在較短非線性區(qū)域內(nèi)完成掃描電機的復(fù)位,為下一個周期的線性掃描做好準備。
圖4 掃描運動曲線
在此可定義上文中的掃描電機勻速轉(zhuǎn)動時間與掃描周期的比值為掃描效率。設(shè)掃描效率為,則可表示為:
=0/0
熱像儀輸出的視頻圖像由探測器拓撲結(jié)構(gòu)及其延時積分機制、掃描電機的掃描效率及其線性度、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、以及輸出視頻需滿足的顯示格式要求共同決定。基于288×4探測器的熱像儀輸出的視頻格式遵循PAL制式的格式要求,將連續(xù)兩場掃描的圖像使用隔行顯示的方式合并為一幀視頻圖像。在水平方向,理論上需要在線性掃描區(qū)域內(nèi)輸出768列對齊的圖像。從探測器拓撲結(jié)構(gòu)圖可算出,在每通道的4個像元完成積分后,將奇偶通道輸出的信號進行對齊,至少需要延遲[(383-25)×3]/43≈25個積分周期來實現(xiàn)。所以在線性掃描范圍內(nèi),探測器理論上最少需要進行768+25=793次積分才能輸出一場完整的圖像。若設(shè)探測器積分周期為,則其理論值為:=(×0)/973。
現(xiàn)有的高線性大擺角掃描器[7]可在50Hz的掃描頻率下,±10°的掃描幅度內(nèi),達到85%的掃描效率。在對探測器積分周期和運行時鐘進行設(shè)定時,以不超過掃描效率為前提進行約束,可用如下方法進行計算:采用該掃描器的熱像儀的掃描周期為20ms,其探測器的理論積分周期為(20×85%×1000)/793≈21.44ms。若根據(jù)288×4探測器手冊[2],探測器積分周期至少應(yīng)包括76個探測器運行時鐘周期,可估算出滿足成像要求的最小探測器運行時鐘頻率為76/21.44≈3.54MHz。實際工程應(yīng)用中,很難使用有限的元器件資源合成任意頻率的時鐘信號,一般將晶振產(chǎn)生的時鐘信號通過分頻或倍頻處理后使其頻率接近理論計算值即可??墒褂猛ㄟ^36MHz的晶振10分頻得到的3.6MHz(>3.54MHz)的時鐘信號作為探測器運行時鐘。由于探測器為4路輸出,則熱像儀圖像處理時的像素時鐘頻率為3.6×4=14.4MHz。若熱像儀輸出的視頻像素時鐘也采用同一頻率,則視頻顯示范圍內(nèi)的水平分辨率為14.4×52≈749,而探測器積分周期也將隨之改變。最終基于實際應(yīng)用的考慮,探測器積分周期為79/3.6≈21.94ms,輸出視頻分辨率為749×576,滿足熱像儀實際需求的掃描效率為:
從上述計算可以看出,熱像儀輸出的視頻受到眾多因素的影響,需對各方面的因素進行綜合考量,最終得到優(yōu)化組合的使用參數(shù)。而由于外同步功能的引入,代入了新的影響因素,對參數(shù)的優(yōu)化組合提出了新的適應(yīng)性要求。
若外同步信號周期的誤差為±0.1%,將其代入系統(tǒng)設(shè)計,則首先需要考慮誤差對掃描周期造成的影響。掃描周期可分為線性掃描區(qū)域和非線性掃描區(qū)域兩個部份,±0.1%的周期誤差不論放在那個區(qū)域都會對最終的圖像質(zhì)量造成影響。
若將周期誤差引入非線性掃描區(qū)域,由于掃描系統(tǒng)總是最大限度地縮小非線性掃描區(qū)域以提高掃描效率,同時在非線性掃描區(qū)域內(nèi)掃描電機需要完成減速、轉(zhuǎn)向、快速回掃、再次減速和轉(zhuǎn)向等一系列運動。掃描電機大部分時間都處于極限工作狀態(tài),可調(diào)控的余量不多。一旦周期誤差超出掃描系統(tǒng)的允許范圍,掃描電機將會出現(xiàn)不穩(wěn)定,甚至失控狀況,如圖5所示。
綜上所述,由于外同步周期誤差的引入,打破了掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài),同時由于其誤差的不確定性,導(dǎo)致掃描系統(tǒng)很難重新建立起新的可靠運行體系,從而使得掃描型熱像儀對外同步信號適應(yīng)性較窄,無法滿足不同系統(tǒng)的要求。
