摘要：紅外地球敏感器是衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的重要姿態(tài)測量部件，提供衛(wèi)星相對于地球輻射圓盤俯仰和滾動方向的姿態(tài)信息。為進(jìn)行新一代微型紅外地球敏感器研制，開展了基于FPGA的微型紅外熱電堆探測器空間應(yīng)用研究，介紹了紅外熱電堆技術(shù)，采用探測器技術(shù)指標(biāo)，對探測器的圓環(huán)效應(yīng)、溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償、非均勻校正、盲元處理進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了紅外地球敏感器圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計與FPGA設(shè)計。測試結(jié)果表明，姿態(tài)測量偏差小于0.2°，基于FPGA微型紅外熱電堆探測器設(shè)計，能夠應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)測量，具有小型化、低功耗、低成本特點，具有替代傳統(tǒng)機(jī)械掃描式紅外地球敏感器潛力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

0引言

紅外地球敏感器通過測量衛(wèi)星相對于地球位置確定姿態(tài)，作為一種測量部件被廣泛應(yīng)于衛(wèi)星控制系統(tǒng)。主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、圖像處理與姿態(tài)解算等部分構(gòu)成。

隨著商業(yè)航天與小衛(wèi)星發(fā)展，對紅外地球敏感器的小型化、低成本、低功耗方面提出迫切需求。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式產(chǎn)品體積、重量與功耗都較大，且掃描機(jī)構(gòu)長時間運行后，會產(chǎn)生偏差，降低產(chǎn)品工作壽命。

開展面陣靜態(tài)紅外地球敏感器研究十分必要，本文探索使用微型紅外熱電堆探測器，對探測器的圓環(huán)效應(yīng)、溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償、非均勻校正、盲元處理進(jìn)行了研究，實現(xiàn)圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計與FPGA設(shè)計，完成新一代微型靜態(tài)紅外地球敏感器設(shè)計。

1紅外熱電堆技術(shù)

紅外技術(shù)目前在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，都發(fā)揮著重要作用。其中紅外探測器是紅外技術(shù)的核心部件，根據(jù)探測器工作原理，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。

本文研究的紅外熱電堆探測器屬于熱探測器，其工作原理是基于塞貝克效應(yīng)。兩種具有不同逸出功的電導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料相互串接構(gòu)建的閉環(huán)回路，兩個接觸點中溫度較高的一端通常被稱作“熱結(jié)”，較低的一端被稱作“冷結(jié)”，如圖1 所示。材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動，引起電荷積累在冷結(jié)處，此時回路中便有熱電勢產(chǎn)生，多對熱電偶相互串接就結(jié)合為一個熱電堆。

產(chǎn)生的溫差電動勢Vout，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A和B分別為材料A和B的塞貝克系數(shù)；AB是兩種材料的塞貝克系數(shù)差值。

圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖

紅外熱電堆探測器，具有如下的優(yōu)點：

①工作環(huán)境無需制冷，室溫工作，具有小型化、低成本特點；

②檢測的光譜范圍寬，能夠響應(yīng)全波段的紅外輻射；

③與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容，穩(wěn)定性好，易于生產(chǎn)，信號處理電路較容易實現(xiàn)；

④使用時外圍配置電路簡單，無需斬波，無需偏置電壓，有利于系統(tǒng)設(shè)計簡化。

可以應(yīng)用于紅外成像、非接觸測量、空間氣候探測、衛(wèi)星姿態(tài)測量等方面。

2熱電堆探測器指標(biāo)

本文研究使用的紅外熱電堆探測器為HEIMANN Sensor公司的HTPA80x64d型探測器。器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測器結(jié)構(gòu)圖

HEIMANN Sensor公司主要從事紅外熱電堆傳感器、成像陣列等方面的研制與生產(chǎn)。本文研究使用探測器為其新型快響應(yīng)面陣產(chǎn)品，基本參數(shù)信息如表1所示。

表1 HTPA80x64d型紅外探測器基本參數(shù)

3紅外圖像數(shù)據(jù)處理

3.1探測器圓環(huán)效應(yīng)

光電探測器主要由光學(xué)部分和電學(xué)部分組成，光學(xué)部分將目標(biāo)的光信息通過光學(xué)元件，照射到光電敏感單元，敏感單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電學(xué)部分進(jìn)行信號調(diào)理、檢測、采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、輸出圖像信息。

紅外光線在經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)傳輸后，由于不同能量組分的干涉效應(yīng)，在光電敏感元件表面形成能量分布，以光軸為中心，按規(guī)律分布。而產(chǎn)生了在不同溫度下的探測器輸出的圓環(huán)效應(yīng)，會導(dǎo)致圖像的低頻非均勻性，這種非均勻性噪聲一般比較固定。

