红外与微光图像融合实时处理系统硬件设计

南京理工大学

硕士学位论文

红外与微光图像融合实时处理系统硬件设计

姓名：刘咏

申请学位级别：硕士

专业：物理电子学

指导教师：常本康

20060601

推动了该项技术的发展，促使众多国家将之实用化。图像融合首先在二十世纪７０年代后期被提出，美国国防部早在１９８８年就把它列为了重点研发的技术之一。传感器技术不断发展使很多的图像可以进行融合，如雷达与红外图像融合，红外图像与可见光图像融合，雷达与雷达图像融合，不同波段红外图像融合，ＣＴ、ＰＥＴ、ＭＲＩ等的图像融合，单传感器多谱图像融合，单传感器图像序列的融合，图像与非图像的融合等。

目前，美、英、日、德、意、俄等国家己开发出一些实用系统１２１。最早投入实际使用的图像融合系统是美国陆地资源卫星（ＬＡＮＤＳＡＴ）：海湾战争中发挥很好作战性能的“ＬＡＮＴＩＲＮ”吊舱就是一种图像融合系统，它将红外前视、激光测距、可见光摄像机等多种传感器信息系统叠加在飞机的显示屏上；英国以ＩＩ类通用组件为基础研制出了具有图像融合处理功能的双波段热像仪；美欧多套大型战区级传感器信息融合演示验证系统，其中相当重要的组成部分是武器平台上或分布式的图像融合装置，例如俄罗斯米格２８新型战斗直升机上安装的将雷达、红外瞄准器、电视摄像机、夜视仪、航行仪表与计算机结合一体的融合系统，以及美国ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅ国家实验室开发的基于多传感器图像融合的地雷监测系统等；美国休斯公司开发了一个具有自动目标识别和图像融合功能的系统，其基本组件是热成像传感器和毫米波雷达传感器；安装在英国猎人海上巡逻机（Ｎｉｍｒｏｄｍａｒｉｔｉｍｅｐａｔｒｏｌａｉｒｃｒａｆｔ）和美国阿帕奇直升机（Ａｐａｃｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ）上的ＮｉｇｈｔＧｉａｍ图像融合系统为三波段的融合系统阱；现投入美国军方使用的ＮｏｒｔｈｒｏｐＣｓｒｕ．ｔｌｌｍａｎ。ｓＥＮＶＧ体积小、重量轻、造价便宜，可提供非常简单方便的融合操作；Ｏｃｔｅｔ公司开发的ＡＤＥＰＴ６０．ＩＦＰ实时图像跟踪和融合处理器如图１．１所示，其采用的是Ｗａｔｅｒｆａｌｌ解决方案【３】。

图１．１ＡＤＥＰＴ６０．１ＦＰ

美ｌ酗ｕｉｎｏｘ公司开发的ＤＶＰ３０００和ＤＶＰ４０００如图１．２所示［４】，对于ＤＶＰ３０００，其大小为３Ｘ４ｉｎｃｈ，重量约为７４克，功耗为１．７ｗ，可输出ＮＴＳＣ、Ｓ－Ｖｉｄｅｏ信号，可处理最大１２８０Ｘ１０２４可见光和３２０×２４０热红外（３０ｆｐｓ）图像的融合，而对于ＤＶＰ４０００，其大小为３Ｘ３ｉｎｃｈ，重量小于５７９，功耗仅为１．Ｓｗ，输出可直接连接摄像机，在处理能力方面，可以进行最大１２８０×１０２４可见光和３２０Ｘ２４０的热红外图像（６０ｆｐｓ）的融合。它们的性能都是非常先进的，处理的效果如图１．３所示。

图１．２ＤＶＰ－３０００和ＤＶＰ－４０００

图１．３ＤＶＰ－３０００处理效果对比图

红外与微光图像融合是随着红外和微光技术的发展而发展的，同时又与硬件和软件的发展关系密切，在发展初期因其巨大的军事应用前景而处于保密状态，近年来随着研究的深入以及应用的扩展才逐渐公开其研究成果。美国德州仪器（１ｒＩ）公司在这方面走在了前列，该公司于二十世纪８０年代后期开始研究夜视图像融合技术，其成果经过美国军方测试已经获得认可和好评，并于１９９５年底从美国夜视和电子传感器管理

４

图３．１电路系统原理框图

图３．２ＦＰＧＡ内部功能模块图

图３．２即为ＦＰＧＡ内部的功能划分。该系统设计充分利用了ＦＰＧＡ作为主处理器的可编程性和灵活性，其完成了图像数据采集、存储、加权图像融合、视频

（６）

∽

图３．１２串扰仿真

按照上面的方法对一些重要的信号线间的串扰进行完仿真后，另一个重要的方面就是时钟线的仿真了，本论文中使用的时钟源有ＳＡＡ７１１ｌ的２４．５７６ＭＨｚ．ＤＳＰ的１２ＭＨｚ以及配置单片机的１１．０５９ＭＨｚ等。对它们进行仿真的结果表明，如果不对它们的走线进行端接的话，极易在时钟线上面产生过冲等不利的现象（图３．１３（口）所示），而对它们进行合适阻值的串连端接后，时钟线上的波形就明显好了许多（图３．１３（６）所示）。

对重要的信号线和时钟线进行完仿真后，下一步就可以按照仿真时得出的规则来对它们进行布线了，布线时除了要遵循仿真的结果，还要注意避免直角拐角，尽量少用过孔，划分模拟和数字走线区，避免跨区走线等，关于布线的细节本文不做详细讨论。

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图３．１３时钟线仿真

（４）整板仿真

ＰＣＢ设计完成后，为了提高系统的可靠性，需进行整板仿真，这里使用Ｈｙｐｅｒｌｙｎｘ来实现，利用布局布线工具ＰｏｗｅｒＰＣＢ将完成后的电路板图导出，在Ｈｙｐｅｆｌｙｎｘ的ＢｏａｒｄＳｉｍ中就可以对它进行仿真验证了。在本论文中使用的是快速仿真的ｂａｔｃｈ－－ｍｏｄｅ，仿真结果以报告的形式输出。在报告中，将会列出串扰电压大于设定电压（通常为２００ｍｖ左右）的网络，发现这些网络后。需对它们重新进行布线，改进的办法通常是进行合适阻值的端接或者增大线间距。

本节详细讨论了ＰＣＢ设计过程中需要解决的问题和具体的步骤。图３．１４为本论文ＰＣＢ设计的最终实物图。

图３．１４最终设计的实物图

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准的。ＰＡＬ制式·信号处理板将两路的ＣＣＤ信号采集存储后，经过加权平女合，结果如图３．ｔ６所示一其中（砷世）舒到为两路独立酌ＣｃＤ产生的视频图荡为二者经过加权融合后的豳像。

固３，１５￥Ａ，＾７１１１配置搋程圈

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（ｃ）

图３．１６加权融合实验结果

对于加权融合后的图像图３．１６（ｃ），其效果并不是太好，两路图像的对比度均得到了不同程度的降低，这主要是由实验的光学系统并不是共光轴而引起的。若对共光轴的两路ＣＣＤ信号进行加权融合，融合后图像的质量理论上应该是与单路图像相当的。