【摘要】：紅外成像制導(dǎo)作為精確制導(dǎo)武器的主要制導(dǎo)方式之一,具有探測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、隱蔽性好等優(yōu)勢(shì)。紅外末制導(dǎo)信息處理機(jī)是紅外成像制導(dǎo)武器的核心組成部分之一,負(fù)責(zé)在復(fù)雜的紅外背景中實(shí)時(shí)地檢測(cè)、跟蹤并識(shí)別目標(biāo)。隨著紅外成像探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性面臨更大挑戰(zhàn):紅外成像探測(cè)器持續(xù)向高分辨率,高幀頻以及多波段成像方向發(fā)展,輸入數(shù)據(jù)率呈指數(shù)增長(zhǎng);隨著探測(cè)器性能提高,獲取的信息更多,自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(Automic Target Recognition,ATR)對(duì)信號(hào)處理的智能化程度提出更高的要求,相關(guān)算法的計(jì)算復(fù)雜度大幅度增加;彈載平臺(tái)對(duì)信息處理系統(tǒng)的尺寸、重量與功耗(Size Weight and Power,SWaP)要求嚴(yán)格,小型化、高集成度需求迫切。片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)能夠在單個(gè)硅芯片上實(shí)現(xiàn)圖像采集、復(fù)雜信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)通訊等功能,可以較好地滿足以上需求,因此是紅外成像制導(dǎo)信息處理機(jī)的理想選擇。IP核是SoC的基礎(chǔ)和核心,決定SoC的功能與數(shù)據(jù)處理速度。本文針對(duì)一款紅外成像制導(dǎo)中低層圖像處理SoC芯片的圖像預(yù)處理需求,開展非制冷紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)非均勻性校正(Non-Uniformity Correction,NUC)與全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)(Global Motion Estimation,GME)的算法研究,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的IP核。具體而言有以下內(nèi)容:針對(duì)非制冷IRFPA的NUC問題,首先提出一種線性與非線性濾波器相結(jié)合的非均勻性校正方法。與其他基于最小均方(Least Means Square,LMS)的NUC方法相比,該方法收斂速度更快,“鬼影”抑制能力更強(qiáng)。該方法在固定圖案噪聲(Fixed Patternn Noise,FPN)水平較高時(shí)使用大尺寸均值濾波器迅速降低FPN水平;當(dāng)FPN水平降至較低水平時(shí),使用具有邊緣保持能力的Sigma濾波器抑制強(qiáng)邊緣引起的“鬼影”。此外,利用Sigma濾波器實(shí)現(xiàn)迭代步長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)整以及異常像素檢測(cè)替換。該方法計(jì)算復(fù)雜度較低,非常適合硬件實(shí)現(xiàn)。針對(duì)紅外圖像序列的GME問題,提出一種基于特征區(qū)域的快速GME方法。該方法解決了基于梯度的GME方法面臨的計(jì)算復(fù)雜度過高、存儲(chǔ)器帶寬需求過高的問題。在層次化處理框架下,對(duì)頂層高斯金字塔圖像進(jìn)行角特征點(diǎn)檢測(cè),僅將以特征點(diǎn)為中心的局部區(qū)域(特征區(qū)域)用于GME迭代計(jì)算。由于特征區(qū)域中存在顯著的二維空間結(jié)構(gòu),不但參與計(jì)算的像素比其他基于梯度的方法更少,而且受圖像混疊影響更小、迭代速度更快、運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確性更高。完成上一層圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)后,找出運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差最大的部分特征區(qū)域,并剔除對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)。在下一層圖像運(yùn)動(dòng)估計(jì)時(shí),僅使用剩余特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征區(qū)域。這樣不但提高對(duì)大運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的魯棒性,而且降低了計(jì)算復(fù)雜度。該方法具有運(yùn)動(dòng)模糊幀檢測(cè)功能,可避免模糊圖像幀引起的GME誤差甚至錯(cuò)誤,這是同類方法不具備的。最后,完成了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該GME方法的硬件電路設(shè)計(jì)。針對(duì)基于梯度的GME方法硬件實(shí)現(xiàn)存在的外部存儲(chǔ)器帶寬需求過高、存儲(chǔ)器訪問不規(guī)則等問題,提出以子塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與訪問的方法。采用適當(dāng)?shù)钠�、片外存�?chǔ)器分配與管理策略,在減少片上存儲(chǔ)器容量與降低片外存儲(chǔ)器帶寬需求之間獲得較好平衡。此外,電路中廣泛使用流水線設(shè)計(jì)、計(jì)算單元分時(shí)復(fù)用以及簡(jiǎn)化計(jì)算等硬件設(shè)計(jì)技巧,在提高幀頻、降低存儲(chǔ)器帶寬需求的同時(shí)減小電路面積、降低功耗。該電路對(duì)分辨率352x288、幀頻30Hz的圖像序列進(jìn)行實(shí)時(shí)GME時(shí),外部存儲(chǔ)器帶寬需求僅為5.9MB/s,遠(yuǎn)低于相關(guān)文獻(xiàn)中的同類電路。本文設(shè)計(jì)的紅外圖像增強(qiáng)電路已完成IP封裝與性能測(cè)試,并集成到一款紅外成像制導(dǎo)中低層圖像處理SoC芯片中。該芯片已經(jīng)完成流片與性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明這些IP核工作正常,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
【圖文】：

紅外成像制導(dǎo)是智能武器如導(dǎo)彈、炸彈、動(dòng)能武器以及巡航導(dǎo)彈等的主要制一。它采用被動(dòng)探測(cè)方式，，與主動(dòng)與半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)相比具有更好的隱身性見光成像制導(dǎo)相比，紅外制導(dǎo)不受白晝雜波、視覺偽裝的影響，而且具有在煙霧狀態(tài)下工作的能力。與紅外制導(dǎo)相比，它不但可獲得信號(hào)幅度，而且能標(biāo)的形狀、方向信息，從而大幅度提高目標(biāo)識(shí)別能力以及反欺騙能力。近年成像探測(cè)器技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是與可見光探測(cè)器相比，仍存在較目前得到廣泛應(yīng)用的非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器具有高靈敏度、高幀頻等優(yōu)其輸出圖像與可見光圖像相比，仍存在諸多不足，如對(duì)比度與分辨率較低、不清晰、場(chǎng)景中細(xì)節(jié)較為模糊以及圖像銳利程度較低。此外，NU 引起的 FP過校正仍然清晰可見，沖激噪聲、時(shí)域噪聲較為顯著等。為了提高圖像質(zhì)量測(cè)器作用距離，需要為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)研制實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，利用圖像克服探測(cè)器的性能缺陷。在紅外成像制導(dǎo)中，信息處理機(jī)負(fù)責(zé)完成圖像處理蹤任務(wù)，其數(shù)據(jù)流程如圖 1-1 所示。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文outsceneVRT （上式中outV 為探測(cè)器輸出電壓，sceneT 為成像場(chǎng)景的溫度。我們?cè)谘芯恐惺褂肐S 公司的 UL04171 輻射熱探測(cè)紅外焦平面陣列探測(cè)器，該探測(cè)器基于非晶硅DT 小于 120 mK（f# = 1，環(huán)境溫度 300K，輸出幀頻 60Hz）。該非制冷 IRFPA內(nèi)部構(gòu)造如圖 2-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TJ765;TP391.41


本文編號(hào)：2620301