使用探頭在不同黑體溫度下進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)在25℃時幾乎不存在圓環(huán)效應(yīng)，而偏離25℃越遠(yuǎn)，則圓環(huán)效應(yīng)越大。測試過程中黑體充滿整個視場，結(jié)果如圖3所示。

圖3 探測器不同黑體輻射溫度圓環(huán)效應(yīng)

3.2圖像補(bǔ)償算法

紅外熱成像系統(tǒng)接收目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射，通過光電信號處理，以圖像形式輸出。成像結(jié)果會受到以下3方面影響：

①與被測目標(biāo)的發(fā)射率、環(huán)境溫度、背景輻射、測溫距離、大氣溫度、大氣衰減等因素相關(guān)。

②與探測器的制備工藝相關(guān)，如各敏感單元的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)換效率、掩膜誤差、材料缺陷等不一致性。

③與探測器內(nèi)部電氣元件的溫度響應(yīng)相關(guān)，存在溫度漂移與響應(yīng)非線性特點。

探測器不同敏感單元，在相同的輻照度下存在不同的響應(yīng)特性；同一敏感單元，在不同溫度環(huán)境下存在不同響應(yīng)特性。

為了提高紅外圖像準(zhǔn)確度，針對以上關(guān)鍵影響因素，建立補(bǔ)償模型，進(jìn)行圖像補(bǔ)償處理。包含溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償。

完成圖像補(bǔ)償處理的具體步驟如下。

1）環(huán)境溫度計算

探測器的環(huán)境溫度由公式(2)計算得到：

式中：

，為溫度測量平均值；PTATgradient為溫度計算梯度；PTAToffset為溫度計算偏移量。

2）圖像溫度偏移補(bǔ)償計算

圖像數(shù)據(jù)溫度偏移補(bǔ)償，由公式(3)計算得到：

式中：Vij_Comp為溫度偏移補(bǔ)償后圖像值；Vij為探頭讀出原始圖像值；ThGradij為溫度補(bǔ)償梯度。ThOffsetij為溫度補(bǔ)償偏移量。gradscale為溫度補(bǔ)償梯度的縮放系數(shù)。

3）像元響應(yīng)偏移補(bǔ)償計算

像元響應(yīng)偏移補(bǔ)償，由公式(4)計算得到：

式中：Vij_Comp*為環(huán)境溫度偏移補(bǔ)償和像元響應(yīng)偏移補(bǔ)償后電壓；elOffsetij為像元響應(yīng)偏移量。

3.3圖像非均勻校正

非制冷紅外焦平面的非均勻性校正方法基本可分為兩類：基于標(biāo)定技術(shù)的算法和基于場景技術(shù)的算法?；趫鼍凹夹g(shù)的校正算法，理論性較強(qiáng)，硬件實現(xiàn)難度較大?；跇?biāo)定技術(shù)的校正算法，結(jié)構(gòu)簡單，易于硬件實現(xiàn)，具有較好的適應(yīng)性與有效性。標(biāo)定校正方法，是通過使用均勻的高溫、低溫黑體，對紅外焦平面標(biāo)定，計算出增益和偏移系數(shù)，是一種有效實用的算法。常見有兩點法和擴(kuò)展兩點法，本文使用兩點法對紅外圖像進(jìn)行非均勻校正。

兩點校正法應(yīng)用的前提條件：探測器敏感單元的響應(yīng)特性①在使用的溫度范圍內(nèi)，為線性變化；②在使用時間范圍內(nèi)，受隨機(jī)噪聲影響小，具有穩(wěn)定性。

根據(jù)地球大氣14 ~ 16 μm紅外輻射譜段，地球平均等效黑體溫度約為247 K，空間背景溫度約為4 K。利用普朗克公式計算光譜輻射能量差，當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃，地球模擬輻射圓盤溫度為66.8 ℃。紅外地球敏感器在空間工作環(huán)境中，會進(jìn)行溫度控制，選取典型的工作溫度25 ℃，對探測器的輸出響應(yīng)進(jìn)行測量，如圖4所示，計算得到非線性誤差為2.26%。

圖4 探測器輸出響應(yīng)曲線

在探測器工作溫度范圍0℃ ~ 45℃，探測目標(biāo)溫度范圍0℃ ~ 80℃，探測器輸出響應(yīng)的非線性誤差在1.3 ~ 4.6%之間。

在探測器工作溫度范圍0℃ ~ 45℃，對同一均勻溫度黑體進(jìn)行標(biāo)定測量，輸出響應(yīng)在時域上較為穩(wěn)定，存在一些隨機(jī)噪聲，通過平滑濾波后，可以消除噪聲影響。在探測器工作溫度25℃，探測目標(biāo)溫度20℃和40℃，連續(xù)進(jìn)行1000次圖像數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖5所示。