對于實時性要求不高的系統(tǒng),其允許的外同步誤差范圍較大,外同步信號形式簡單易于捕捉。此類系統(tǒng)具有優(yōu)秀的兼容能力,能夠?qū)⒏嗟脑O(shè)備納入系其控制范圍。而掃描型熱像儀由于掃描成像機制的制約,很難通過調(diào)整熱像儀系統(tǒng)的時序關(guān)系來跟蹤實時變化的外同步信號。本文使用將熱像儀掃描采樣流程與視頻輸出流程在時序上“脫鉤”的辦法來解決上述問題。
將2.2節(jié)中優(yōu)化組合后的參數(shù)設(shè)置于掃描采樣流程中,并以20ms為周期穩(wěn)定運行;視頻輸出流程則按照外同步周期的要求,完成視頻圖像輸出時序的調(diào)整;這樣就實現(xiàn)了上述兩個流程在運行周期上的“脫鉤”。由于這兩流程都運行在同一個時鐘(即像素時鐘)頻率上,若它們的周期時間長度一致,則可在外同步開始時,通過對熱像儀掃描圖像處理系統(tǒng)進行重新置位的方式,使熱像儀工作時序與外同步基準點一致,即可實現(xiàn)視頻輸出的同步。若它們的周期時間長度由于系統(tǒng)誤差的原因存在差異,可以通過“繞圈追逐”的方式,讓周期短的一方“追逐”周期長的一方,待雙方差距累計到20ms(即“一圈”)時,通過舍棄或重復(fù)一場圖像數(shù)據(jù)的方法實現(xiàn)雙方差距的清零,然后繼續(xù)維持“繞圈追逐”的方式運轉(zhuǎn),這樣就可以在不影響熱像儀成像的情況下實現(xiàn)視頻輸出的同步。
要在熱像儀上實現(xiàn)“繞圈追逐”的方法,需要在其圖像處理進程中增加一個視頻同步模塊(如圖6所示)。該模塊的作用是緩存掃描圖像數(shù)據(jù),并按照外同步信號的要求輸出視頻圖像。視頻同步模塊由一個512k×8bit的雙端口存儲器和一個控制器構(gòu)成??刂破鞑倏卮鎯ζ髌渲幸粋€端口,將掃描結(jié)束后緩存的一場圖像數(shù)據(jù)以每行749個像素(已完成奇偶通道對齊)的形式按行順序?qū)懭氪鎯ζ?。?dāng)控制器被外同步基準點觸發(fā)時,配合輸出視頻的時序以行順序在存儲器的另一個端口讀出圖像數(shù)據(jù)。最終將讀出的圖像數(shù)據(jù)與復(fù)合同步信號進行時序匹配后,即可輸出同步的視頻信號。由于對存儲器的讀寫都運行在同一個像素時鐘頻率下,視頻同步模塊實現(xiàn)的難點僅限于控制器在到達“追逐”臨界點時對存儲器的同一個地址同步進行讀寫的處理方式上。若寫入周期和讀出周期相等,則不存在“追逐”的情況,所以僅就寫入周期與讀出周期存在差異的情況進行分析。
圖5 掃描電機的不穩(wěn)定和失控狀態(tài)
Fig.5 Scanning motor in lost-stability and lost-control
當(dāng)按掃描周期寫入的時間大于按外同步周期讀出的時間時,用如圖7所示的方法處理。
圖7中的A、B、C、D代表按掃描周期寫入圖像數(shù)據(jù)的時間段,a、b、c、d、e代表從存儲器中按外同步周期讀出圖像數(shù)據(jù)的時間段。由于按掃描周期寫入的時間較按外同步周期讀出的時間長,則可視為讀出周期在“追逐”寫入周期。當(dāng)按掃描周期寫入的B周期開始時,按外同步周期讀出的b周期也同時開始讀出數(shù)據(jù),則讀出周期b此時追上了寫入周期B,到達“追逐”的臨界點。由于控制器對寫入和讀出操作的速率相等,則其可以在B周期寫入圖像數(shù)據(jù)的同時,將圖像數(shù)據(jù)直接賦值到存儲器讀出端的數(shù)據(jù)輸出口,即在讀出的b周期內(nèi)不從存儲器內(nèi)讀出數(shù)據(jù),而直接使用存儲器寫入端的數(shù)據(jù)。而在讀出的c周期開始時,寫入端C周期的圖像數(shù)據(jù)還未到達,所以讀取的是B周期寫入存儲器的圖像數(shù)據(jù)作為當(dāng)前場的數(shù)據(jù)輸出,這樣在輸出的視頻數(shù)據(jù)中將有兩場相同的圖像數(shù)據(jù)先后顯示。而在其它未達到臨界點的周期時間內(nèi),按外同步周期讀出的圖像數(shù)據(jù)都是由按掃描周期事先寫入存儲器的,在圖7中表示為A對應(yīng)a、C對應(yīng)d、D對應(yīng)e的寫入與讀出之間的關(guān)系。
