论文总字数：33703字

摘 要

红外热成像仪的核心部件是红外探测器，本毕业设计课题依托于某公司的红外热成像系统设计项目。红外热成像系统（软件）主要包含三大部分：红外探测器驱动设计、图像处理算法设计、图像显示驱动设计。红外探测器驱动设计即开发适配于某公司红外探测器的相关时序，使探测器正常工作并输出红外图像数据。在此基础上，进一步进行片上非均匀性校正，大幅度提高输出红外数据的均匀一致性。

为了完成设计目标，整个设计程序主要分为三个模块：红外探测器控制模块、校正模块和SDRAM读写模块。控制模块为红外探测器提供合适的时序信号和控制信号，同时控制校正数据的载入和红外数据的读取；校正模块实现片上非均匀校正功能；SDRAM读写模块为其他模块提供校正数据的读写功能。模块化的设计方法不仅降低了设计难度，还方便调试和修改。同时，由于FPGA具有并行处理特点，模块化的设计方法还可提高程序处理速度。

整个设计采用Verilog硬件描述语言，在FPGA上完成验证。经上板调试，设计程序可驱动红外探测器正常工作并输出红外图像数据，同时完成片上非均匀性校正。对内嵌逻辑分析仪SignalTap采样得到探测器第0行、第1行、第200行、第201行输出的红外图像数据进行统计和计算，在进行片上非均匀性校正之前数据的标准偏差为5632.1，校正后数据的标准偏差为140.5。同时，校正后数据的极差为590，小于一个OOC Step。可以看出，片上非均匀性校正有效提高了红外数据的均匀一致性。

关键词：非制冷红外焦平面探测器 红外热成像系统 片上非均匀性校正 驱动 FPGA

A Driver Design of Infrared Detector Based on FPGA

Abstract

Infrared thermal imager is the key component of the infrared detector, the project designed to rely on a company's infrared thermal imaging system project. Infrared thermal imaging system (software) consists mainly of three parts: the driver design of infrared detector, the design of image processing algorithm, the design of image display driver. The driver design of infrared detector is designed for adapting to a company's infrared detector related timing, an then the detector works well and output infrared images. On this basis, on-chip offset calibration is needed to Improve the uniformity of the output infrared data.

In order to complete the design goals, the entire design process can be divided into three modules: infrared detector control module, calibration module and SDRAM read-write module. The control module provides the appropriate time series signal and control signal for the infrared detector, and controls the loading of the correction data and the reading of the infrared data. The correction module realizes the on-chip offset calibration function; the SDRAM read-write module provides SDRAM reading and writing function for other modules.

The whole design uses the Verilog hardware description language to complete the verification on the FPGA. Through the board debugging, the design program can drive the infrared detector to work well and output infrared image data, and complete on-chip offset calibration function. After data statistics, on-chip offset calibration effectively improves the uniformity of infrared data and works normally.

Key words: uncooled infrared detector, IRFPA, on-chip offset calibration, driver, FPGA