圖5 探測器連續(xù)輸出響應(yīng)

因此，本文使用的探測器，能夠基本滿足兩點校正法應(yīng)用的兩個前提條件。

根據(jù)線性模型數(shù)據(jù)公式，兩點校正的具體方法為：用一個高溫黑體T1和一個低溫黑體T2作為標(biāo)定源，測量探測器敏感單元響應(yīng)。

根據(jù)式(5)、(6)，計算得到每個敏感單元的增益校正系數(shù)Gij與偏移校正系數(shù)Oij：

式中：XijT1和XijT2為敏感單元ij在高溫T1和低溫T2的響應(yīng)值。XijT1和XijT2為探測器在高溫T1和低溫T2的響應(yīng)均值。

根據(jù)式(7)，進(jìn)行實時非均勻校正：

式中：Xij為探測器輸出圖像數(shù)據(jù)；Yij為非均勻校正后圖像數(shù)據(jù)。

3.4圖像盲元處理

紅外焦平面探測器在生產(chǎn)制備過程中，受半導(dǎo)體材料與制作工藝影響，有的敏感單元會存在響應(yīng)率過高或過低的現(xiàn)象，稱為盲元，使紅外圖像存在黑白噪點。在探測器使用過程中，受使用環(huán)境應(yīng)力與器件自身壽命影響，盲元數(shù)量可能會增加。溫度補(bǔ)償和非均勻校正能夠起到一定補(bǔ)償效果，但無法完全消除盲元影響。

盲元在紅外圖像中形成亮點或暗點，可能會對紅外圖像目標(biāo)檢測識別造成較大影響。

盲元或死像元可以通過線性插值法進(jìn)行補(bǔ)償替換。一般采用盲像元相鄰的同一行或同一列的2個像素點，或者周圍9個像素點數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性插值計算，用計算后的值對盲元替換。

本文采用的補(bǔ)償方法是用盲元臨近的九宮格，選擇部分點進(jìn)行線性插值計算，來替換盲像元的值。如圖6所示，臨近點像元相應(yīng)位為1則表示使用該像素點，為0則表示不采用。如果盲元為邊緣點，則在圖像邊界外的位置的值不會為1。

圖6 盲元線性插值補(bǔ)償

經(jīng)過對盲元替換處理，有效避免盲元點對紅外圖像進(jìn)行姿態(tài)解算帶來的影響，提高了紅外圖像的質(zhì)量，使探測器在長工作時間，紅外圖像能夠保持較好的均勻性。

4系統(tǒng)方案設(shè)計

4.1系統(tǒng)設(shè)計

微型紅外熱電堆圖像處理系統(tǒng)平臺主要包含3路探測器，CPU及其周邊電路，F(xiàn)PGA電路，乒乓SRAM電路，EEPROM電路，接口通訊電路等組成。圖7所示為原理框圖，圖中箭頭表示信號與數(shù)據(jù)流向。主要分為兩大部分，以FPGA為核心的圖像數(shù)據(jù)接收與處理部分，以CPU為核心的主流程控制與姿態(tài)結(jié)算部分，在器件選型方面選擇具有抗輻照指標(biāo)的高可靠元器件。

圖7 圖像處理系統(tǒng)原理框圖

FPGA主要完成三路探頭數(shù)據(jù)接收，原始紅外數(shù)據(jù)排序，圖像數(shù)據(jù)補(bǔ)償，非均勻校正，盲元數(shù)據(jù)處理，乒乓SRAM數(shù)據(jù)處理，通訊控制等功能。

乒乓SRAM用來緩存圖像接收、圖像處理過程數(shù)據(jù)，使圖像數(shù)據(jù)處理與姿態(tài)結(jié)算流水同步操作。

EEPROM用來存儲補(bǔ)償參數(shù)，非均勻校正參數(shù)，盲元處理參數(shù)，操作指令等信息。關(guān)鍵參數(shù)與指令內(nèi)部通過三取二冗余存儲與校驗，實現(xiàn)容錯處理功能。

CPU主要完成圖像梯度計算、地球邊界分析、姿態(tài)計算、工作流程控制、通訊控制等功能。外圍存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器SRAM、BOOT程序存儲器ROM、擴(kuò)展程序存儲器NOR Flash。

紅外圖像處理系統(tǒng)上電后，進(jìn)行硬件自檢及資源初始化。按照控制周期，實現(xiàn)對三路探頭數(shù)據(jù)接收、圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖像信息解算等流水操作，得到姿態(tài)信息。

