红外成像制导目标检测低层处理的SoC实现技术研究

发布时间：2020-04-09 04:40

【摘要】：红外成像制导作为精确制导武器的主要制导方式之一,具有探测精度高、抗干扰能力强、可靠性高、隐蔽性好等优势。红外末制导信息处理机是红外成像制导武器的核心组成部分之一,负责在复杂的红外背景中实时地检测、跟踪并识别目标。随着红外成像探测技术的迅猛发展,数据处理的实时性面临更大挑战:红外成像探测器持续向高分辨率,高帧频以及多波段成像方向发展,输入数据率呈指数增长;随着探测器性能提高,获取的信息更多,自动目标识别(Automic Target Recognition,ATR)对信号处理的智能化程度提出更高的要求,相关算法的计算复杂度大幅度增加;弹载平台对信息处理系统的尺寸、重量与功耗(Size Weight and Power,SWaP)要求严格,小型化、高集成度需求迫切。片上系统(System on Chip,SoC)能够在单个硅芯片上实现图像采集、复杂信号处理以及数据通讯等功能,可以较好地满足以上需求,因此是红外成像制导信息处理机的理想选择。IP核是SoC的基础和核心,决定SoC的功能与数据处理速度。本文针对一款红外成像制导中低层图像处理SoC芯片的图像预处理需求,开展非制冷红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array,IRFPA)非均匀性校正(Non-Uniformity Correction,NUC)与全局运动估计(Global Motion Estimation,GME)的算法研究,并设计相应的IP核。具体而言有以下内容:针对非制冷IRFPA的NUC问题,首先提出一种线性与非线性滤波器相结合的非均匀性校正方法。与其他基于最小均方(Least Means Square,LMS)的NUC方法相比,该方法收敛速度更快,“鬼影”抑制能力更强。该方法在固定图案噪声(Fixed Patternn Noise,FPN)水平较高时使用大尺寸均值滤波器迅速降低FPN水平;当FPN水平降至较低水平时,使用具有边缘保持能力的Sigma滤波器抑制强边缘引起的“鬼影”。此外,利用Sigma滤波器实现迭代步长自适应调整以及异常像素检测替换。该方法计算复杂度较低,非常适合硬件实现。针对红外图像序列的GME问题,提出一种基于特征区域的快速GME方法。该方法解决了基于梯度的GME方法面临的计算复杂度过高、存储器带宽需求过高的问题。在层次化处理框架下,对顶层高斯金字塔图像进行角特征点检测,仅将以特征点为中心的局部区域(特征区域)用于GME迭代计算。由于特征区域中存在显著的二维空间结构,不但参与计算的像素比其他基于梯度的方法更少,而且受图像混叠影响更小、迭代速度更快、运动参数估计准确性更高。完成上一层图像的运动估计后,找出运动估计误差最大的部分特征区域,并剔除对应的特征点。在下一层图像运动估计时,仅使用剩余特征点对应的特征区域。这样不但提高对大运动目标的鲁棒性,而且降低了计算复杂度。该方法具有运动模糊帧检测功能,可避免模糊图像帧引起的GME误差甚至错误,这是同类方法不具备的。最后,完成了实时实现该GME方法的硬件电路设计。针对基于梯度的GME方法硬件实现存在的外部存储器带宽需求过高、存储器访问不规则等问题,提出以子块为单位进行数据处理与访问的方法。采用适当的片上、片外存储器分配与管理策略,在减少片上存储器容量与降低片外存储器带宽需求之间获得较好平衡。此外,电路中广泛使用流水线设计、计算单元分时复用以及简化计算等硬件设计技巧,在提高帧频、降低存储器带宽需求的同时减小电路面积、降低功耗。该电路对分辨率352x288、帧频30Hz的图像序列进行实时GME时,外部存储器带宽需求仅为5.9MB/s,远低于相关文献中的同类电路。本文设计的红外图像增强电路已完成IP封装与性能测试,并集成到一款红外成像制导中低层图像处理SoC芯片中。该芯片已经完成流片与性能测试,测试结果表明这些IP核工作正常,实现了设计目标。
【图文】：

红外成像制导是智能武器如导弹、炸弹、动能武器以及巡航导弹等的主要制一。它采用被动探测方式，，与主动与半主动雷达制导相比具有更好的隐身性见光成像制导相比，红外制导不受白昼杂波、视觉伪装的影响，而且具有在烟雾状态下工作的能力。与红外制导相比，它不但可获得信号幅度，而且能标的形状、方向信息，从而大幅度提高目标识别能力以及反欺骗能力。近年成像探测器技术得到突飞猛进的发展，但是与可见光探测器相比，仍存在较目前得到广泛应用的非制冷红外焦平面阵列探测器具有高灵敏度、高帧频等优其输出图像与可见光图像相比，仍存在诸多不足，如对比度与分辨率较低、不清晰、场景中细节较为模糊以及图像锐利程度较低。此外，NU 引起的 FP过校正仍然清晰可见，冲激噪声、时域噪声较为显著等。为了提高图像质量测器作用距离，需要为红外成像制导系统研制实时图像处理系统，利用图像克服探测器的性能缺陷。在红外成像制导中，信息处理机负责完成图像处理踪任务，其数据流程如图 1-1 所示。

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文outsceneVRT （上式中outV 为探测器输出电压，sceneT 为成像场景的温度。我们在研究中使用IS 公司的 UL04171 辐射热探测红外焦平面阵列探测器，该探测器基于非晶硅DT 小于 120 mK（f# = 1，环境温度 300K，输出帧频 60Hz）。该非制冷 IRFPA内部构造如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ765;TP391.41


本文编号：2620301