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基于CMDS图像传感器的嵌入式二维准直测角系统

作　者: 谷林
导　师: 陈良益；胡晓东
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 自准直仪 CMOS图像传感器 FPGA DSP VHDL 亚像元
分类号: O439
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


目前工程化的二维光电自准直仪均以CCD作为光电转换器件，其驱动设计复杂、数据读取效率低、帧频低、集成度低、功耗大、所构成的系统复杂，因此有必要开发一种基于新型光电转换器件的嵌入式二维光电自准直仪。本论文对基于CMOS图像传感器的嵌入式二维光电自准直仪的工程实现方法进行了研究，成功研制出一种新型二维光电自准直仪。本论文的主要研究内容有以下几个方面：1．本论文首次以CMOS图像传感器为研究对象，在对其工作原理及特性参数进行充分分析的基础上，详细论述了基于CMOS图像传感器的嵌入式二维光电自准直仪的总体设计方案。2．设计实现了以DSP和FPGA为核心的嵌入式系统硬件平台。系统采用并行流水线技术，使数据采集、图像预处理、目标捕获、像点精确定位等处理同时进行，无需使用帧缓存，系统工作速度为60帧／秒。3．嵌入式、高集成是本论文所设计的光电自准直仪的一大特色，本论文利用一片FPGA实现了整个硬件系统几乎所有的数字功能模块，其主要功能模块如下：√并行数字滤波及目标捕获模块。√FPGA与DSP共享数据存储区，并将其映射到DSP的数据空间。√字符、图像信号发生器及数字视频合成模块。√总线切换逻辑。4．本论文首次在光电自准直仪上设计实现了电子目镜，从而取代传统的光学目镜，该电子目镜同时还具有电子分划板功能。5．对传统的质心算法进行了改进，结合目标捕获单元，在DSP中实现了基于目标窗口且具有自适应阈值的质心算法。该算法具有数据运算量小，阈值随目标区背景自动变化的特点。6．设计并实现了一种基于高精度多齿分度转台的光电自准直仪的自标定方法，不仅简化了系统标定及维护，还解决了系统软件通用性的问题。7．在分析软件功能需求的基础上，编制了基于DSP的系统应用软件，通过软硬件相结合的信号处理技术，实现了测量数据的自动采集和处理。8．对新型光电自准直仪的测量精度进行了理论分析和试验验证。试验结果表明：所设计的光电自准直仪的各项技术指标符合设计要求。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-13
第一章 绪论  13-19
  §1.1 光电准直测角系统概述及国内外发展现状  13
  §1.2 图像传感器的发展及其在光电自准直仪中的应用  13-14
  §1.3 CMOS图像传感器的特点及其在相关领域的应用  14-15
  §1.4 CMOS图像传感器在光电自准直仪中的应用  15-16
  §1.5 论文研究的主要目的和内容  16-17
  §1.6 论文研究的意义  17-18
  §1.7 本章小结  18-19
第二章 CMOS图像传感器的工作原理及特性  19-33
  §2.1 APS CMOS图像传感器的基本构成及工作原理  19-22
    §2.1.1 APS CMOS图像传感器的基本构成  19-20
    §2.1.2 APS CMOS图像传感器像元结构  20
    §2.1.3 APS CMOS图像传感器辅助电路  20-21
    §2.1.4 APS CMOS图像传感器工作原理  21-22
  §2.2 CMOS图像传感器的主要技术指标  22-24
    §2.2.1 光谱响应特性与量子效率  22
    §2.2.3 暗电流  22-23
    §2.2.4 填充因子  23
    §2.2.5 动态范围  23
    §2.2.6 像元响应不均匀性  23
    §2.2.7 串扰  23-24
    §2.2.8 噪声  24
  §2.3 APS CMOS图像传感器与CCD的性能比较  24-25
  §2.4 APS CMOS图像传感器噪声控制技术  25-29
    §2.4.1 随机噪声  26-28
    §2.4.2 模式噪声(PN)  28-29
  §2.5 APS CMOS动态范围的扩展技术  29-30
  §2.6 APS CMOS图像传感器在光电测量系统中的应用  30-31
    §2.6.1 APS CMOS图像传感器在空间可视监控系统中的应用  30
    §2.6.2 APS CMOS图像传感器在星敏感器中的应用  30-31
  §2.7 本章小结  31-33
第三章 嵌入式CMOS二维准直测角系统技术方案  33-55
  §3.1 自准直测量原理  33-34
  §3.2 二维光电自准直仪的特点  34-35
  §3.3 光学系统结构  35-38
    §3.3.1 自准直光学系统常用结构  35-36
    §3.3.2 光电自准直仪光学系统结构的确定  36-37
    §3.3.3 准直光源的选择  37-38
  §3.4 系统硬件总体结构  38-52
    §3.4.1 基于FPGA与DSP的系统硬件架构  38-42
      §3.4.1.1 TMS320C54XX系列DSP功能及结构特点  39-41
      §3.4.1.2 CYCLON Ⅱ系列FPGA的功能结构特点  41
      §3.4.1.3 CYCLON Ⅱ系列FPGA的开发流程  41-42
    §3.4.2 系统硬件总体构成  42-52
      §3.4.2.1 基于CMOS图像传感器的光电接收单元  43-44
      §3.4.2.2 基于FPGA的信号预处理及外围驱动单元  44-49
      §3.4.2.3 基于DSP的信号处理核心  49-50
      §3.4.2.4 TFT液晶显示模块  50-51
      §3.4.2.5 RS232数据通信单元  51-52
