一種紅外焦平面陣列探測器模擬裝置及模擬方法
2023-04-27 14:55:06 1
專利名稱：一種紅外焦平面陣列探測器模擬裝置及模擬方法
技術領域：
本發明涉及紅外焦平面陣列成像系統技術和信號模擬領域，特別是一種產生紅外 焦平面陣列探測器響應信號的裝置，應用於紅外焦平面陣列探測器成像系統開發調試領 域。
背景技術：
隨著國防、工業等各領域對光電技術的要求越來越高，紅外成像系統應用越來越 多。紅外焦平面陣列探測器是紅外成像系統是核心器件，無論是製冷式紅外焦平面陣列探 測器還是非製冷式紅外焦平面陣列探測器，均價格不菲。在紅外成像系統的設計、研製和生產過程中，對紅外焦平面陣列探測器的直接使 用是必不可少的。例如，在紅外成像系統的調試過程中，由於設計不合理或者操作不當等原 因，探測器電擊穿的情況時有發生，造成較大的經濟損失。再如，探測器的製冷技術主要有 斯特林致冷技術、節流式致冷技術，一些製冷型紅外系統在調試過程中需要注意的事項比 較多，不能夠長時間加電調試，而且對探測器製冷要用到高壓氣源，調試操作具有一定的危 險性。此外，在排查電路故障的過程中，由於電路板加電調試的時間不可預料，如果使用真 實的探測器作為信號輸入，會耗費探測器的壽命，在紅外熱成像系統的研製過程中對靜電 防護有嚴格要求，稍有不慎就可能導致探測器損壞。在紅外成像系統的開發或者二次開發 中，需要在現場進行調試，以驗證信號處理電路和圖像處理算法，有時算法驗證需要在複雜 的實驗環境下反覆進行，如需要探測空中飛行的目標，重複的再現驗證需要很高的成本，因 此模擬探測器在複雜的環境下的響應信號便迫在眉睫了。由上可見，在紅外成像系統調試階段以及故障排查階段，有必要開發一個能夠模 擬真實紅外探測器響應信號的裝置，以方便紅外成像系統的調試，節約調試的時間和成本。紅外成像過程可以描述為目標和背景的紅外輻射通過大氣傳輸和光學系統後到 達紅外焦平面陣列探測器，紅外探測器把輻射信號轉換為電信號，最後經讀出電路輸出。目 前，所有的紅外焦平面陣列都集成有讀出電路，在探測器驅動電路提供正確的驅動信號的 作用下，紅外探測器才會輸出響應信號，這些驅動信號包括電源電壓、像素時鐘信號和邏輯 驅動信號。探測器響應信號有以下幾個特點(1)響應信號與驅動信號之間有著嚴格的相位關係，響應信號只會在驅動信號輸 入以後延遲特定的一段時間後才會輸出；(2)響應信號屬於模擬信號，每一個像素對應的響應信號均是具有一定衰減振蕩 波形的信號。在紅外焦平面陣列探測器的讀出電路中，因為其中開關電路引起暫時性幹擾 而出現暫時性噪聲，如附圖6所示，在每個像素周期結束時和下一個像素開始時總伴隨著 一個衰減的震蕩波形的信號，到達每個像素的二分之一周期時，輸出的信號才穩定，這時的 數據才是像素灰度值的真實數據，且在兩個像素數據轉換之間有一段為過渡階段。一行像 素的響應信號是一系列周期性重複的衰減振蕩波形的組合，而這種重複性的波形又不是完 全相同。這種重複性波形不完全相同的原因有兩種可能(a)每個像素的輸入紅外輻射的
4幅度不同；(b)探測器的響應非均勻性，故每個像素對應不同的衰減振蕩波形信號。(3)由於製作工藝、材料質量等因素的限制，每個探測器在阻抗、容抗、響應面積等 方面均略有差別，因此響應信號幅度並不相同，這就是響應的非均勻性。如果輸入輻射相 同，上述重複性波形不相同的原因就是響應的非均勻性。響應的非均勻性可通過後續的信 號處理解決。因此，對於一個探測器模擬裝置，如果要能夠代替真正的探測器進行調試，必須能 夠真實反映響應信號與驅動信號之間的嚴格相位關係、每個像素單元的響應振蕩波形、像 素單元之間的響應非均勻性和盲元的特徵。在中國發明專利《紅外探測器輸出的模擬方法及裝置》(CN 101425098A)中，王 恩德等發明一種紅外探測器輸出的模擬方法及裝置，其中涉及根據目標運動信息和目標 位置信息模擬探測器的波形信息，作為紅外探測器的輸出，但其僅針對四元紅外探測器， 針對現在大規模的紅外焦平面陣列探測器的並不適用，如320 X 256，384X 288，640 X 480， 1024X1024等規格的探測器，該專利公布的技術不能有效的模擬紅外焦平面陣列探測器的 響應信號。在中國發明專利《仿真紅外探測器輸出信號的裝置及方法》(CN100498806C)中，張 湧等發明了一種仿真紅外探測器輸出信號的裝置及方法，此方法和裝置「可以為紅外信號 實時信號處理的前期研製提供真實仿真數據」，但其僅能為後端處理系統提供仿真數據信 號，不能檢測判斷驅動電路提供的驅動信號並反饋驅動信號的信息，不能在確認驅動信號 正確的情況下才輸出包含紅外場景信息的紅外焦平面陣列探測器響應信號，也不能精確的 模擬探測器響應信號中的相位信息，在驗證後端的信號處理電路時存在不足，不能在紅外 成像系統的調試過程中完全替代真實的探測器，因此需要開發一種在紅外成像系統的開發 調試過程中能夠完全替代真實探測器的模擬裝置和方法。