金長江 董曉紅

摘要：紅外成像技術(shù)基于全天候自動化探測、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在多領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。紅外探測器應(yīng)用中，信號處理是一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，對整體信號采集、分析結(jié)果產(chǎn)生了直接影響，傳統(tǒng)模式下原始輸出數(shù)據(jù)噪聲大、非均勻性嚴(yán)重問題極為突出，這對于紅外線探測器應(yīng)用效果造成嚴(yán)重干擾，基于此，探究一種紅外探測器集成圖像信號處理芯片設(shè)計(jì)方法，希望為緩解信號處理問題提出更多參考。

關(guān)鍵詞：紅外探測器；圖像信號處理；芯片；設(shè)計(jì)思路

一、前言

隨著紅外成像技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，紅外線信號處理得到進(jìn)一步重視。為了滿足新時期紅外探測器的集成信號處理需求，達(dá)成圖像除噪、增強(qiáng)圖像畫質(zhì)等目標(biāo)，針對集成圖像信號處理的研究不斷得到拓展。與此同時，紅外線探測器作為一種應(yīng)用范圍廣泛的設(shè)備，在武器裝備中發(fā)揮了重要作用，這些問題的存在成為困擾相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的桎梏，且新時期武器裝備功能日益強(qiáng)大，采集的圖像信號向大數(shù)據(jù)、復(fù)雜方向靠攏，處理圖像的算法模塊也呈現(xiàn)復(fù)雜、繁瑣、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，常用的 FPGA 或 FPGA＋DSP 圖像處理方式不再適用，尤其在小口徑紅外制導(dǎo)彈藥應(yīng)用領(lǐng)域無法滿足需求?；诖耍疚木图t外線探測器集成圖像信號處理芯片設(shè)計(jì)問題展開分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

二、紅外集成信號處理現(xiàn)狀分析

基于紅外成像技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，相關(guān)設(shè)備日益先進(jìn)。其中紅外熱像儀中探測器技術(shù)基于市場需求，得到迅速發(fā)展。國外，紅外焦平面探測器已經(jīng)在武器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 ，充分發(fā)揮紅外成像技術(shù)優(yōu)勢，輔助武器提升性能。尤其是以640×512等為代表的二代碲鎘汞紅外探測器，是現(xiàn)階段重點(diǎn)推廣設(shè)備。與此同時，基于需求發(fā)展，紅外探測器得到持續(xù)化發(fā)展，紅外探測器日益先進(jìn)。在此過程中，對紅外熱像儀中的紅外圖像信號處理效果和質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，不僅需要保證紅外圖像信號處理系統(tǒng)和紅外熱像儀的其他軟硬件設(shè)備相匹配，還需要持續(xù)優(yōu)化圖像信號處理效率、清晰度等參數(shù)[1]。在此背景下，本文基于紅外探測器發(fā)展水平，從集成圖像信號處理電路方向入手，探究提高圖像信號處理效果的可行性設(shè)計(jì)思路。

三、設(shè)計(jì)方案闡述

結(jié)合上文對紅外探測器集成圖像處理現(xiàn)狀的闡述，提出了一種利用集成圖像信號處理電路提升圖像信號識別、檢測精準(zhǔn)度，提升信號目標(biāo)識別效率，增強(qiáng)噪聲等抗干擾能力的設(shè)計(jì)思路，為我國紅外探測領(lǐng)域發(fā)展提供參考。

（一）設(shè)計(jì)思路分析

設(shè)計(jì)集成圖像信號處理電路，發(fā)揮電路的高性能集成優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對圖像信號的智能化檢測識別。通過技術(shù)優(yōu)勢，提升目標(biāo)信號強(qiáng)度、強(qiáng)化噪音或者雜波抗干擾能力，進(jìn)而達(dá)到提升信噪比、有效提升目標(biāo)檢測精確度的目標(biāo)。

設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：第一，需要確保電路可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景條件下背景和目標(biāo)信號初步分離，換言之，需要保證目標(biāo)信號可以從原始圖像中被精確提取出來；第二，確保紅外圖像系統(tǒng)可以對目標(biāo)進(jìn)行高精度檢測識別，對采集的圖像信號進(jìn)行高速處理，且確保處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果具備可靠性和科學(xué)性[2]。

