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非制冷红外热成像系统的小型化研究

作　者: 葛振南
导　师: 常本康
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 红外焦平面阵列 热成像系统 非均匀性校正 TEC温控电路 FPGA 实时信号处理
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


红外热成像技术在军事和民用领域都具有广泛的应用。非制冷红外成像系统以其价格低、体积小、功耗低等优势在红外热成像技术的发展过程中占有重要地位。本文就“非制冷红外热成像系统的小型化研究”这一课题,从我国热成像技术发展现状出发,利用法国进口的红外焦平面阵列,研制满足我国军事应用要求的小型化非制冷热成像系统。本文从基础理论入手,在介绍国内外热成像发展概况的基础上,分析了红外热成像系统的基本成像原理、影响系统工作的主要因素、微测辐射热计的工作原理,研究了红外图像的特点和影响红外成像质量的因素,探讨了红外焦平面非均匀校正、盲元替代和图像对比度增强等内容,为系统设计提供了理论指导。采用SOPC技术,基于FPGA架构,提出了完整的小型化红外热成像系统解决方案。详细阐述了系统中各个模块设计,包括焦平面阵列驱动电路、TEC温控电路、基于FPGA的信号处理电路、A/D数据采集电路、D/A视频转换电路和电源电路。基于FPGA的信号处理电路是热成像系统的核心,完成系统时序逻辑管理、实时信号处理、直方图统计、视频合成等功能。实时信号处理模块采用流水线结构,把非均匀校正、盲元替代和对不度增强功能集成于一条流水线,与传统的乒乓结构相比,时钟频率更低,输出延迟和系统功耗更小,结构更简单。设计的多温度点TEC温控电路,使微测辐射热计阵列可以根据环境温度的变化,自适应的选择合适的工作温度点,提高了系统响应性能和成像质量并降低功耗,解决了焦平面阵列的工作温度和环境之间温差增大引起的功耗增加问题。在原理图基础上完成系统PCB设计,考虑了系统的信号完整性和电源完整性设计。最后完成热成像系统软件配置和系统软硬件调试,并最终成像。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-18
  1.1 红外热成像技术发展概况  8-14
    1.1.1 制冷型红外热成像技术的发展概况  9-11
    1.1.2 非制冷红外热成像技术的发展概况  11-14
  1.2 非制冷红外热成像技术发展优势与应用前景  14-16
    1.2.1 非制冷红外热成像技术的发展优势  14-15
    1.2.2 非制冷红外热成像技术的应用前景  15-16
  1.3 国内外红外热成像技术差距和战略对策  16
  1.4 本文研究的背景和主要工作  16-18
2 非制冷红外热成像系统基础理论  18-32
  2.1 红外辐射特性  18-20
    2.1.1 红外辐射特性与规律  18-19
    2.1.2 大气对红外辐射传输的影响  19-20
  2.2 红外光学系统  20-21
  2.3 非制冷红外焦平面阵列  21-23
    2.3.1 非制冷红外焦平面阵列结构  21-22
    2.3.2 非制冷红外焦平面阵列热平衡方程  22-23
  2.4 影响红外成像质量的主要因素  23-25
    2.4.1 响应的非均匀性  23-24
    2.4.2 响应的漂移特性  24
    2.4.3 盲元  24
    2.4.4 红外图像的对比度  24-25
  2.5 红外图像的特点及预处理  25-32
    2.5.1 红外图像信号特点  25-26
    2.5.2 非均匀性校正  26-28
    2.5.3 盲元检测与替代  28-29
    2.5.4 对比度增强  29-32
3 非制冷红外热成像系统硬件设计  32-57
  3.1 系统小型化方案设计  32-35
    3.1.1 系统的电路结构和工作原理  32-33
    3.1.2 系统小型化电路板功能分配  33-35
  3.2 焦平面阵列驱动电路设计  35-39
    3.2.1 ULIS UL01011型微测辐射热计阵列  35-36
    3.2.2 驱动时序设计  36-37
    3.2.3 偏置电压设计  37-39
  3.3 自适应多温度点TEC温控电路设计  39-44
    3.3.1 多温度点TEC控制电路思想提出  39-40
    3.3.2 TEC自动温度控制系统结构  40-41
    3.3.3 基于ADN8830的高精度TEC控制电路设计  41-43
    3.3.4 自适应多温度点调节的实现  43-44
  3.4 A/D数据采集电路设计  44-46
  3.5 基于FPGA的信号处理电路设计  46-49
    3.5.1 EP1C20F400C8的结构  47-48
    3.5.2 EP1C20的配置  48
    3.5.3 数据存储电路  48-49
  3.6 D/A转换电路的设计  49-50
  3.7 电源电路设计  50-52
  3.8 系统PCB设计  52-57
    3.8.1 信号完整性设计  52-53
    3.8.2 电源完整性设计  53-54
    3.8.3 PCB布局布线  54-55
    3.8.4 整板仿真  55-57
4 系统软件配置与调试成像  57-73
  4.1 基于FPGA的功能实现  57-63
    4.1.1 时序逻辑管理  57-58
    4.1.2 基于流水线结构的实时信号处理  58-60
    4.1.3 直方图统计  60-61
    4.1.4 视频合成  61-63
  4.2 基于NiosII处理器的功能实现  63-64
  4.3 整个系统功能实现  64-65
  4.4 系统软硬件调试  65-68
    4.4.1 硬件调试  66-67
    4.4.2 软件调试  67
    4.4.3 联合调试与系统成像  67-68
  4.5 系统性能评估  68-73
    4.5.1 评估测试平台  69
    4.5.2 非均匀性和盲元的检测  69-70
    4.5.3 实时红外图像信号处理效果评估  70-71
    4.5.4 系统整机体积与功耗的评估  71-73
5 结束语  73-76
  5.1 本文的工作总结  73-74
  5.2 本文的创新点  74
  5.3 有待进一步进行的工作  74-76
致谢  76-78
参考文献  78-81

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 红外技术及仪器 > 红外探测、红外探测器
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