在文獻《紅外探測器模擬器設計與實現》(《紅外與雷射工程》2008年6月增刊第 37卷)中，趙玉印和凌建國描述了一種紅外探測器模擬裝置的設計和實現，該方法可以產 生紅外場景的探測器信號，但是此設計對電源電壓的檢測仍使用萬用表和示波器，操作程 序和設備較為繁瑣，不能檢測判斷驅動電路提供的驅動信號並反饋驅動信號的信息，僅僅 是在「每接收到一個積分信號，延遲若干個探測器固有的延遲周期後，在主時鐘的驅動下順 序輸出像元的模擬電平」，更重要的是這種方案只能模擬一個靜態紅外場景信息的探測器 信號，不能產生連續的運動的紅外圖像信息的探測器信號。其產生的為僅包含是靜止的紅 外圖像的模擬信號，在驗證後端圖像處理算法時無發發揮作用，並不能真正的模擬紅外焦 平面陣列探測器的響應信號，在驗證信號處理電路時存在明顯不足。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠模擬真實紅外焦平面陣列探測器的響應信號模 擬裝置。實現本發明目的的技術解決方案為本發明為紅外焦平面陣列探測器模擬裝置， 包括通信接口單元、控制單元、存儲器、驅動信號輸入檢測單元、直接數字頻率合成單元和 探測器驅動電路接口，驅動信號輸入檢測單元的信號採集埠通過探測器驅動電路接口連 接到探測器驅動電路的驅動信號輸出埠，驅動信號輸入檢測單元的信號輸出埠連接到
5控制單元的信號輸入接口和直接數字頻率合成單元，控制單元的信號埠連接到直接頻率 合成單元、通信接口單元、存儲器和驅動信號輸入檢測單元的信號埠，直接頻率合成單元 的信號輸出接口通過探測器驅動電路接口連接到探測器信號處理電路的信號採集接口，控 制單元的通信接口通過通信接口單元與外部存貯器或計算機的通信接口相連。驅動信號輸入檢測單元通過探測器驅動電路接口採集來自探測器驅動電路的驅 動信號，並輸出到控制單元判斷這些信號是否符合紅外焦平面陣列探測器的要求標準；在 判斷驅動電路的驅動信號完全正確的情況下，控制單元讀取存貯器中或通信接口輸出的紅 外場景信息，並輸出到直接數字頻率合成單元；直接數字頻率合成單元在控制單元的控制 下，按照探測器響應信號的規律模擬探測器響應信號，並輸出到探測器驅動電路接口的數 據輸入接口。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)對於真實紅外探測器，每個像素的輸出 信號都是某種有規律的波形，如衰減振蕩形式，附圖6所示。本實施實例的模擬裝置可以按 照採集的真實波形輸出每個像素的信號逼真的模擬真實的紅外焦平面陣列探測器響應信 號，其中輸出時鐘頻率遠遠高於像素時鐘信號頻率。為此，採用鎖相環對像素時鐘信號進行 倍頻，獲得高頻率時鐘信號，然後對每個像素的灰度數據和波形數據進行疊加，最後將疊加 後的波形信號採用DDS(直接數字頻率合成技術)方式輸出到外部D/A晶片。本裝置利用 DDS (直接數字頻率合成技術)模擬紅外焦平面陣列探測器的響應信號，在控制單元的控制 下，在邏輯驅動信號後延遲特定數目的時鐘後通過高速D/A電路輸出，產生了逼真的紅外 焦平面陣列探測器的響應信號，在紅外成像系統調試的初期可代替真實的紅外焦平面陣列 探測器，操作簡單，降低危險，避免了對紅外焦平面陣列探測器的損傷，減少開發成本；(2)通過檢測紅外焦平面探測器驅動電路輸出的驅動信號並反饋驅動信號的信 息，包括驅動信號不正確時的相關信息，在紅外成像系統開發的初期和故障的檢查階段，可 以迅速找到驅動信號的問題所在並解決，加快開發進度，縮短開發周期。(3)本裝置可以從外部存儲器或者計算機讀取紅外圖片和視頻，從而可以合成不 同的紅外場景數據，以紅外焦平面陣列探測器響應信號的形式輸出，如高低溫黑體圖像、事 先採集的紅外場景圖像等，也可以輸出動態視頻及連續的包含紅外場景信息的探測器響應 信號，如飛行的空中紅外目標等。這樣，本裝置不僅幫助信號處理電路進行常規的調試，還 有助於信號處理電路進行更深入的功能測試。例如，在模擬器輸出高低溫黑體圖像時，與之 相連的信號處理電路可以進行非均勻校正功能測試；在輸出空中飛行目標的動態視頻時， 還可以進行目標探測、識別和跟蹤處理。
圖1是本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置的原理框圖。圖2是本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置提出的一個實施方式的結構示意 圖。圖3是某種320X240紅外焦平面陣列探測器的驅動信號時序要求。圖4是本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置提出的一個實施方式中邏輯驅動 信號檢測判斷模塊狀態機圖。圖5是本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置提出的一個實施方式中直接數字