此外，當(dāng)前紅外探測器在持續(xù)化發(fā)展中，關(guān)于集成圖像信號處理系統(tǒng)的研究也日益深入，目前有多種圖像信號處理方式，其中借助FPGA、DSP和PC機(jī)的技術(shù)架構(gòu)方式應(yīng)用較廣，同時也出現(xiàn)了“FPGA+DSP”協(xié)同應(yīng)用處理方法。上述三種方式中，現(xiàn)場可編程邏輯陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）架構(gòu)、數(shù)字信號處理器（DSP）以及多方式聯(lián)合應(yīng)用方式較為常見。無論何種結(jié)構(gòu)方式，核心器件都依賴國外企業(yè)，尤其是隨著武器裝備領(lǐng)域向小體積、低功耗等方向發(fā)展，上述架構(gòu)方式的短板逐漸暴露，此時需要提出一種新型方式提升處理效果。此時半導(dǎo)體集成電路工藝的出現(xiàn)，為大批量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、圖像畸變校正等提供了支持。因此，本文以集成電路為框架，實(shí)現(xiàn)邊緣圖像預(yù)處理算法和圖像處理算法達(dá)成ASIC （application specific integrated circuit）集成，進(jìn)而形成紅外信號處理ISP電路，這是實(shí)現(xiàn)降噪、提質(zhì)目標(biāo)的可行思路。

（二）紅外ISP電路設(shè)計(jì)

結(jié)合上文的設(shè)計(jì)思路思考設(shè)計(jì)框架，構(gòu)建如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文基于紅外線探測器信號處理目標(biāo)和需求，探究信號集成路徑，形成集成圖像預(yù)處理算法的ISP系統(tǒng)芯片專用電路[3]。結(jié)合圖1來看，設(shè)計(jì)中，以ARM Cortex-M4處理器為核心支撐運(yùn)行，應(yīng)用AMBA（advanced microcontroller? bus architecture）總線結(jié)構(gòu)，最終形成運(yùn)行頻率為100MHz、395mW功耗的處理系統(tǒng)。此外，內(nèi)部還包含內(nèi)置圖像信號處理IP、圖像接口、3路UART等。

（三）基本功能闡述

結(jié)合新時期紅外線探測器的功能需求和應(yīng)用場景，需要確保其圖像信號處理系統(tǒng)具備如下功能：第一為噪音去除功能；第二為細(xì)節(jié)增強(qiáng)，自動化曝光；第三為自動聚焦。具體來看，第一，噪音去除功能。在視頻圖像處理過程中，受噪音干擾的影響，需要借助降噪算法對其進(jìn)行處理，傳統(tǒng)的線性濾波技術(shù)無法應(yīng)對非高斯噪音或非線性噪音，基于此，探索新的噪音去除方法極為重要。視頻圖像降噪算法中時域降噪在保護(hù)圖像邊緣中具備優(yōu)勢?；谶@個特點(diǎn)提出一種降噪算法，可以確保圖像內(nèi)容在幀間的相關(guān)性，確保時域方面可以準(zhǔn)確捕捉圖像，確保攝像頭在捕捉運(yùn)動過程中，前一幀和后一幀可以精確匹配，并對相匹配的圖像進(jìn)行強(qiáng)度檢測。通過這種方法確保圖像精確識別，最大限度降低視頻圖像中的噪點(diǎn)，確保圖像呈現(xiàn)細(xì)節(jié)豐富的畫面[4]。第二，細(xì)節(jié)增強(qiáng)?，F(xiàn)階段，在進(jìn)行圖像采集過程中，場景過度曝光問題發(fā)生概率較為頻繁，進(jìn)而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)不夠清晰的問題難以杜絕。因此，針對這一情況，需要借助現(xiàn)代化技術(shù)，對圖像進(jìn)行處理，發(fā)揮算法模型優(yōu)勢，確保其在圖像采集過程中，可以更好地適應(yīng)光線影響，自動化調(diào)整曝光時間。第三，自動聚焦。隨著現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，大量現(xiàn)代化技術(shù)導(dǎo)致自動聚焦成為熱點(diǎn)，在紅外線探測器中，為了確保圖像采集過程更貼合實(shí)際，且符合人眼觀察效果，聚焦功能優(yōu)化持續(xù)開展。目前在自動化控制技術(shù)支持下，自動控制聚焦、精準(zhǔn)識別圖像特征成為關(guān)鍵[5]。

（四）專用圖像預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合上文闡述，圖像預(yù)處理模塊中，算法模型是基礎(chǔ)。其中算法之間交互是保證圖像信號、數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，所謂算法交互包括兩點(diǎn)：第一是數(shù)據(jù)流之間的高效傳輸和算法信息交互；第二是保證算法和緩存之間存在大規(guī)模交互的通道。為了確保紅外焦平面在擴(kuò)大發(fā)展過程中仍正常發(fā)揮效用，多采用1024×1024分辨率的面陣。這時，隨著面陣擴(kuò)大，會導(dǎo)致內(nèi)部總線帶寬發(fā)生變化，需要達(dá)到400～700Mbyte/s才可以滿足需求，而外部存儲器帶寬需要滿足4～7Gbyte/s才可以支撐運(yùn)轉(zhuǎn)。這時，也需要對高速總線接口、高帶寬外部存儲器和高效存儲器等進(jìn)行升級，否則會影響后續(xù)使用效果。