目 录

摘 要 II

Abstract III

目 录 IV

第一章 绪论 1

1.1 红外热成像技术概述 1

1.2 国内外非制冷红外成像技术的发展现状及趋势 1

1.3 本文研究内容与结构 2

1.3.1 本文研究背景和主要内容 2

1.3.2 论文结构 3

第二章 非制冷红外热成像系统基础知识 4

2.1 红外辐射理论 4

2.2 非制冷红外热成像仪探测器介绍 4

2.3 探测器输入输出时序介绍 5

2.3.1 输入时序 5

2.3.2 输出时序 6

2.4 片上非均匀性校正介绍 6

2.4.1 红外图像非均匀性介绍 6

2.4.2 遍历法 7

2.4.3 逐次逼近法 7

2.4.4 二分法 8

2.4.5 OOC校正效果 8

第三章 系统总体设计 10

3.1 非制冷红焦平面外探测器驱动框架及工作流程 10

3.2 基于FPGA的架构实现 11

3.2.1 FPGA的简介以及选用 11

3.2.2 FPGA开发软件Quartus Ⅱ简介 11

3.2.3 FPGA器件的配置 12

3.3 基于Qsys的NIOS Ⅱ可编程片上系统 12

3.3.1 NIOS Ⅱ处理器与SOPC设计简介 12

3.3.2 基于NIOS处理器的SOPC定制 12

第四章基于FPGA的红外探测器驱动设计与实现 14

4.1 驱动功能的实现 14

4.1.1 标志位发送模块 14

4.1.2 配置发送模块 16

4.1.3 片上非均匀性数据发送模块 17

4.2 OOC校正功能的实现 19

4.2.1 OOC校正模块的设计 19

4.2.2 OOC校正数据的读写 22

4.3 SDRAM控制及读写模块的实现 23

4.3.1 SDRAM基本操作原理 23

4.3.2 SDRAM的操作 25

4.3.3 SDRAM的时序设计 26

4.4 设计验证 29

4.4.1 驱动模块的验证 29

4.4.2 SDRAM驱动模块的验证 30

4.4.3 片上非均匀性校正模块的验证 31

第五章 总结与展望 33

5.1 工作总结 33

5.2 展望 33

致 谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

红外热成像技术概述

利用物体自身因热辐射而产生的红外线来成像，能从根本上解决在夜间观察时光强不足的问题^[1]。红外热成像技术是二战后兴起的一项红外信息转换和处理技术，从本质上来讲它是一种波长转换技术，它把光谱中肉眼不可见的红外辐射转换为可见光，利用物体本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节^[2]。在红外热像仪中，接收到物体热辐射出的红外线经过光学成像之后，进行光电转换、信号放大、A/D转换、信号处理等操作，最终输出至显示设备中，从而使红外图像转换为可见图像并被人眼所识别^[3]。由于红外热像仪不需要借助外界的光源照射或探查，可以凭借物体自身因热运动而产生的热辐射信号而成像，因此与光学望远镜、微光和雷达等成像设备相比，它具有诸多优点：能识别伪装，探测隐蔽的军事目标和强光干扰下的目标；被动式和非接触式工作，具有较好的隐蔽性；比雷达更适宜于高精度观察，不受电磁干扰；受外界光照条件影响较小，可以全天二十四小时工作；红外辐射波长较可见光长，可绕过障碍物向前传播，可以使人们在烟云密布的战场，或是在雨雪交加的恶劣环境下，清晰地观察到前方的情况，等等^[2,3,4,5]。由于红外成像技术具有诸多优点，它被广泛地应用于军事、医学、工业、消防等领域。可以说，红外热成像技术在许多行业中都发挥着举足轻重的作用。

国内外非制冷红外成像技术的发展现状及趋势

红外辐射覆盖的电磁波谱很宽，从近红外的0.78μm~1μm到远红外15μm~20μm，但存在着红外辐射衰减的三个大气透射窗口，即l~3μm，3~5μm，8~14μm的波谱区。红外探测及其应用就是在这三个窗口进行的。红外探测器的材料、器件设计与制作和整机系统应用都是以这三个窗口的应用为基础发展起来的^[6]。

自19世纪英国天文学家F.W.赫歇尔发现红外线以来，科学家们对红外技术进行探究的脚步从未停止。二战中，德国研制出了基于红外的通信设备以及红外夜视仪，这是红外技术首次实际应用。德军依此加强了远程通信能力以及夜间作战能力。红外技术的首次应用，引起了各国对于红外技术的重视，红外技术也因此得到飞速提升^[7]。20世纪50年代，随着半导体技术的飞速发展，红外成像技术得以大规模应用。美国最先研制成功制冷型红外热成像仪，并将其应用于导弹弹头的制导。1958年，英国Lawson公司研制出了基于Ge:Hg的红外探测器^[8]。1964年，世界上第一台实时显示的红外热像仪正是基于此探测器完成^[9]。1965年，AGA公司研制出了第一套工业用的实时显示成像仪^[10]。虽然因为其使用的是液氮制冷，导致便携性很差，但它却是红外热成像仪在民用领域的首次，之前的产品均为军用。1986年，使用热电制冷的红外成像仪研制成功。非制冷红外热成像仪的起步要较制冷型红外热成像仪晚很多。其起始于20世纪80年代。但是，由于非制冷型红外热成像仪具有诸多优点，包括中国在内，许多国家都对其加大了研发力度，因此它的发展非常迅速。目前，世界上非制冷红外热成像技术处于领先水平的有美国、法国、英国和日本这几个国家^[11]。而在国内，非制冷红外焦平面起步研究和发展都比较晚。最早由电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器 211 所等大专院校及研究所进行了相关基础研究。但随着国内热像仪应用市场的扩展，以浙江大立、武汉高德、广州飒特、艾睿科技、广微机电为龙头的热像仪生产企业也纷纷开始关注探测器核心技术的国产化进程，国内也出现了 320×240、 640×480 的探测器样品，技术指标接近国外九十年代末产品参数^[12]。

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