當(dāng)按掃描周期寫入的時間小于按外同步周期讀出的時間時,用如圖8所示的方法處理。
圖8中H、I、J、K、L代表按掃描周期寫入圖像數(shù)據(jù)的時間段,h、i、j、k代表從存儲器中按外同步周期讀出圖像數(shù)據(jù)的時間段。由于按掃描周期寫入的時間較按外同步周期讀出的時間短,則可視為寫入周期在“追逐”讀出周期。當(dāng)按外同步周期讀出的j周期開始時,按掃描周期寫入的K周期也同時開始向存儲器寫入數(shù)據(jù),則寫入周期此時追上了讀出周期,到達“追逐”的臨界點。由于控制器對寫入和讀出操作的速率相等,則其可以在K周期寫入圖像數(shù)據(jù)的同時,將圖像數(shù)據(jù)直接賦值到存儲器讀出端的數(shù)據(jù)輸出口,即在讀出的j周期內(nèi)不從存儲器內(nèi)讀出數(shù)據(jù),而直接使用存儲器寫入端的數(shù)據(jù)。而在讀出的k周期開始時,寫入的L周期已對存儲器進行了一段時間的操作,于是讀取L周期寫入的圖像數(shù)據(jù)作為視頻數(shù)據(jù)輸出。由圖8還可看出,按掃描周期寫入的J周期的圖像數(shù)據(jù)沒有被讀出顯示就被K周期寫入的圖像數(shù)據(jù)覆蓋,視頻同步模塊對J周期的圖像數(shù)據(jù)做舍棄處理。而在其它未達到臨界點的周期時間內(nèi),按外同步周期讀出的圖像數(shù)據(jù)都是由按掃描周期事先寫入存儲器的,在圖8中表示為H對應(yīng)h、I對應(yīng)i的寫入與讀出之間的關(guān)系。
圖6 “追逐同步”實現(xiàn)原理
Fig.6 Theory of “chasing synchronization”
圖7 寫入周期大于讀出周期
Fig.7 Writing period longer than reading period
圖8 寫入周期小于讀出周期
Fig.8 Writing period shorter than reading period
3.1節(jié)討論的同步方法已經(jīng)在某熱像儀上使用FPGA實現(xiàn),其軟件設(shè)計框圖如圖9所示。
FPGA對輸入的外同步信號進行檢測,一旦檢測到外同步基準點就開始以計數(shù)的方式對外同步周期長度進行測量計數(shù),當(dāng)檢測到下一個外同步基準點時,在保存計數(shù)結(jié)果后對計數(shù)器清零,并重新對下一個外同步周期長度進行測量。FPGA對保存的計數(shù)結(jié)果進行判斷,若測量到的外同步周期長度在熱像儀的同步能力范圍之內(nèi),則運行熱像儀同步進程,否則熱像儀將按照自身的時序規(guī)格輸出視頻信號,并告知外部系統(tǒng)熱像儀外同步功能失效。
熱像儀同步進程開始后,在第一個外同步基準點對熱像儀掃描和圖像處理系統(tǒng)進行重置,使熱像儀內(nèi)各部分都有一個新的起點。然后按照3.1節(jié)提出的外同步實現(xiàn)原理,通過對雙端口存儲器讀寫地址的比較來判斷圖像寫入和視頻讀出之間的“追逐”關(guān)系,當(dāng)讀寫地址不同時,視頻輸出模塊將輸出從雙端口存儲器中讀出的圖像數(shù)據(jù);當(dāng)讀寫地址相等時,視頻輸出模塊將當(dāng)前場的圖像數(shù)據(jù)直接作為視頻數(shù)據(jù)輸出;故無論讀寫地址是否相同,熱像儀都可輸出同步后的視頻信號。
圖9 外同步運行流程
為驗證“追逐同步”方法在掃描型熱像儀上的運行情況,泰克公司的AFG 320任意函數(shù)發(fā)生器作為外同步信號的信號源,泰克公司的DPO 7254示波器作為視頻信號同步的檢測設(shè)備,JVC公司的TM-H150CG作為熱像儀輸出視頻圖像的觀察設(shè)備,整個實驗平臺如圖10所示。
圖10 實驗平臺
首先,使用任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入以20ms為周期的方波作為外同步信號。熱像儀輸出的視頻圖像在監(jiān)視器上顯示正常,同時可以從示波器上觀察到熱像儀輸出的模擬視頻信號、外同步信號和掃描器位置反饋信號處于同步狀態(tài),同步波形如圖11所示。