基于上述分析，在設(shè)計(jì)高速總線接口過程中，必須要確保其具有合理的外部存儲器讀寫訪問功能，然后將每一模塊與ISP電路中的總線連接，調(diào)整參數(shù)配置，選擇是否參與預(yù)處理流程成為重點(diǎn)。同時涉及數(shù)據(jù)量較多的子模塊還會與外部高速接口聯(lián)系在一起，這無形中進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)吞吐量，支撐系統(tǒng)采集、處理更多圖像信號。但是紅外線探測器自身的材料、工藝會影響原始圖像質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)圖像處理系統(tǒng)處理結(jié)果受到干擾，尤其是在對比度較低、隨機(jī)噪音大等條件下，會嚴(yán)重干擾圖像信號處理效果。因此，在進(jìn)行集成圖像信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也需要圍繞紅外線探測器的相關(guān)信息進(jìn)行思考，例如探測器驅(qū)動器、圖像存儲等。最后將各模塊集成并靈活配置，就可以滿足需求。在此結(jié)合分析結(jié)果，以ISP電路為基礎(chǔ)獲得如圖2所示的圖像預(yù)處理模塊，該設(shè)計(jì)方案總共包含15個子模塊。

四、仿真試驗(yàn)分析

為了測試上文設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和實(shí)用性，本文借助仿真系統(tǒng)軟件，完成試驗(yàn)測試。用實(shí)際結(jié)果驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的價值。首先，對集成的圖像預(yù)處理模塊進(jìn)行仿真，依據(jù)設(shè)計(jì)方案配置圖像IP內(nèi)的各個模塊，確保各模塊有效連接，彼此之間流暢交互。然后圍繞應(yīng)用場景配置芯片各輸出控制信號時序，從視頻接口位置輸入原始圖像數(shù)據(jù)，依托仿真軟件探究各圖像IP內(nèi)每級模塊輸出是否正確，并探究ISP電路中除了圖像預(yù)處理模塊的其他模塊仿真情況。最后，以結(jié)果作為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)思路是否可行的基礎(chǔ)。仿真試驗(yàn)主要內(nèi)容如下：第一，處理器仿真。確定其是否可以如實(shí)加載處理器的各項(xiàng)指令，并對其反應(yīng)情況做出驗(yàn)證。第二，配置圖像模塊的時鐘復(fù)位仿真，通過比對讀寫寄存器初值的差異確定圖像處理效果。第三，有序觸發(fā)各中斷源，驗(yàn)證各中斷模式能否充分、高效做出反應(yīng)。第四，DMA仿真?？茖W(xué)配置DMA等，驗(yàn)證從DAM作為BUS Master進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，傳輸數(shù)據(jù)是否會發(fā)生錯誤。第五，對DDR進(jìn)行仿真，通過讀寫其各邊界地址，驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確。第六，對外設(shè)接口進(jìn)行仿真，確定QSPI、I2C等在單線/雙線/四線模式下通訊動作的正確性。 仿真試驗(yàn)結(jié)果如下：通過仿真試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)的方案最終圖像信號處理效果如圖3所示，相較傳統(tǒng)模式而言，清晰度、細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果、亮度效果等有明顯提升。

五、結(jié)語

綜上所述，隨著社會發(fā)展，關(guān)于紅外成像技術(shù)的應(yīng)用、開發(fā)成為熱門領(lǐng)域，且基于實(shí)際需求，與其他技術(shù)融合應(yīng)用日益頻繁。本文結(jié)合當(dāng)前紅外線探測器發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)新時期紅外成像技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢以及當(dāng)前紅外圖像信號處理面臨的問題，以問題為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)勢，提出一種集成圖像信號處理電路設(shè)計(jì)思路，應(yīng)對噪聲大、對比度低及非均勻性嚴(yán)重的輸出圖像處理問題，通過仿真試驗(yàn)測試其可行性和實(shí)用價值。希望本文可為我國紅外線探測器創(chuàng)新發(fā)展提供更多參考。

參考文獻(xiàn)

[1]胡鵬博，郭曉東，詹東軍，等.基于銻化銦中波制冷紅外探測器的高幀頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2022，20（6）：53-57.

[2]田震，宋淑芳，邢艷蕾，等.甚長波碲鎘汞紅外探測器制備研究[J].激光與紅外，2022，52（10）：1527-1531.

[3]陳正超，唐利斌，郝群，等.HgCdTe多層異質(zhì)結(jié)紅外探測材料與器件研究進(jìn)展[J].紅外技術(shù)，2022，44（9）：889-903.

[4]杜鵬飛，葉偉，蕭生，等.銻基Ⅱ類超晶格InAs/InAsSb紅外探測器的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2022，59（17）：47-53.

[5]葛浩楠，謝潤章，郭家祥，等.人工微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)長波及甚長波紅外探測器[J].物理學(xué)報(bào)，2022，71（11）：13-30.

基金項(xiàng)目：基于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)（課題編號：061920）

作者單位：成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院