6頻率合成單元的結構示意圖。圖6是真實探測器輸出的響應信號分析圖。圖7是本發明一個實施實例的產生紅外焦平面陣列探測器響應信號的主要流程 示意圖。圖8是本發明一個實施實例的電路圖。圖9是本發明一個實施實例的電路圖。圖10是本發明一個實施實例的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。本發明提出一種紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，包括通信接口單元102、控制單 元103、存儲器104、驅動信號輸入檢測單元單元108、直接數字頻率合成單元109、探測器驅 動電路接口 110，驅動信號輸入檢測單元108的信號採集埠通過探測器驅動電路接口 110連接到 探測器驅動電路，驅動信號輸入檢測單元108的信號輸出埠直接連接到控制單元103和 直接數字頻率合成單元109的信號輸入接口，直接數字頻率合成單元109的信號輸出接口通過探測器驅動電路接口 110連接到 探測器信號處理電路的信號採集接口，直接數字頻率合成單元109的信號接收埠直接連 接到控制單元103的信號輸出接口，控制單元103的信號埠分別連接到通信接口單元102和存儲器104，控制單元 103的通信接口通過通信接口單元102與外部存貯器或計算機的通信接口相連。本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，所述驅動信號輸入檢測單元108包括電 源電壓檢測單元105、鎖相環106和邏輯驅動信號檢測單元107，電源電壓檢測單元105，鎖 相環106和邏輯驅動信號檢測單元107的信號採集埠分別連接到過探測器驅動電路接口 110，信號輸出端連接到控制單元103的信號接收埠，此外鎖相環106的信號輸出端連接 到邏輯驅動信號檢測單元107和直接數字頻率合成單元109的信號接收端，邏輯驅動信號 檢測單元107的信號輸出端連接到直接數字頻率合成單元109，電源電壓檢測單元105包括A/D轉換電路，電源電壓檢測單元105輸入端連接到 探測器驅動電路接口 Iio的電源埠，輸出端連接到控制單元103，電源電壓檢測單元105 將電源電壓值的模擬量轉變為數字量輸入到控制單元103 ；鎖相環106的信號輸入端連接 到探測器驅動電路接口 110的像素時鐘輸入埠，鎖相環106的輸出端連接到控制單元 103，鎖相環106用於提取像素時鐘信號，並將輸入的像素時鐘倍頻後輸出到直接數字頻率 合成單元109 ；邏輯驅動信號檢測單元107包括邏輯驅動信號檢測狀態機，邏輯驅動信號檢 測單元107信號輸入端連接到探測器驅動電路接口 110的邏輯驅動信號埠，輸出端連接 到控制單元103，邏輯驅動信號檢測狀態機用於對邏輯驅動信號進行檢測，判斷驅動信號狀 態，並向控制單元103輸出檢測信息，向直接數字頻率合成單元109輸出使能信號。本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，所述通信接口單元102用於控制單元 103讀取外部存貯器或外部計算機輸出的紅外場景數據、讀取計算機發送過來的指令或向 計算機發送指令。
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本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，所述控制單元103包括CPU和存儲器控 制器，CPU通過存儲器控制器和存儲器相連，CPU總線接口連接到直接頻率合成單元109、通 信接口單元103和驅動信號輸入檢測單元108的信號埠，控制單元103用於讀取驅動信 號檢測單元108的輸出信號、通信接口單元102或者存儲器104輸出的靜止或運動的紅外 場景數據，將靜止或運動的紅外場景數據轉變為紅外場景的像素數據序列，並輸出到直接 數字頻率合成模塊109。所述直接數字頻率合成單元109包括信號合成單元和高速D/A轉換電路，其中信 號合成單元包括FIFO、RAM、數據選擇器和加法器，控制單元103的數據輸出端直接連接到 FIFO和RAM的數據輸入埠，RAM和FIFO的數據輸出埠連接到數據選擇器和加法器，加 法器通過高速D/A轉換電路214連接到探測器驅動及信號處理電路接口，控制單元將紅外 場景的像素數據序列和每個像素周期內的震蕩波形數據寫入FIFO和RAM中，在驅動信號輸 入檢測單元108輸出的使能信號的控制下，RAM和FIFO輸出數據到加法器，加法器將像素 數據和震蕩波形數據疊加，再經D/A轉換將數字形式的信號轉變為模擬形式的探測器響應 信號輸出到探測器驅動電路接口 110。