丁萬成，野 超，趙 剡

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009； 2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

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探測器前放組合件測試系統(tǒng)設(shè)計

丁萬成1，野 超2，趙 剡2

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009； 2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

利用虛擬儀器技術(shù)可以實現(xiàn)對探測器前放組合件測試系統(tǒng)等高精度測試系統(tǒng)的開發(fā)；系統(tǒng)以工控機為主控平臺,結(jié)合自研的圖像采集與處理單元、切換控制單元，利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW2011，實現(xiàn)對單個前放模塊常溫測試，對兩發(fā)探測器前放組合件同時進行高低溫、常溫測試；對探測器盲元的檢測做了詳細的說明和分析；通過現(xiàn)場實際使用，證明了該系統(tǒng)測試精度高，完全滿足了微弱小信號的測試，自動化程度高，測試速度快，實現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)、圖表、圖像的采集、保存和回放。

紅外探測器；前置放大器；盲元；LabVIEW；測試系統(tǒng)

0 引言

紅外探測器是實現(xiàn)導(dǎo)彈紅外制導(dǎo)的核心組件，前置放大電路是紅外探測器處理電路的重要組成部分，它把從讀出電路中獲取的微弱電信號放大后傳輸給后面的處理電路[1]，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的探測精度。

對探測器前放組合件的檢測，以往由于缺乏合適的通用設(shè)備，通常采用外接連線、分路測試、人工插拔的方式進行，這種測量方法存在反復(fù)插拔，易引起連接不可靠，在非屏蔽狀態(tài)下測試易受外界電磁波干擾及操作復(fù)雜工作效率低三大弊端。而且，這種測試方法，經(jīng)常出現(xiàn)測試不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定的情況，需要花費大量精力來查找探測器前放組合件和測試系統(tǒng)的問題。鑒于上述情況，研制探測器前放組合件測試系統(tǒng)，對提高檢測的準(zhǔn)確性、可靠性、快速性意義重大。

1 系統(tǒng)方案介紹

探測器前放組合件測試系統(tǒng)主要由主控計算機、圖像數(shù)據(jù)采集與處理單元、切換單元、面源黑體等部分構(gòu)成。相互之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 探測器前放組合件測試系統(tǒng)整體示意圖

電源通過切換單元給被測探測器組合件供電，溫箱為測試提供高低溫測試環(huán)境，供氣單元給探測器供氣制冷，面源黑體提供面源目標(biāo)，完成等效噪聲溫差、盲元率等測試。

探測器將目標(biāo)紅外圖像傳遞給圖像板，進過初步處理后以LVDS形式輸出，圖像數(shù)據(jù)采集與處理單元將LVDS圖像采集并存儲，通過PCI總線傳給上位機，上位機對這些圖像數(shù)據(jù)處理，利用仿真器可以對圖像板的工作點進行燒寫。

探測器組合件進行電壓測試，被測結(jié)果通過切換單元，傳遞給萬用表，萬用表將測得電壓通過RS232發(fā)送給上位機。探測器組合件的被測波形，通過切換單元，傳遞給示波器，示波器將采集到的波形通過USB發(fā)送給上位機，上位機將對波形數(shù)據(jù)保存、處理、分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 圖像采集與處理單元

圖像數(shù)據(jù)采集與處理單元板卡采用FPGA加DSP結(jié)構(gòu)，選用PCI總線通訊，其功能框圖見圖2。主要分為供電模塊、FPGA模塊、DSP模塊及接口電平轉(zhuǎn)換與阻抗變換模塊。

供電部分主要為圖像數(shù)據(jù)采集與處理單元的各個模塊供電，DSP芯片大部分采用低電壓供電方式，并且采用內(nèi)核電壓和I/O電壓分開的方式。DM642芯片的工作電壓為3.3 V和1.4 V。其中，1.4 V是為該器件的內(nèi)核供電的電壓，包括CPU和所有的外設(shè)邏輯。外部I/O仍然采用3.3 V電壓，這樣可以直接與外部低壓器件連接。

圖2 圖像采集與處理單元功能框圖

FPGA部分主要實現(xiàn)對LVDS圖像信號的采集和預(yù)處理還有自檢中LVDS模擬信號的生成。LVDS 信號接收部分主要接收外部的LVDS 圖像數(shù)據(jù)幀，檢出幀頭，并將幀數(shù)據(jù)傳送給FIFO以便DSP進行處理，一個數(shù)據(jù)幀包含16 bit的幀頭和128×128 bit 的幀數(shù)據(jù)。解串后的數(shù)據(jù)送入FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，用于與DSP的交互[2]。

DSP的DM642部分主要實現(xiàn)圖像預(yù)處理算法、圖像的緩存和通過PCI接口實現(xiàn)與主機的交互。DSP通過EMIF接口與FPGA的FIFO部分相連，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，并進行圖像預(yù)處理算法。另外選用了一款64 MB的SDRAM做為緩沖區(qū)。DSP通過內(nèi)部的EDMA控制器實現(xiàn)集成的PCI接口控制器與DSP的接口。