  §3.5 系统软件结构  52-53
  §3.6 本章小结  53-55
第四章 基于并行流水线技术的目标检测与细分定位  55-72
  §4.1 数字滤波技术在图像预处理中的应用  55-59
    §4.1.1 线性滤波器  55-57
    §4.1.2 非线性滤波器  57-58
    §4.1.3 各种数字滤波器的比较与选择  58-59
  §4.2 基于数字图像处理技术的目标检测  59-62
    §4.2.1 目标识别技术的分析比较  59-60
    §4.2.2 基于灰度的目标区域单帧检测算法  60-62
  §4.3 亚像元级目标精确定位  62-68
    §4.3.1 分划板形状对目标精确定位的影响  62-64
    §4.3.2 基于点目标的像点细分定位算法  64-67
    §4.3.3 像点细分定位算法精度比较  67-68
    §4.3.4 细分定位算法的选择  68
  §4.4 基于并行流水线的数字滤波、目标捕获及目标细分定位技术  68-70
    §4.4.1 图像并行处理机制  68-69
    §4.4.2 图像处理并行算法  69
    §4.4.3 基于FPGA的并行流水线系统信号处理  69-70
  §4.5 本章小结  70-72
第五章 系统硬件设计与实现  72-102
  §5.1 系统硬件电路的设计与实现  72-82
    §5.1.1 系统电源及复位电路的设计与实现  72-73
    §5.1.2 DSP配置电路的设计与实现  73-74
    §5.1.3 DSP外部程序及数据空间的设计与实现  74-75
    §5.1.4 CMOS图像传感器接口电路的设计与实现  75-76
    §5.1.5 系统显示驱动电路的设计与实现  76-77
    §5.1.6 RS232串行通信接口的实现  77
    §5.1.7 基于SPI总线EEPROM的DSP上电引导的设计与实现  77-80
    §5.1.8 基于JTAG口的FPGA在线配置和在系统编程设计  80-82
  §5.2 基于FPGA的内部功能单元的设计与实现  82-101
    §5.2.1 TFT液晶屏驱动模块的设计与实现  82-84
      §5.2.1.1 TFT液晶屏的选择  82
      §5.2.1.2 TFT液晶屏工作原理  82-83
      §5.2.1.3 TFT液晶屏驱动模块设计  83-84
    §5.2.2 CMOS图像传感器驱动模块的实现  84-90
      §5.2.2.1 CMOS图像传感器的选择  84
      §5.2.2.2 IBIS5-A-1300 CMOS图像传感器驱动模块的设计  84-90
    §5.2.3 高斯平滑滤波器的设计与实现  90-92
      §5.2.3.1 离散高斯平滑滤波器的设计  90-91
      §5.2.3.2 高斯滤波模板的硬件实现  91-92
      §5.2.3.3 高斯滤波模板的VHDL编程  92
    §5.2.4 目标捕获单元的实现  92-95
      §5.2.4.1 基于灰度的点目标捕获模块的设计与实现  92-94
      §5.2.4.2 目标捕获模块VHDL编程  94-95
    §5.2.5 测量数据显示驱动模块的实现  95-96
      §5.2.5.1 字符发生器模块设计与实现  95-96
      §5.2.5.2 测量信息与视频图像合成的实现  96
    §5.2.6 DSP外部数据存储空间扩展的设计与实现  96-98
      §5.2.6.1 DSP外部数据存储空间的配置  96-97
      §5.2.6.2 基于FPGA的外部数据存储空间  97
      §5.2.6.3 基于FPGA的外部数据存储空间的实现  97-98
    §5.2.7 DSP片外程序存储空间的扩展  98-101
  §5.3 本章小结  101-102
第六章 系统软件设计与实现  102-120
  §6.1 软件系统设计的基本要求  102
  §6.2 准直测量系统软件设计  102-114
    §6.2.1 目标精确定位软件细分技术  104-105
    §6.2.2 失准角当量自标定技术  105-109
    §6.2.3 SPI串口通信的软件实现  109-114
  §6.3 串行SPI EEPROM的在线烧写及自举引导的软件实现  114-117
    §6.3.1 串行EEPROM AT25256性能描述  114-115
    §6.3.2 C5410A串行SPI引导表  115-116
    §6.3.3 SPI EEPROM在线烧写程序设计  116-117
  §6.4 软件抗干扰技术  117-118
  §6.5 本章小结  118-120
第七章 系统测量精度检查  120-132
  §7.1 实验系统组成  120-121
  §7.2 光电自准直仪精度分析  121-126
  §7.3 系统成像质量及测角精度检测  126-130
    §7.3.1 CMOS图像传感器成像质量测试  127-128
    §7.3.2 光电自准直仪测角精度检测  128-130
  §7.4 自准直角度测量精度检查结论  130-131
  §7.5 本章小结  131-132
第八章 结论与展望  132-136
  §8.1 论文的研究工作与成果  132-133
  §8.2 具有创新意义的工作  133-134
  §8.3 展望  134-136
参考文献  136-141
攻读博士学位期间发表的论文  141-142
致谢  142

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 应用光学
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