本發明模擬紅外焦平面陣列探測器的模擬方法，第一步驅動信號輸入檢測單元108通過探測器驅動電路接口 110採集來自探測 器驅動電路的驅動信號，這些驅動信號包括電源電壓、像素時鐘信號和邏輯驅動信號，向控 制單元103輸出檢測信息，並由控制單元103判斷這些信號是否符合紅外焦平面陣列探測 器的要求標準；第二步在控制單元103判斷驅動電路的驅動信號完全正確的情況下，控制單元 103讀取存貯器104中或通信接口單元102輸出的紅外場景信息，並輸出到直接數字頻率合 成單元109 ；第三步直接數字頻率合成單元109在控制單元103的控制下，按照探測器響應信 號的規律模擬探測器響應信號，並輸出到探測器驅動電路接口 110的數據輸入接口。本發明模擬紅外焦平面陣列探測器的方法，所述第一步中，驅動信號輸入檢測單 元108對探測器驅動電路的驅動信號進行的採集和判斷包括電源電壓檢測單元105讀取 探測器輸出的電源電壓大小，向控制單元輸出檢測信息；鎖相環106提取驅動電路的像素 時鐘信號，向控制單元輸出檢測信息，倍頻像素時鐘輸出到直接數字頻率合成單元109 ；邏 輯驅動信號檢測單元107檢測邏輯驅動信號，向控制單元102輸出檢測信息，並檢測其是否 符合探測器的要求。本發明模擬紅外焦平面陣列探測器的方法，所述第三步中，直接數字頻率合成單 元109合成探測器響應信號包括分別讀取每個像素的震蕩波形數據和控制單元103輸出 的紅外場景的像素數據序列，經加法器相加後經過高速D/A轉換電路轉變為模擬信號，並 通過探測器驅動電路接口 110輸出到探測器驅動電路。下面將結合附圖對本發明的一個實施方式進行詳細描述。本發明的一個實施方式包括控制單元、通信接口單元、存儲器、驅動信號 輸入檢測單元、直接數字頻率合成單元、探測器驅動電路接口。本實施方式基於單片 FPGA(Field-Programmable GateArray，即現場可編程門陣列)核心來實現，也可以通過其 他技術框架來實現。本實施方式採用基於Altera的NiosII軟核CPU的SOPC方案，減少了
8系統體積和成本，開發更加容易方便。本發明的一個實施方式的結構圖如附圖2所示，控制單元包括NiosII軟核CPU
204、LCD控制器205、SDRAM控制器206、Flash控制器207、視頻合成模塊215，LCD控制器
205、SDRAM控制器 206 和 Flash 控制器 207 分別與 LCD 201、SDRAM 208 和 Flash 209 相 連，視頻合成模塊215通過D/A視頻轉換電路216與監視器217相連，NiosII軟核CPU通 過PIO接口直接與鍵盤202相連。驅動信號輸入檢測單元包括電源電壓檢測單元211、邏輯驅動信號檢測單元210 和鎖相環212，驅動信號輸入檢測單元通過探測器驅動電路接口 110讀取探測器驅動電路 輸出的電源電壓、像素時鐘信號和邏輯驅動信號，並將檢測結果輸出到NiosII軟核CPU的 PIO 接口。直接數字頻率合成單元包括信號合成單元213和高速D/A轉換電路214。NiosII軟核CPU輸出數據至直接數字頻率合成單元的信號合成單元的信號接口， 經信號合成單元合成為探測器的響應信號，由高速D/A轉換電路轉換為模擬信號後，通過 探測器驅動電路接口 110將信號輸出到探測器信號採集電路。所述控制單元用於讀取驅動信號檢測單元的驅動信號信息、通信接口單元或者存 儲器輸出的靜止的或運動的紅外場景信息，將靜止的或運動的紅外場景信息轉變為紅外場 景的像素數據序列，並輸出到直接數字頻率合成模塊。控制單元在本實施方式中主要通過NiosII軟核CPU來實現。所述控制單元，包括 CPU(中央處理器)和存儲器控制器，CPU通過存儲器控制器和存儲器相連，CPU總線接口直 接連接到直接頻率合成單元、通信接口單元和驅動信號輸入檢測單元的信號埠，用於讀 取驅動信號檢測單元的輸出信號、通信接口單元或者存儲器輸出的靜止的或運動的紅外場 景數據，將靜止的或運動的紅外場景數據轉變為紅外場景的像素數據序列，並輸出到直接 數字頻率合成模塊。上述的系統管理功能將由可編程嵌入式NiosII軟核CPU實現。NiosII軟核CPU 是Altera公司提供的通用32位RISC軟核處理器，是基於通用FPGA架構的軟CPU內核，其 最高運算速度可達到200MDIPS，它可以提供單指令32 X 32位乘和除指令，32位通用目的寄 存器和單指令桶形移位器，以及豐富的外設接口。利用Altera提供的開發套件，用戶可以 隨意配置和構建嵌入式處理器IP核，並採用和NiosII相對應的Avalon總線結構的通信接 口。可以在單個FPGA器件中輕鬆的實現外設、存貯器接口和I/O接口功能。系統設計時，將定製SDRAM控制器、通用FLASH接口、PIO核、定時器、液晶驅動控 制器和USB接口控制器等，用於輔助完成系統管理、數據加載、上位機通信和狀態顯示等功 能。本發明紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，所述驅動信號輸入檢測單元108包括電 源電壓檢測單元105，鎖相環106和邏輯驅動信號檢測單元107，電源電壓檢測單元105，鎖相環106和邏輯驅動信號檢測單元107的信號採集埠 分別連接到探測器驅動電路接口 110，信號輸出端連接到控制單元103的信號接收埠，此 外鎖相環106的信號輸出端連接到邏輯驅動信號檢測單元107的信號接收端，邏輯驅動信 號檢測單元107的信號輸出端連接到直接數字頻率合成單元109，電源電壓檢測單元105包括A/D轉換電路，電源電壓檢測單元105輸入端連接到
