共心宽视场高分辨率成像仪硬件设计

摘要

传统成像作为一种“所见即所得”的探测形式，存在一些致命的缺陷：传统成像的图像分辨率一般较低，特别是在对地夜间观察与监控的红外成像系统中，其传感器空间分辨率低，图像解析度差。在一些特定的应用场合，人们希望可以从尽可能大的角空间获取足够多的信息。目前，宽视场高分辨率成像系统大多具有复杂的光机结构、视场盲区或图像畸变等缺点。共心透镜系统在解决上述难题的同时，可以兼顾宽视场和高分辨率成像的要求。针对球透镜的小畸变和大视场成像的特点，共心宽视场高分辨率成像仪采用共心物镜系统和多孔径微相机阵列的设计，利用计算重建技术将具有一定视场重叠的多帧子图像拼接重建成一幅图像，最终实现宽视场高分辨率成像的目的。基于这种共心宽视场高分辨率成像仪的成像机理，本文设计了一款由CMOS传感器和单元成像电路共同组成的图像采集传输硬件系统，来保证系统大数据的采集和传输处理。本系统以CMOS传感器作为微相机单元，设计了CMOS传感器的驱动电路。利用FPGA并行处理与运行速度快的优点，同时对多路CMOS传感器进行数据采集，并且采用了FPGA与DDR3架构组成的存储系统，满足了存储带宽和容量的要求。最后，通过千兆以太网完成向图形工作站的数据传输，满足了系统对于高速传输的要求。
　　本文首先阐述了宽视场高分辨率成像系统的发展现状，并结合系统要求设计了共心宽视场高分辨率成像仪硬件系统；针对硬件电路设计中大数据的采集与存储，以及如何进行数据快速传输等难点，完成了以 FPGA为核心，以 DDR3为大容量存储单元并以千兆以太网为主要传输方式的硬件电路设计，之后对硬件电路进行调试，完成了对CMOS芯片的配置，大数据的采集和存储调试，以及向图形工作站的数据传输的准确性测试，最后验证硬件系统的可行性，实现了宽视场高分辨率成像的目的。硬件系统的调试结果表明：设计的共心宽视场高分辨率成像仪硬件系统集成度高，能够采集和存储大量图像数据并具有较强的实时处理能力，达到了预期设计要求。同时本系统的硬件处理电路具有一定的通用性，其中FPGA核心板采用FMC接口。接口设计满足FMC夹层卡标准，属于ANSI标准。FPGA核心板提供标准的夹层卡尺寸、连接器和模块接口,可以用作同类电路设计的处理平台。

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第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2 宽视场高分辨率成像系统国内外发展现状

1.3 硬件处理平台发展现状

1.4 主要工作及章节安排

第二章 共心宽视场高分辨率成像仪硬件系统方案设计

2.1 成像仪的组成

2.2 成像仪系统指标

2.3 成像仪工作流程及工作模式

2.4 成像仪硬件系统方案设计

第三章 单元成像电路设计

3.1 系统原理设计

3.2 系统PCB设计

第四章 核心处理器FPGA逻辑功能设计

4.1 CMOS模块逻辑功能

4.2 DDR3控制器模块

4.3 USB2.0接口逻辑

4.4 千兆以太外网控制逻辑

4.5 硬件系统调试

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

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