發(fā)布時間：2020-04-09 04:40

【摘要】：紅外成像制導作為精確制導武器的主要制導方式之一,具有探測精度高、抗干擾能力強、可靠性高、隱蔽性好等優(yōu)勢。紅外末制導信息處理機是紅外成像制導武器的核心組成部分之一,負責在復雜的紅外背景中實時地檢測、跟蹤并識別目標。隨著紅外成像探測技術的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)處理的實時性面臨更大挑戰(zhàn):紅外成像探測器持續(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;隨著探測器性能提高,獲取的信息更多,自動目標識別(Automic Target Recognition,ATR)對信號處理的智能化程度提出更高的要求,相關算法的計算復雜度大幅度增加;彈載平臺對信息處理系統(tǒng)的尺寸、重量與功耗(Size Weight and Power,SWaP)要求嚴格,小型化、高集成度需求迫切。片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)能夠在單個硅芯片上實現(xiàn)圖像采集、復雜信號處理以及數(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信息處理機的理想選擇。IP核是SoC的基礎和核心,決定SoC的功能與數(shù)據(jù)處理速度。本文針對一款紅外成像制導中低層圖像處理SoC芯片的圖像預處理需求,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)與全局運動估計(Global Motion Estimation,GME)的算法研究,并設計相應的IP核。具體而言有以下內容:針對非制冷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。該方法在固定圖案噪聲(Fixed Patternn Noise,FPN)水平較高時使用大尺寸均值濾波器迅速降低FPN水平;當FPN水平降至較低水平時,使用具有邊緣保持能力的Sigma濾波器抑制強邊緣引起的“鬼影”。此外,利用Sigma濾波器實現(xiàn)迭代步長自適應調整以及異常像素檢測替換。該方法計算復雜度較低,非常適合硬件實現(xiàn)。針對紅外圖像序列的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方法面臨的計算復雜度過高、存儲器帶寬需求過高的問題。在層次化處理框架下,對頂層高斯金字塔圖像進行角特征點檢測,僅將以特征點為中心的局部區(qū)域(特征區(qū)域)用于GME迭代計算。由于特征區(qū)域中存在顯著的二維空間結構,不但參與計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、運動參數(shù)估計準確性更高。完成上一層圖像的運動估計后,找出運動估計誤差最大的部分特征區(qū)域,并剔除對應的特征點。在下一層圖像運動估計時,僅使用剩余特征點對應的特征區(qū)域。這樣不但提高對大運動目標的魯棒性,而且降低了計算復雜度。該方法具有運動模糊幀檢測功能,可避免模糊圖像幀引起的GME誤差甚至錯誤,這是同類方法不具備的。最后,完成了實時實現(xiàn)該GME方法的硬件電路設計。針對基于梯度的GME方法硬件實現(xiàn)存在的外部存儲器帶寬需求過高、存儲器訪問不規(guī)則等問題,提出以子塊為單位進行數(shù)據(jù)處理與訪問的方法。采用適當?shù)钠�、片外存儲器分配與管理策略,在減少片上存儲器容量與降低片外存儲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計、計算單元分時復用以及簡化計算等硬件設計技巧,在提高幀頻、降低存儲器帶寬需求的同時減小電路面積、降低功耗。該電路對分辨率352x288、幀頻30Hz的圖像序列進行實時GME時,外部存儲器帶寬需求僅為5.9MB/s,遠低于相關文獻中的同類電路。本文設計的紅外圖像增強電路已完成IP封裝與性能測試,并集成到一款紅外成像制導中低層圖像處理SoC芯片中。該芯片已經(jīng)完成流片與性能測試,測試結果表明這些IP核工作正常,實現(xiàn)了設計目標。
【圖文】：

紅外成像制導是智能武器如導彈、炸彈、動能武器以及巡航導彈等的主要制一。它采用被動探測方式，，與主動與半主動雷達制導相比具有更好的隱身性見光成像制導相比，紅外制導不受白晝雜波、視覺偽裝的影響，而且具有在煙霧狀態(tài)下工作的能力。與紅外制導相比，它不但可獲得信號幅度，而且能標的形狀、方向信息，從而大幅度提高目標識別能力以及反欺騙能力。近年成像探測器技術得到突飛猛進的發(fā)展，但是與可見光探測器相比，仍存在較目前得到廣泛應用的非制冷紅外焦平面陣列探測器具有高靈敏度、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，如對比度與分辨率較低、不清晰、場景中細節(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、時域噪聲較為顯著等。為了提高圖像質量測器作用距離，需要為紅外成像制導系統(tǒng)研制實時圖像處理系統(tǒng)，利用圖像克服探測器的性能缺陷。在紅外成像制導中，信息處理機負責完成圖像處理蹤任務，其數(shù)據(jù)流程如圖 1-1 所示。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文outsceneVRT （上式中outV 為探測器輸出電壓，sceneT 為成像場景的溫度。我們在研究中使用IS 公司的 UL04171 輻射熱探測紅外焦平面陣列探測器，該探測器基于非晶硅DT 小于 120 mK（f# = 1，環(huán)境溫度 300K，輸出幀頻 60Hz）。該非制冷 IRFPA內部構造如圖 2-1 所示。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TJ765;TP391.41


本文編號：2620301