9探測器驅動電路接口 110的電源埠，輸出端連接到控制單元103，電源電壓檢測單元105 將電源電壓值的模擬量轉變為數字量輸入到控制單元103 ；鎖相環106的信號輸入端連接到探測器驅動電路接口 110的像素時鐘輸入埠， 鎖相環106的信號輸出端連接到控制單元103，鎖相環106用於提取像素時鐘信號，並將輸 入的像素時鐘倍頻後輸出到直接數字頻率合成單元109 ；邏輯驅動信號檢測單元107包括邏輯驅動信號檢測狀態機，邏輯驅動信號檢測單 元107信號輸入端連接到探測器驅動電路接口 110的邏輯驅動信號埠，輸出端連接到控 制單元103，狀態機用於對邏輯驅動信號進行檢測，判斷驅動信號狀態，並向控制單元107 輸出檢測信息，向直接數字頻率合成單元109輸出使能信號。本實施方式通過某種320X240紅外焦平面陣列探測器的驅動要求來說明其構 成，如附圖3所示為其驅動信號時序圖，其中驅動信號包括像素時鐘、復位信號和積分信 號，並要求積分周期大於340個像素時鐘周期，其中積分時間要求在17到320個像素時鐘 之間。其狀態機轉換如附圖4所示，共有三種狀態復位狀態、積分狀態和非積分狀態， 並在這三種狀態之間切換，若復位信號為高電平，就立刻回到復位狀態。在積分信號為高電 平時為積分狀態，在積分信號為低電平是為非積分狀態。在此設計三個以像素時鐘觸發的 計數器，分別在一個積分周期內，一個周期內積分信號為高電平時間內和一個周期內積分 信號為低電平時分貝計數，並向控制單元返回計數器的最大值，由控制單元判斷驅動信號 是否符合條件。在每次復位信號為高電平並進入到復位狀態後，控制單元將要顯示圖像的 第一行數據寫入直接數字頻率合成單元的FIFO中，在每次進入積分狀態後，在延遲18. 5個 時鐘後，向直接數字頻率合成單元輸出使能信號，並作為行同步信號輸出。所述通信接口單元用於讀取外部存貯器或外部計算機輸入地的紅外場景信息，並 可以讀取計算機發送過來的指令或向計算機發送信息。在本實施方式中，使用USB通信芯 片203來實現。由於基於USB接口的大容量存儲器使用很多，這樣可以方便數據存儲，也可 以同外部計算機通信，相互傳遞數據或命令。本實施方式支持輸出紅外場景圖像和紅外動 態視頻兩種模式。紅外場景圖像和紅外動態視頻也可通過USB接口預存在系統的FLASH器 件裡，可通過菜單選擇輸出不同圖像。本實施實例不僅可以通過USB接口獲得外部USB存 儲設備中的數據，也可以直接讀取計算接USB接口傳輸出來的數據。其中所讀圖像格式在 本實施方式中為bmp格式，視頻格式設為avi格式。MosII軟核CPU負責管理主控電路與 USB存儲設備或計算機的通信，並將獲得的數據存儲在主控電路上的Flash晶片上。USB接口驅動模塊由FPGA內部NiosII軟核CPU和通用串口(USB)晶片CH375來 實現。CH375是一個兼容USB2. 0協議的通用接口晶片，支持主機方式和設備/從機方式兩 種模式。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便 地掛接到NiosII軟核CPU的系統總線上。在USB主機方式下，CH375還提供了串行通訊 方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與NiosII軟核CPU相連。CH375還內置了處理 Mass-Storage海量存儲設備的通訊協議的固件，NiosII軟核CPU可以直接以扇區為基本單 位讀寫常用的USB存儲設備(包括USB硬碟/USB快閃記憶體盤/U盤)。USB接口驅動模塊與計算機統一採用數據加應答方式進行通信，所有的通信都由 計算機發起，然後以接收到NiosII軟核CPU的應答結束。完整的通信過程包括
