基于SOPC非制冷红外热成像系统的设计与实现

摘要

红外热成像技术在军事和民用领域都具有广泛的应用。无论是观瞄成像，还是目标寻找，红外热成像系统都扮演着愈来愈重要的角色。非制冷红外热成像系统以其价格低、体积小、功耗低等优势在红外成像技术的发展过程中占有重要地位。针对传统基于DSP+FPGA/CPLD架构的红外热成像系统存在体积大、数据传输链路长、功耗大等缺点，研制一种基于片上可编程(SOPC)的非制冷红外热成像系统。
　　 本课题首先介绍红外热成像系统技术的发展现状，并分析总结课题的研究意义和研究内容。在对比分析三种红外热成像系统优缺点后，提出本课题设计的非制冷红外热成像系统。
　　 本课题充分利用SOPC技术特点，将红外热成像系统分为图像采集模块、图像输入输出接口模块、图像存储模块、图像显示模块，实现了图像采集、传输、存储、处理及显示等功能。其中图像采集模块设计出红外焦平面所需的驱动时序，将输出的模拟信号经由解码芯片转换为数字信号，并且为了利于数据传输与算法处理，又将数字信号进行一定的格式转换。在数据传输过程中，各模块之间数据交换需要占用大量总线资源，从而影响系统传输效率，本课题立足于这个难题，结合SOPC的灵活性特点，研制能够提供稳定频宽的输入输出接口。输入输出接口组件通过FPGA自定制实现，在其内部Avalon总线接口控制下，使数据在其内部FIFO中缓存，并且依靠DMA传输，节约了系统总线频宽的占用，提高了系统的性能。图像存储模块将采集到的图像数据缓存，并且在其中完成算法处理，最终图像显示模块将处理后的数据输出显示。为改善红外图像的成像效果，本课题完成对一点校正和两点校正算法的FPGA实现，使软件算法硬件化，有效的提高了运算的效率。
　　 本课题最后通过硬件调试、算法仿真以及多次的联合调试，最终在所设计的红外系统平台上实现了实时的图像成像，并且成像效果明显。经过与传统架构的红外热像系统在体积、功耗、性能等方面的数据比较，本系统明显具有体积小、功耗低、性能稳定的优势。

目录

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摘要

插图清单

第一章 绪论

1．1 红外热成像系统简介

1．2 红外热成像系统的发展现状

1．3 课题研究意义及研究内容

第二章 红外热成像系统方案对比

2．1．方案一：计算机+PCI接口采集卡系统方案

2．2 方案二：FPGA+DSP系统方案

2．3 方案三：SOPC系统方案

2．4 本章小结

第三章 SOPC红外热成像系统设计

3．1 系统需求分析

3．2 系统整体方案设计

3．3 系统的硬件模块整体设计

3．4 图像采集模块设计

3．4．1 焦平面驱动模块

3．4．2 视频解码模块

3．4．3 视频数据格式转换模块

3．5 输入接口模块和输出接口模块设计

3．5．1 CCD_IF和VGA_IF综合设计

3．5．2 输入接口CCD_IF组件

3．5．3 输出接口VGA_IF组件

3．6 图像存储模块设计

3．6．1 SDRAM控制器

3．6．2 FLASH控制器

3．7 图像显示模块设计

3．7．1 视频D／A转换器

3．7．2 VGA控制器

3．8 SOPC系统的定制

3．9 本章小结

第四章 红外热成像系统的软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 校正算法程序的实现

4．2．1 一点非均匀校正方法的实现原理

4．2．2 两点非均匀校正方法的实现原理

4．2．3 一点校正算法的实现

4．2．4 两点校正算法的实现

4．3 本章小结

第五章 系统调试与分析

5．1 校正算法程序仿真

5．1．1 一点校正模块仿真

5．1．2 两点校正模块仿真

5．2 系统实物图及联合调试结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录A 在研期间所参与的科研项目和发表的论文

附录B 主程序部分代码