低噪声红外焦平面探测器物理信号快速生成方法_张冬阳.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:江苏省高校自然科学基金面上项目(20KJD416002)收稿日期:20220630修改日期:20220930apid Generation Method for Low Noise PhysicalSignal of Infrared Focal Plane Detector*ZHANG Dongyang1*，HUANGFU Ximei1，CHEN Xuesong2，GUO Bo1(1Faculty of Electronic Information Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai an Jiangsu 223003，China;2Jiangsu Walway Technology Group Co，Ltd，Jinhu Jiangsu 211600，China)Abstract:A new rapid generation method of infrared focal plane detector s physical signal used for injection simulation is describedThe imaging physical effect of the infrared detector is quantitatively characterized based on modulation transfer function and three-di-mensional noise analysis model，and it is computed using space-convolution and pixel processing method on the hardware platform whichcan deal with parallel computing and pipeline processing in real-time The digital to analog conversion circuit，designed with low noisemethodology，has a lower noise voltage than 244 V in the pass band and achieves 14 bit resolution accuracy In terms of frame rate，240 fps and 480 fps simulation rates are achieved for the detector with the resolution values of 320256 and 128128 respectively Atpresent，the prototype obtains good application result when it is used in the debugging and testing work of the signal processor for an in-frared guidance systemKey words:infrared focal plane simulator;physical effects;template convolution;low noise voltage;synchronous sequential logic circuitsEEACC:1230;1265H;6135doi:103969/jissn10059490202301014低噪声红外焦平面探测器物理信号快速生成方法*张冬阳1*，皇甫喜梅1，陈雪松2，郭波1(1淮阴工学院电子信息工程学院，江苏 淮安 223003;2江苏华尔威科技集团有限公司，江苏 金湖 211600)摘要:介绍一种新的用于注入式仿真的红外焦平面探测器物理信号快速生成方法。该方法基于调制传递函数和三维噪声理论模型对成像物理效应进行定量表征;采用空域模板卷积和像素处理方法，配合硬件平台并行计算和流水线处理的特点，实现成像物理效应的高速实时计算;综合考虑信号完整性、电源完整性以及传输线阻抗匹配等电路设计方法完成低噪声数模转换电路设计。测试结果显示，系统样机针对 320256 和 128128 分辨率探测器的仿真速度分别达到 240 frame/s 和 480 frame/s;通频带内数模转换电路噪声电压低于 244 V，达到 14 bit 的分辨精度。目前，样机在某型红外制导系统信号处理机的软硬件调试和性能测试中得到实用，取得了很好的应用效果。关键词:红外焦平面探测器;物理效应;模板卷积;低噪声;同步耦合逻辑电路中图分类号:TN215文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01007906随着红外成像技术的发展，高性能红外成像制导系统在军事领域得到了广泛的应用。红外伪装、干扰等技术的不断发展，对新一代红外成像制导系统提出了更加苛刻的要求，不断提高复杂环境适应能力已经成为红外成像制导系统发展的重要趋势12。与此同时，红外成像制导系统性能测试的仿真试验技术取得了巨大的进步。红外半实物仿真技术已经成为红外成像制导系统性能测试的重要手段35。根据试验原理，半实物仿真方法可分为注入式和辐射式两种。辐射式方法受限于红外景象模拟器技术的发展水平4，在灰度等级、分辨率、帧频以及对比度等方面都难以满足快速发展的仿真试验需求，且测试设备成本较高。相反，注入式仿真方法不依赖于 DMD、电阻阵列、激光二极管阵列等复杂的景象投影系统，依靠场景生成计算机就可以为红外成像制导系统提供复杂环境的测试图像，不存在上述限制1，610，是进行复杂环境下红外制导系统适应性试验的有效手段。文献 1 和文献 6报道的注入式仿真使用场景生成计算机产生试验所需的红外数字图像，能够仿真复杂环境的红外场景，但是仿真帧频不高;文献 710 中采用预先生成和实际拍摄的红外数字图像作为试验数据源，能提供相对较高的仿真帧频，但是场景种类相对单一。另外，上述注入式仿真方法提供的都是数字图像，不能对探电子器件第 46 卷测器模拟信号的输出特性进行真实仿真，从而不能实现对红外制导系统信号处理机的模拟信号采样性能进行测试。