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1.計算機應用層按事先約定的格式將數據請求發送給CH375 ；2. CH375以中斷方式通知NiosII軟核CPU ；3. NiosII軟核CPU進入中斷服務程序，獲取CH375的中斷狀態並分析；4.如果下傳緩衝區成功接收到計算機發送的數據，分析接收到的數據塊，如果是 數據請求下傳命令，則從數據下傳緩衝區讀取數據塊，並發送應答數據；5.計算機應用層接收到應答數據，傳輸結束。所述探測器驅動電路接口與真實的探測器接口完全相同，用於驅動電路和本模擬 裝置的連接，可以直接插到探測器驅動電路上直接使用，不同的探測器驅動電路可更換和 相應紅外焦平面陣列探測器相對應的接口。所述直接數字頻率合成單元，包括信號合成單元和高速D/A轉換電路，其中信號 合成單元包括FIFO、RAM、數據選擇器和加法器，控制單元的數據輸出端直接連接到FIFO和RAM的數據輸入埠，RAM和FIFO的 數據輸出埠連接到數據選擇器和加法器，加法器通過高速D/A轉換電路連接到探測器驅 動電路接口，控制單元將紅外場景的像素數據序列和每個像素周期內的震蕩波形數據寫到 FIFO和RAM中，並按照探測器響應信號具有震蕩的特點，在控制單元輸出的使能信號的控 制下，RAM和FIFO輸出數據到加法器，加法器將像素數據和震蕩波形數據疊加，再經D/A轉 換將數字形式的數據轉變為模擬形式的探測器響應信號輸出到探測器驅動電路接口。所述直接數字頻率合成單元用於讀取紅外場景的像素數據序列，並按照探測器響 應信號具有震蕩的特點，在控制單元的控制下，以直接頻率合成的方式將紅外場景的像素 數據序列合成探測器響應信號，對於真實紅外探測器，每個像素對應的響應信號都有衰減 振蕩形式，如附圖6所示在每個像素周期結束和下一個像素周期開始時，信號處于震蕩階 段，然後才會進入到穩定的信號階段，這才是真正的像素數據，因此模擬器將按照採集的真 實波形輸出每個像素的信號。為了逼真的模擬出真實的紅外信號，直接數字頻率合成單元 時鐘頻率必須高於紅外焦平面陣列的像素時鐘信號。為此，在信號生成單元中必須採用高 頻時鐘對每個像素的灰度信號和衰減振蕩波形信號進行疊加，在兩個相鄰的像素周期的過 渡階段中需要對疊加的震蕩波形數據進行插值處理。在本實施實例中採取線性插值，在此 的像素時鐘為5. 625MHz，過渡階段的時間為整個像素周期的十分之一，在直接數據頻率合 成單元的高頻時鐘為像素時鐘的30倍頻168. 75MHz，在過渡階段需要插入兩個插值，控制 單元中NiosII軟核CPU根據前一像素值和後一像素疊加震蕩波形的最大值計算出過渡期 間插值1和過渡期間插值2。具體公式如下線性插值1 = 2 X前一像素數據值/3+後一像素數據值/3 ；線性插值1 =前一像素數據值/3+2 X後一像素數據值/3。其工作原理如附圖5所示，在系統進入正常工作模式以後，像素的震蕩波形數據 將會被加載到直接數字頻率合成單元內部的RAM 502內，同時每個像素的數據由控制單元 輸出到FIFO 501中，過渡期間內的插值1和插值2被寫入RAM503和RAM504，數據選擇器 505在像素周期中過渡階段內選擇過渡期間的插值輸出，在其他時間內輸出震蕩波形數據。 數據選擇器的輸出數據和像素數據經過加法器506相加後輸出到高速D/A轉換電路214， 轉換為模擬形式的信號輸出。這樣的話，在每個像素周期內，波形數據和過渡期間內插值按
11照高頻時鐘信號168. 75MHz的頻率逐個被讀出，然後與此周期內的圖像像素數據通過加法 器506疊加。疊加過程以高頻時鐘168. 75MHz為時間單位，每個像素周期期間都將將整個 周期的震蕩波形數據和像素數據疊加起來，並逐像素地進行循環。直接數字頻率合成單元 將根據工作模式和輸入設置的不同，生成相應的紅外焦平面陣列探測器的模擬信號。所述的監視器217通過D/A視頻轉換電路216接收控制單元的視頻合成模塊215 合成的標準視頻數據，並將其顯示出來，供後續驅動電路顯示圖像和當前輸入圖像比較使 用。視頻合成單元215合成模塊通過FPGA實現，視頻合成模塊的作用是把待輸出的紅 外圖像數據轉化為VGA制標準視頻數據，並按照標準視頻的時序要求送往D/A視頻轉換電 路216轉換為模擬視頻信號，送往監視器217顯示輸出。視頻合成模塊215和D/A視頻轉 換電路216共同完成VGA制視頻合成功能。所述的鍵盤202直接同NiosII軟核CPU通過FPGA的IO 口直接連接，是系統的主 要人機界面接口。可以完成以下主要功能輸出指定的紅外圖像或視頻，圖像的亮度對比度 調節，面陣探測器陣列規模的配置。本實施方式所模擬的探測器類型的陣列規模具有可配置性，可以模擬面陣 320 X 240，384 X 288，640 X 480這三種探測器陣列類型。此外，還可以通過輸入陣列規模的 行數、列數等進行重新配置，以適應未來更大陣列規模的要求。本實施方式所述的LCD 201為數字顯示模塊，是採用帶有內置中文字庫的點陣液 晶顯示驅動器，直接與NiosII軟核CPU相連，接收NiosII軟核CPU發送的檢測信息，可以 顯示當前系統的狀態和驅動信號的檢測信息，包括所模擬的探測器的規格和驅動電路的 驅動信號不滿足探測器要求的信息等。