除此之外，圖像數(shù)據(jù)采集與處理單元還包括時鐘電路，JTAG接口和擴展的外部FLASH存儲器。在DSP加FPGA系統(tǒng)中，時鐘電路是處理數(shù)字信息的基礎(chǔ)，同時它也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)是否正常運行，所以時鐘電路在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中占有至關(guān)重要的地位。設(shè)計中，需要多個時鐘輸入，而且對時鐘質(zhì)量要求很高，所以從時鐘質(zhì)量和成本兩方面折中考慮，也為了將來系統(tǒng)穩(wěn)定運行后可以方便的提高頻率，本設(shè)計選取了晶振電路的方式來設(shè)計時鐘電路[3]。其中FPGA采用20 MHz晶振，DSP采用50 MHz晶振，通過DSP內(nèi)部PLL實現(xiàn)高達600 MHz的主頻。設(shè)計中擴展了2 M字節(jié)的外部程序FLASH，以此實現(xiàn)對DSP程序的存儲。

2.2 切換控制單元

切換控制單元由單片機STM32控制繼電器的通斷，完成整個測試邏輯控制，配合數(shù)字多用表和示波器完成電流、電壓、噪聲的測量及相關(guān)波形的分析。另外，切換控制單元通過SPI接口對圖像參數(shù)板進行程序燒寫；通過控制氣源電磁閥的關(guān)閉，對產(chǎn)品進行供氣或者斷氣。

所有開關(guān)采用歐姆龍繼電器，并且繼電器和切換單元所有元器件單獨供電，與被測信號絕緣無電的聯(lián)系，盡量減少對被測信號的干擾，確保弱信號在數(shù)字萬用表中實現(xiàn)高精度的測量。測試信號線采用屏蔽線，以免電磁干擾，來達到系統(tǒng)的測試精度要求[4]。電壓取樣由萬用表探頭直接實現(xiàn)，而電流取樣將根據(jù)對象的具體接口功能與性能接入電阻實現(xiàn)。切換控制單元設(shè)計示意圖見圖3。

圖3 切換控制單元卡示意圖

自檢自校模塊是模擬和仿真探測器前放組合件和前放模塊的輸出信號和控制信號，將這些信號接到測試端口，進行無產(chǎn)品在回路中程序調(diào)試、設(shè)備狀態(tài)檢測和校核，使設(shè)備處于一種仿真工作狀態(tài)，按照正常產(chǎn)品測試流程實現(xiàn)測試的全過程，檢測設(shè)備各種測試控制程序的運行是否正確。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是基于Windows平臺，采用圖像化編程軟件LabVIEW作為開發(fā)工具，以圖表的形式完成測試所需的全部功能。

上位機軟件總體界面分為六個部分：自檢，組合件測試，前放模塊測試，參數(shù)板的程序燒寫，生成測試報告，圖像波形數(shù)據(jù)回讀，遠程通訊，參數(shù)設(shè)置(管理員)。自檢程序可以完成儀器設(shè)備的自檢和圖像的自檢；組合件測試完成對組合件常溫、高低溫下的測試；前放模塊測試完成對前放模塊常溫下的測試；參數(shù)板的程序燒寫，完成對參數(shù)板Flash芯片的程序燒寫；生成測試報告完成Excel表格的生成；遠程通訊接受測試任務(wù)，完成向遠程數(shù)據(jù)庫傳輸測試結(jié)果；參數(shù)設(shè)置(管理員)完成對限制電壓電流上限，測試結(jié)果合格范圍，波形顯示時間等參數(shù)的修改?？傮w界面功能圖如圖4所示。

圖4 總體界面功能圖

4 盲元檢測

4.1 滑動窗口檢測法

傳統(tǒng)的滑動窗口檢測法是以待檢像元為中心取一個(2n+1)×(2n+1)的窗口，以窗口內(nèi)所有像元均值作為閾值，以此判斷中心像元是否為盲元?；瑒哟翱诰唧w檢測時，采用中心像元周圍的像元進行檢測，通過求解周圍像元灰度值的均值來判斷中心像元是否是盲元[5]，滑動窗口示意圖如圖5所示。

Bi-1,j-1(n)Bi-1,j(n)Bi-1,j+1(n)Bi,j-1(n)Bi,j(n)Bi,j+1(n)Bi+1,j-1(n)Bi+1,j(n)Bi+1,j+1(n)

圖5 3×3 的滑動窗口示意圖

采用滑動窗口對紅外圖像進行檢測盲元時，窗口的大小的選取對盲元檢測結(jié)果有一定的影響。最小為3×3的窗口[6]，窗口越小，相對檢測到的盲元數(shù)量越少，越容易出現(xiàn)檢測偏差。當(dāng)窗口大小選取不同時，檢測結(jié)果也不同，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 檢測結(jié)果圖