4.2 FPGA設(shè)計

在圖像處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA作為核心功能單元，功能框圖如圖8所示，圖中箭頭表示信號與數(shù)據(jù)流向。紅外圖像處理系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA對3路紅外探測器完成初始化配置。按照控制指令，接收探測器原始圖像的灰度數(shù)據(jù)，對圖像數(shù)據(jù)按圖幅進(jìn)行數(shù)據(jù)排序，并且乒乓緩存入SRAM中。

然后對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理，完成圖像數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償，響應(yīng)補(bǔ)償，非均勻校正，盲元處理，將處理好的圖像數(shù)據(jù)再次緩存入乒乓SRAM中。

圖8 圖像處理FPGA設(shè)計功能框圖

FPGA內(nèi)部集成定點轉(zhuǎn)浮點處理單元、浮點數(shù)據(jù)四則運算單元、浮點轉(zhuǎn)定點處理單元。從探測器輸出圖像數(shù)據(jù)為定點數(shù)據(jù)，先轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再轉(zhuǎn)換為定點數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理過程與MATLAB計算結(jié)果按步驟依次比對，定點處理部分結(jié)果一致，浮點處理部分精度為小數(shù)點后兩位（十進(jìn)制下），基于FPGA圖像數(shù)據(jù)處理符合設(shè)計要求。

在FPGA集成編譯工具下，使用工具內(nèi)嵌邏輯分析儀，對圖像數(shù)據(jù)處理過程波形抓取。三路探頭數(shù)據(jù)接收如圖9所示，圖像數(shù)據(jù)處理如圖10所示。

5實驗結(jié)果與分析

為驗證所設(shè)計的圖像補(bǔ)償算法、非均勻校正、盲元處理能夠滿足空間應(yīng)用需求，開展了紅外成像實驗。圖11為實驗室內(nèi)成像，(a)為探測器輸出原始數(shù)據(jù)圖像，(b)為完成圖像補(bǔ)償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。從圖中可以看出，(a)中圖像非均勻性及噪聲非常明顯，基本無法辨認(rèn)圖像信息，(b)中圖像在處理后非均勻性大大降低，圖像質(zhì)量得到非常明顯提升，(c)中圖像的盲元黑點完成插值替換，消除對后期進(jìn)行圖像信息解算的影響。

圖12為模擬探測器在空間中對地球輻射圓盤邊界成像，(a)為探測器輸出原始數(shù)據(jù)圖像，(b)為完成圖像補(bǔ)償和非均勻校正后圖像，(c)為完成盲元處理后圖像。實驗結(jié)果顯示，紅外探測器原始圖像，經(jīng)過圖像處理后，地球輻射圓盤邊界能夠清晰成像。

圖9 三路探測器數(shù)據(jù)接收

圖10 圖像數(shù)據(jù)處理

圖11 實驗室內(nèi)圖像采集

圖12 模擬地球輻射圓盤邊界圖像

對完成補(bǔ)償運算、非均勻校正、盲元處理的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行非均勻性評估，非均勻性由公式(8)計算得到：

式中：YSTD為像元輸出響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；Y為像元輸出響應(yīng)均值。

在紅外地球敏感器工作溫度范圍0℃ ~ 45℃，紅外圖像數(shù)據(jù)非均勻性在0.72% ~ 1.43%之間，地球輻射圓盤成像邊界清晰平滑，能夠進(jìn)行姿態(tài)解算。

使用三路探測器圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算。通過圖像數(shù)據(jù)點梯度計算，完成地球輻射圓盤邊緣提?。磺笕∵吘夵c的空間坐標(biāo)映射，完成地球圓心位置提取。測試結(jié)果表明，姿態(tài)測量偏差小于0.2°，基于FPGA的微型紅外熱電堆探測器圖像處理系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)測量。

6結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA的微型紅外熱電堆探測器圖像處理系統(tǒng)，對探測器的圓環(huán)效應(yīng)、圖像溫度補(bǔ)償、響應(yīng)補(bǔ)償、非均勻校正、盲元處理進(jìn)行了研究。介紹了紅外圖像處理系統(tǒng)的方案設(shè)計、FPGA設(shè)計，對最終的圖像處理結(jié)果進(jìn)行了分析，姿態(tài)測量偏差小于0.2°。表明基于FPGA的微型紅外的熱電堆探測器設(shè)計能夠應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)測量，基于該系統(tǒng)設(shè)計的紅外地球敏感器為全數(shù)字處理方案，體積、重量約為傳統(tǒng)機(jī)械掃描式產(chǎn)品的1/3，成本極大降低，滿足小型化、低功耗、低成本需求，可以替代傳統(tǒng)機(jī)械掃描式紅外地球敏感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

原文標(biāo)題：基于FPGA微型紅外熱電堆探測器空間應(yīng)用

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