此外，對於系統的狀態顯示也可以採用在標準視頻 上進行字符疊加的方式，並可以通過控制開關進行開啟或關閉。系統的時鐘設計時鐘發生器包括兩部分a系統自帶的有源晶振，用於為FPGA內 部的NiosII軟核CPU和USB接口驅動提供時鐘等。自帶晶振產生的時鐘主要為24MHZ，經 過5倍頻後作為NiosII軟核CPU的系統時鐘；b來自於探測器驅動電路的像素時鐘信號。 進入可重新配置式鎖相環，通過鎖相環產生168. 75MHz的高頻時鐘，輸入到直接數字頻率 合成模塊。高頻時鐘由像素時鐘信號生成，因此具有與像素時鐘信號相同的相位穩定性，使 模擬器響應信號與輸入信號具有相同的相位特性。附圖7是本發明的實施實例的模擬紅外焦平面陣列探測器響應信號的主要流程 示意圖。如附圖7所示，在系統上電工作以後，MosII將進入引導模式，加載系統程序，並 對外部接口進行初始化，系統自檢狀態和工作模式均由數字顯示模塊顯示。在步驟701中，電源電壓檢測單元讀取探測器輸出的電源電壓大小，並向控制單 元輸出檢測信息；在步驟702中，鎖相環提取驅動電路的像素時鐘信號，向控制單元輸出檢測信息， 並倍頻後輸出到直接數字頻率合成單元；在步驟703中，邏輯驅動信號檢測單元檢測邏輯驅動信號，向控制單元輸出檢測 fn息ο在步驟704中，在控制單元判斷驅動電路的驅動信號完全正確的情況下，控制單 元讀取存貯器中或通信接口輸出的紅外場景的像素數據序列，並輸出到直接數字頻率合成
12單元，否則轉向步驟701 ；在步驟705中，在直接數字頻率合成單元中，分別讀取在RAM中的每個像素的震蕩 波形數據和控制單元輸出的在FIFO中的紅外場景的像素數據序列；在步驟706中，將每個像素的震蕩波形數據和對應的紅外場景像素數據相加；
在步驟707中，高速D/A轉換電路將所得到的數位訊號轉變為模擬信號，通過探測 器驅動電路接口輸出到探測器信號處理電路。 以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述設施實例限制，在上述實施例和說明書中描述的只是說明 本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些 變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及 其等效物界定。
權利要求
1.一種紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，其特徵在於包括通信接口單元[102]、控制 單元[103]、存儲器[104]、驅動信號輸入檢測單元[108]、直接數字頻率合成單元[109]、探 測器驅動電路接口 [110],驅動信號輸入檢測單元[108]的信號採集埠通過探測器驅動電路接口 [110]連接 到探測器驅動電路，驅動信號輸入檢測單元[108]的信號輸出埠直接連接到控制單元 [103]和直接數字頻率合成單元[109]的信號輸入接口，直接數字頻率合成單元[109]的信號輸出接口通過探測器驅動電路接口 [110]連接到 探測器信號處理電路的信號採集接口，直接數字頻率合成單元[109]的信號接收埠直接 連接到控制單元[103]的信號輸出接口，控制單元[103]的信號埠分別連接到通信接口單元[102]和存儲器[104]，控制單 元[103]的通信接口通過通信接口單元[102]與外部存貯器或計算機[101]的通信接口相 連。
2.根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，其特徵在於所述驅動信 號輸入檢測單元[108]包括電源電壓檢測單元[105]、鎖相環[106]和邏輯驅動信號檢測單 元[107]，電源電壓檢測單元[105]、鎖相環[106]和邏輯驅動信號檢測單元[107]的信號採集 埠分別連接到探測器驅動電路接口 [110]，信號輸出端連接到控制單元[103]的信號接 收埠，鎖相環[106]的信號輸出端連接到邏輯驅動信號檢測單元[107]的信號接收端，鎖 相環[106]和邏輯驅動信號檢測單元[107]的信號輸出端連接到直接數字頻率合成單元 [109]，電源電壓檢測單元[105]包括A/D轉換電路，電源電壓檢測單元[105]輸入端連接到 探測器驅動電路接口 [110]的電源埠，輸出端連接到控制單元[103]，電源電壓檢測單元 [105]將電源電壓值的模擬量轉變為數字量輸入到控制單元[103]；鎖相環[106]的信號輸入端連接到探測器驅動電路接口 [110]的像素時鐘輸入埠， 鎖相環[106]的輸出端連接到控制單元[103]，鎖相環[106]用於提取像素時鐘信號，並將 輸入的像素時鐘倍頻後輸出到直接數字頻率合成單元[109]；邏輯驅動信號檢測單元[107]包括邏輯驅動信號檢測狀態機，邏輯驅動信號檢測單元 [107]信號輸入端連接到探測器驅動電路接口 [110]的邏輯驅動信號埠，輸出端連接到 控制單元[103]，邏輯驅動信號檢測狀態機用於對邏輯驅動信號進行檢測，判斷驅動信號狀 態，並向信控制單元[107]輸出檢測息，向直接數字頻率合成單元[109]輸出使能信號。
