基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时光谱复原系统设计

摘要

目前，军事斗争日益激烈，对军事目标的侦查变得愈发重要而迫切。干涉式成像光谱仪可以获得目标场景的精细光谱，从而可以对水下、地面、空中等目标进行有效识别，是军事侦查最有效的手段之一。目前，干涉式成像光谱仪系统通常都是在前期实时获取目标的干涉图信息并存储，后期再对干涉图信息进行光谱复原处理，并利用光谱信息对目标进行识别，这种工作方式具有光谱复原精度高、目标识别相对准确、数据可重复利用等优点，但不能有效适应实时军事侦查等场合的使用要求，因此，研究出有效的干涉式成像光谱仪实时光谱复原系统，在军事及民用领域都具有重要的现实意义。
　　现代FPGA器件体积小、容量大、速度高，较DSP器件或傅里叶变换专用芯片相比，具有开发周期短、可在线编程和修改等优点，非常适合于光谱仪实时光谱复原算法的设计需求。
　　基于以上背景，本文主要研究一种基于大容量高速FPGA器件的干涉式成像光谱仪实时光谱复原系统，以流水线方式对输入的数字视频信号进行处理，实时输出目标的光谱信号。
　　本文选用Altera公司CycloneIV系列的EP4CE30F23C6N器件作为实时光谱复原系统的核心处理芯片，系统主要分为视频采集模块、视频信号预处理模块、光谱复原模块、视频显示模块四部分。在视频采集模块，利用可见光摄像头输出的PAL制式的模拟视频信号来模拟干涉仪输出的干涉图信号，模拟视频信号经TW2867视频解码芯片解码为BT.656格式的数字视频信号；在视频信号预处理模块，对BT.656格式的数字视频信号进行解析获得Y、Cb、Cr三路信号，并将之转换为R、G、B三路颜色信号，继而再转换成灰度视频信号；在光谱复原模块，灰度视频信号经去直流、切趾、FFT、相位修正等运算得到目标的光谱信号；在视频显示模块，将有关数字视频信号经ADV7123视频编码芯片转化为模拟视频信号后进行VGA显示。
　　本文利用QuartusII软件设计了干涉式光谱仪实时光谱复原算法的Verilog HDL程序，并进行了硬件验证，实验结果表明了设计的正确性和有效性，为未来基于光谱的目标实时识别与应用奠定了一定的技术基础。

目录

声明

第一章 绪论

§1.1 研究背景和意义

§1.2 研究历史和现状

§1.3 论文研究内容及章节安排

第二章 干涉式成像光谱仪理论研究

§2.1 干涉仪与干涉图原理

§2.2 典型成像光谱仪

§2.3 本章小结

第三章 基于FPGA的干涉式成像光谱仪实时光谱复原系统设计

§3.1技术背景

§3.2 视频图像采集

§3.3 视频图像预处理模块

§3.4 光谱复原模块

§3.5 视频图像显示模块

§3.6本章小结

第四章 仿真结果与结论

§4.1 系统搭建

§4.2 仿真结果与VGA显示结果

§4.3 结论

第五章 结束语

§5.1 主要研究成果

§5.2 主要创新点

§5.3 问题与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果