圖11 外同步信號周期為20ms的同步狀態(tài)
其次,使用任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入的以20ms±2ms為周期的方波作為外同步信號。熱像儀輸出的視頻圖像在監(jiān)視器上顯示正常,同時從示波器上觀察到熱像儀輸出的模擬視頻信號與外同步信號處于同步狀態(tài),而與掃描器位置反饋信號則處于“脫鉤”狀態(tài),熱像儀中的“追逐同步”算法運行狀態(tài)良好。同步波形如圖12所示。
最后,通過任意函數(shù)發(fā)生器向熱像儀輸入的以20ms±16ms為周期的方波作為外同步信號。因為此時熱像儀輸出的視頻信號已不符合PAL制式視頻格式標(biāo)準,超出監(jiān)視器的顯示能力范圍,故其輸出的視頻圖像已不能在監(jiān)視器上正常顯示,出現(xiàn)滾屏及閃屏等現(xiàn)象。
為保證熱像儀在工作狀態(tài)下能夠輸出可正常顯示模擬視頻圖像,需要針對周期誤差超過±2ms以上的外同步信號在同步時做特殊處理:若以20ms為周期的外同步信號出現(xiàn)周期誤差超出±2ms以上的情況,熱像儀模擬視頻圖像輸出將放棄與外同步信號同步,改為與內(nèi)部掃描系統(tǒng)同步,以實現(xiàn)模擬視頻圖像的正常顯示;同時由于數(shù)字視頻信號有比模擬視頻信號更廣泛的適應(yīng)范圍,將數(shù)字視頻信號與掃描器位置反饋信號“脫鉤”,使用“追逐同步”方法實現(xiàn)數(shù)字視頻信號與外同步信號的同步,即模擬視頻信號與掃描器位置反饋信號同步,數(shù)字視頻信號與外同步信號同步,如圖13所示。
圖12 外同步信號周期為20ms+2ms的同步狀態(tài)
圖13 同步誤差大于2ms的同步情況
本文所采用的外同步方法提高了基于288×4探測器熱像儀的同步能力。在確保積分周期與掃描速度相互匹配的同時,使熱像儀的外同步性能可適應(yīng)更廣泛的系統(tǒng)需求。當(dāng)外同步信號誤差過大時,則將某場的視頻圖像進行重復(fù)或舍棄處理。本方法還可以對不同的視頻顯示規(guī)格進行調(diào)整,從而適用于采用240×4、480×6或576×6等探測器的掃描型熱像儀。
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Research on Implementation of External Synchronization in Scanning Thermal Imager Based on 288×4 Detector
ZHU Guang-ming,ZHANG Wei,JIA Zan,LUO Zhi-bin,YANG Fan,WANG Min,ZHU Hong-yang,CUI Guang-de
(,650223,)
This paper discusses the limitation of external synchronization in thermal imager based on 288×4 detector, and develops a solution to make thermal imager synchronized with an external sync signal which has an uncertain sync error. This solution decouples the procedure of scanning and sampling from the procedure of video output, which has been achieved in some scanning thermal imager already.
288×4 detector,external synchronization,integration cycle of detector
TN216
A
1001-8891(2015)03-0240-08
2014-08-19;
2014-11-20.
朱光明(1981-),男,本科,主要研究方向:紅外圖像處理。E-mail:35313509@qq.com。