3.根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，其特徵在於所述通信接 口單元[102]用於控制單元[103]讀取外部存貯器或外部計算機輸出的紅外場景數據、讀 取計算機發送過來的指令或向計算機發送指令。
4.根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，其特徵在於所述控制單 元[103]包括CPU和存儲器控制器，CPU通過存儲器控制器和存儲器相連，CPU總線接口連 接到直接頻率合成單元[109]、通信接口單元[103]和驅動信號輸入檢測單元[108]的信號 埠，控制單元[103]用於讀取驅動信號檢測單元[108]的輸出信號、通信接口單元[102] 或者存儲器[104]輸出的靜止或運動的紅外場景數據，將靜止或運動的紅外場景數據轉變 為紅外場景的像素數據序列，並輸出到直接數字頻率合成模塊[109]。
5.根據權利要求1所述的紅外焦平面陣列探測器模擬裝置，其特徵在於所述直接數 字頻率合成單元[109]包括信號合成單元和高速D/A轉換電路，其中信號合成單元包括 FIFO、RAM、數據選擇器和加法器，控制單元103的數據輸出端直接連接到FIFO和RAM的數據輸入埠，RAM和FIFO的 數據輸出埠連接到數據選擇器和加法器，加法器通過高速D/A轉換電路214連接到探測 器驅動及信號處理電路接口，控制單元將紅外場景的像素數據序列和每個像素周期內的震蕩波形數據寫入FIFO和 RAM中，在驅動信號輸入檢測單元[108]輸出的使能信號的控制下，在鎖相環輸出時鐘信號 的作用下，RAM和FIFO輸出數據到加法器，加法器將像素數據和震蕩波形數據疊加，再經 D/A轉換將數字形式的數據轉變為模擬形式的探測器響應信號輸出到探測器驅動電路接口 [110]。
6.一種模擬紅外焦平面陣列探測器的模擬方法，其特徵在於第一步驅動信號輸入檢測單元[108]通過探測器驅動電路接口 [110]採集來自探測 器驅動電路的驅動信號，這些驅動信號包括電源電壓、像素時鐘信號和邏輯驅動信號，向控 制單元[103]輸出檢測信息，並由控制單元[103]判斷這些信號是否符合紅外焦平面陣列 探測器的要求標準；第二步在控制單元[103]判斷驅動電路的驅動信號完全正確的情況下，控制單元 [103]讀取存貯器[104]中或通信接口單元[102]輸出的紅外場景信息，並輸出到直接數字 頻率合成單元[109]；第三步直接數字頻率合成單元[109]在控制單元[103]的控制下，按照探測器響應信 號的規律模擬探測器響應信號，並輸出到探測器驅動電路接口 [110]的數據輸入接口。
7.根據權利要求6所述的模擬紅外焦平面陣列探測器的方法，其特徵在於所述第一 步中，驅動信號輸入檢測單元[108]對探測器驅動電路的驅動信號進行的採集和判斷包 括電源電壓檢測單元[105]讀取探測器輸出的電源電壓大小，向控制單元輸出檢測信息；鎖相環[106]提取驅動電路的像素時鐘信號，向控制單元輸出檢測信息，倍頻像素時 鍾輸出到直接數字頻率合成單元[109]；邏輯驅動信號檢測單元[107]檢測邏輯驅動信號，向控制單元[102]輸出檢測信息，並 檢測其是否符合探測器的要求。
8.根據權利要求6所述的模擬紅外焦平面陣列探測器的方法，其特徵在於所述第三 步中，直接數字頻率合成單元[109]合成探測器響應信號包括分別讀取每個像素的震蕩 波形數據和控制單元[103]輸出的紅外場景的像素數據序列，經加法器相加後經過高速D/ A轉換電路轉變為模擬信號，並通過探測器驅動電路接口 [110]輸出到探測器驅動電路。
全文摘要
本發明公開了一種紅外焦平面陣列探測器模擬裝置及模擬方法，該裝置包括通信接口單元、控制單元、存儲器、驅動信號輸入檢測單元單元、直接數字頻率合成單元和探測器驅動電路接口，驅動信號輸入檢測單元通過探測器驅動電路接口採集來自探測器驅動電路的驅動信號，由控制單元判斷這些信號是否符合紅外焦平面陣列探測器的要求；在驅動信號完全正確時，控制單元讀取存貯器中或通信接口輸出的紅外場景信息，並輸出到直接數字頻率合成單元，按照探測器響應信號的規律合成模擬信號並輸出。本發明不僅在紅外成像系統調試初期可代替真實紅外焦平面陣列探測器，並可以檢測驅動電路的驅動信號並反饋信息，加快開發進度，降低開發成本。
文檔編號G01J5/00GK102004219SQ201010287490
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者夏朋浩, 常本康, 張俊舉, 張寶輝, 錢芸生 申請人:南京理工大學