滑動窗口檢測法對于離散的散點盲元具有很好的檢測效果，能夠分辨離散盲元與周圍正常像元。但是對于連續(xù)的盲元點，則很難進行判斷，會將一部分的連續(xù)盲元誤判為正常像元，從而導(dǎo)致出現(xiàn)漏檢問題。所以3×3的窗格適用于成像質(zhì)量較高的紅外圖像的盲元檢測。

4.2 高低溫檢測法

滑動窗口檢測法對于檢測連續(xù)盲元效果較差，所以采用一種高低溫檢測法進行盲元檢測，通過實驗發(fā)現(xiàn)能夠得到更好的檢測結(jié)果。

盲元在不同溫度下的響應(yīng)特性上與正常像元有很大的差異。正常像元在一定動態(tài)范圍內(nèi)是呈線性變化，并且隨著溫度的升高其響應(yīng)灰度值也增大[7]。其中正常像元、過熱像元和死像元的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 盲元響應(yīng)特性曲線

如前所述，盲元響應(yīng)特性與正常像元響應(yīng)特性相比，其響應(yīng)值基本不隨溫度的升高而增加，過熱像元維持在一個較高的灰度值而死像元維持在一個較低的灰度值。因此利用這個特點，分別在低溫和高溫上測量其響應(yīng)數(shù)據(jù)，將這兩組數(shù)據(jù)的每一個像元的灰度值進行處理，差值與一個閾值做比較，如果大于該閾值即為正常像元，小于該閾值則可判為盲元[8]。其具體步驟如下：

1)將黑體溫度調(diào)整到低溫TL，待黑體溫度穩(wěn)定后，采集并保存探測器輸出圖像數(shù)據(jù)Yi,j(TL)，結(jié)果如圖8(a)所示；

2)將黑體溫度調(diào)整到高溫TH，待黑體溫度穩(wěn)定后，采集并保存探測器輸出圖像數(shù)據(jù)Yi,j(TH)，結(jié)果如圖8(b)所示；

3)計算測得的高低溫響應(yīng)差值:

(1)

4) 設(shè)定閾值δ，判斷盲元。如果ΔYi,j<δ，表示像元(i，j)為盲元；如果ΔYi,j>δ，表示像元(i，j)為正常像元，結(jié)果如圖8(c)所示。

圖8 檢測結(jié)果圖

(2)

式中,k為比例因子，通常根據(jù)各像元對高低溫的實際響應(yīng)數(shù)據(jù)及盲元定義的臨界值進行多次修正，以獲取最佳盲元檢測效果[10]。

5 系統(tǒng)測試精度

測試系統(tǒng)的電壓、電流、噪聲測試結(jié)果見表1。從表中可以

表1 系統(tǒng)校準(zhǔn)表

看出，電壓測試達到了0.1 mV,完全滿足1 mV的技術(shù)要求，電流測試達到了0.01 mA,完全滿足0.1 mA的技術(shù)要求，噪聲的測試精度在6 μV之內(nèi)，也滿足30 μV的技術(shù)要求。通過對系統(tǒng)的校準(zhǔn)，充分說明的系統(tǒng)的測試精度高。

6 結(jié)語

應(yīng)用實踐證明該測試系統(tǒng)不僅性能穩(wěn)定、測試精度高、測試速度快，自動化程度高，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲，盲元等干擾因素進行補償和消除，使測試系統(tǒng)得到進一步的完善。

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Design of Detector Preamplifier assembly Test System

Ding Wancheng1，Ye Chao2，Zhao Yan2

(1.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009, China；2.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University，Beijing 100191，China)

A detector preamplifier assembly test system is introduced by using virtual instrument technology. The system takes IPC as the hosting platform, jointly with image acquisition and processing unit, switching control unit and virtual instrument software Labview2011. Therefore temperature test of single preamplifier module as well as high-low temperature test and temperature test of two detector preamplifier assemblies simultaneously can be realized. Detection to blind detector element has been given a detailed description and analysis. Through actual application on site, we can demonstrate that the system has a high precision, which satisfy the weak small signal testing adequately. In addition, the system with a high degree of automation and fast test speed can implement capture and save test data, charts and images.

Infrared detector; preamplifier; blind unit; LabVIEW; test system

2015-06-24；

2015-12-15。

航空科學(xué)基金項目(20110112007)。

丁萬成(1973-)，男，河南洛陽人，高工，主要從事系統(tǒng)測試與控制技術(shù)方向研究。

趙 剡(1956-)，男，山西臨汾人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事導(dǎo)航與制導(dǎo)方向研究。

1671-4598(2016)06-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.005

TP271

A