基于FPGA的小型星载非制冷红外成像系统

　　摘 要： 根据内编队重力场卫星红外成像工作环境的温度要求，选取了非制冷长波红外焦平面阵列探测器——UL 03 16 2，并在此基础上进行了系统的软硬件设计。硬件电路采用了模拟电路和数字电路分离设计方案，以减小电路噪声对红外图像的影响。在系统实现上，以内嵌MircoBlaze微处理器FPGA为主处理器，通过编程实现了图像数据的获取、处理和输出以及整个系统各模块的综合管理，提高了系统的集成度和稳定性。

　　关键词： 红外焦平面阵列；成像系统；FPGA；图像处理

　　采用内编队卫星方式测量大地重力场，需要在内卫星所受非保守力引起的扰动加速度小于1×10-11 m2/s的情况下测量内外卫星的相对位置[1]，利用非接触可见光测量带来的光压扰动在4×10-10 m2/s左右，已超出了非保守力的干扰要求范围。通过分析得出，利用内卫星表面和外卫星腔体内表面的红外发射率不同，采用三台固定于外卫星腔体内表面的红外相机对内卫星进行拍摄，可解算出内外卫星的相对位置。

　　由于内编队卫星的特殊性，要求该星载红外相机的体积、质量、功耗都很小。通过调研发现，现有的商业红外相机很难达到上述要求，且无法满足航天要求。而制冷型相机需要冷却装置将探测器冷却到相当低的温度，这增加了整个系统的功耗和复杂度。因此，研制一种小型星载非制冷红外相机是实现内编队卫星有效载荷需要首先解决的问题。基于上述需求，本文通过分析内编队重力场卫星的红外成像环境，选用了合适的长红外焦平面阵列探测器，对非制冷红外相机进行了系统设计，并利用FPGA实现了对焦平面阵列探测器芯片正常工作所需各种信号的控制和图像预处理算法以及整个系统的综合管理。

　　1 非制冷红外成像系统总体设计

　　本文设计的非制冷红外成像系统主要由光学镜头、非制冷红外焦平面阵列、控制电路、图像处理和输出电路组成，系统构成框图如图1所示。红外目标光线经过红外光学镜头聚焦在CCD探测器上，模拟电路部分提供CCD工作的基准电压，CCD探测器在数字电路部分提供的扫描时序驱动下以模拟电压的方式逐行输出每一像素点的灰度值。该模拟电压信号经过高精度A/D采样后生成数字图像信号送入数字电路部分。数字电路部分实时完成各种图像处理任务，并输出处理后的图像数据供PC机作后续处理或在电视机屏幕上显示。

　　考虑到电路噪声对红外图像信号的影响，本系统采用了数字电路和模拟电路分离设计思想，将数字电路和模拟电路设计在不同的电路板上，通过排针直接相连。它们之间只有数字信号的交互，这样既可以减小数模混合电路的相互干扰性，也可以降低信号在传输线上的噪声影响。模拟电路部分主要采用各类电压转换芯片实现对CCD探测器基准电压的设置。模数转换芯片实现对探测器输出模拟图像信号的转换以及处理后模拟图像信号的输出。数字电路部分以内嵌MicroBlaze 32位微处理器软核的FPGA为主处理器[2]，实现的功能主要包括CCD探测器时序生成、图像处理算法、处理后的数字图像信号输出以及整个系统的综合管理等[3]。

　　2 各模块的设计与实现

　　2.1 CCD探测器电路设计与实现

　　根据内编队重力场卫星设计的红外成像环境温度(300 K)和黑体维恩位移定律，可得到红外光谱辐照度的峰值波长为9.66 μm，处于长波红外波段，因此可以选用典型波长为8 μm~14 μm的红外焦平面阵列探测器。在波长范围确定的情况下，综合考虑航天运用上高可靠性、低功耗、低噪声和小型化等方面的要求，选取了ULIS公司生产的UL 03 16 2非制冷型长红外微型测辐射热仪[4]。与之相匹配的红外镜头委托相关公司设计了视场角120°、焦距3 mm、光圈F数为1的广角镜头。UL 03 16 2微型测辐射热仪焦平面阵列包含两部分：由384×288个单元组成，采用多晶硅工艺制作的电阻型两维探测阵列；连接到探测器阵列的硅工艺读出集成电路(ROIC)。

　　根据探测器芯片资料，探测器正常工作所需的电源和各项偏置电压参数要求如表1所示。

　　由表1可知，VDDA和VDDL为供电电源，选用了转换效率高、稳定性好的LT1086-5.0和LT1086-3.3电源芯片，它可提供1.5 A的最大电流。4个精密基准电压源需要为探测器提供低噪声的偏置电压(VBUS、GFID、VSK和GSK)，比较此类芯片的特性，采用AD584配合精密可调电阻产生VBUS、GFID和VSK三种电压，采用LM4041配合精密可调电阻产生GSK电压。为了使电源噪声达到上述要求，设计了放大器去噪电路，采用低噪声精密放大器OP270，它在1 kHz下能达到5 nV的电压稳定精度，温度漂移为1 ?滋V/K。图2以VSK(5.475 V)电压为例给出了具体电路原理图，其他电压的电路原理基本类似。

探测器借助不同的外部时钟