本文从红外注入式仿真的角度出发，以红外系统成像物理过程为基础，提出在硬件处理平台上快速仿真生成红外探测器信号，为红外制导系统注入式仿真提供一种新的信号生成方法。该方法在硬件平台上模拟成像物理效应11，可实现高帧频仿真的目的;同时，将数字图像信号进行低噪声数模转换来仿真红外焦平面器件物理信号的特性和同步输出耦合匹配，达到对被测系统模拟信号采样性能的测试目的。1系统结构依据红外成像机理，红外焦平面探测器成像的信号传递过程是场景辐射信号到探测器模拟电信号输出的一个能量传递和转换的全链路过程。场景辐射信号在大气、光学系统、探测器和电路处理单元依次传递和转换，其基本过程如图 1 所示。因此，红外焦平面探测器物理信号快速生成的三个关键任务是:成像物理效应的高速实时计算;低噪声数模转换;仿真物理信号与待测系统的同步耦合传输。场景辐射图像与大气传输效应在三维动态场景渲染阶段完成。图 1红外成像探测器信号传递过程图 2红外探测器信号生成系统框图本文针对三个关键任务展开研究，设计的系统结构如图 2 所示。计算机完成系统参数配置，利用MODTAN 软件获得大气传输效应数据立方，采用OGE 技术实施渲染红外三维动态场景和大气传输效应;红外成像特性模拟器主要完成红外成像物理特性的高速实时计算，它与计算机之间通过 HDMI接口传输图像;图像信号注入接口模块主要完成低噪声数模转换和图像信号同步耦合输出的工作，实现对探测器物理信号输出特性的仿真;其中包含八通道低噪声数模转换电路可以满足对不同探测器物理信号仿真需求，它与红外成像特性模拟器之间采用带同步信号和数据有效信号的并行数字图像传输方式实现仿真数字图像的前后级同步传输。2设计与实现依据信号的传递过程，针对三个关键任务的设计方法分别阐述如下。21成像物理效应高速计算红外成像特性模拟器采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)作为核心处理器来构建并行计算硬件平台。FPGA 内部采用并行数据处理和流水线结构来完成成像物理效应高速实时计算。211成像物理效应模型成像物理效应分为成像系统调制传递特性和噪声特性进行分别建模。调制传递特性调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是表征红外成像系统各组成部件信号传递特性最有效的一种方法12。通常将红外成像系统看成是线性移不变系统，系统总传递函数可以由光学系统调制传递函数(MTFopt)、探测器调制传递函数(MTFdet)和电路处理调制传递函数(MTFelec)的乘积来进行征，即:MTFsys=MTFoptMTFdetMTFelec(1)其中，光学系统主要考虑几何像差和光学衍射对成像质量的影响;探测器主要考虑与探测器像元中心间隔有关的离散采样特性、与探测器像元光敏尺寸有关的采样平均特性以及与探测器积分时间有关的能量积分特性;电路处理主要考虑低通、高通和高频提举特性。这里需要注意，将探测器能量积分滤波传递函数和电路处理的传递函数由时间频率域转换到空间频率域才能进行统一计算，系统各模块的 MTF 具体函数形式可以参考文献 1113。噪声特性红外成像系统噪声是不可避免的问题14。由于探测器像元响应率的不同和前置放大器增益的差异会引入固定图案噪声，可以将其看作乘性噪声，即非均匀性;系统热噪声主要来源于光子噪声、探测器暗电流、1/f 噪声和电路读出噪声等，可以将其看作加性噪声。根据系统仿真要求，生成与图像尺寸相同的乘性噪声系数矩阵，通过查表计算的方法模拟固定图案噪声;根据三维噪声理论模型14，生成多组加性噪声随机数，采用随机抽取的方法模拟系统08第 1 期张冬阳，皇甫喜梅等:低噪声红外焦平面探测器物理信号快速生成方法热噪声。本方法采用线性函数来表征系统的乘性噪声和加性噪声，即:yij=aijxij+bij(2)式中，yij表示系统总输出;xij表示噪声特性仿真的输入信号;aij表示乘性噪声增益系数;bij表示加性噪声。212高速计算方法成像系统调制传递特性的计算过程等同于对理想图像进行滤波。根据卷积定理可知，利用 MTF 在频域进行处理等效于采用点扩散函数在空域进行卷积。因此，本文选用点扩散函数卷积模板在空域进行成像系统调制传递特性的仿真，可降低计算复杂度，提升计算效率，流程如图 3 所示。图 3调制传递特性空域卷积仿真流程空域卷积需要根据系统 MTF 在计算机中生成空域卷积模板，其流程如图 4 所示。首先，将红外成像系统总调制传递函数进行傅里叶变换，得到系统MTF 对应的空域点扩散函数;然后，对点扩散函数进行采样，取得相应尺寸的模板数据;最后，对模板数据进行归一化，得到特定大小的卷积模板。图 4卷积模板获取图 5成像效应仿真计算按上述方法得到卷积模板后，结合乘性噪声系数矩阵和加性系统热噪声随机数，按照图 5 所示结构进行红外成像物理效应的高速实时计算，流程如下:数字图像序列与点扩散函数模板进行卷积计算，模拟成像系统调制传递特性;利用线性函数法完成对系统噪声特性的仿真。在 FPGA 内部构建四组模板卷积单元并行计算，联合噪声特性的计算特点，采用 5 级流水计算架构提升运算速度，以满足成像物理效应高速实时计算的要求。22低噪声数模转换低噪声数模转换电路负责将红外成像特性模拟器输出的数字仿真图像进行数模转换，输出模拟信号，完成对红外焦平面探测器模拟信号输出特性的仿真，转换过程如图 6 所示。图 6数模转换本方法选用低噪声高精度的 16 Bit 集成数模转换芯片(D/A)和低噪声运算放大器(Operational Am-plifier，OPA)完成电路设计15，采用光电耦合器件隔离数字信号和模拟信号，减少数字噪声对模拟信号的干扰;同时，在印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)的设计生产时综合考虑信号完整性、电源网络完整性以及传输线阻抗匹配等可以抑制电路噪声的方法1516，进一步降低电路噪声，实现通频带内最高噪声电压不大于 244 V 的低噪声要求。其中，八通道的低噪声数模转换电路，由于选购元器件特性差异，PCB 加工工艺差异等使得每个通道在输入相同数字量时得到的模拟信号存在不一致的现象17。这种不一致现象会使得定量仿真的红外成像物理效应不能在物理信号输出端准确体现。采用不一致性两点校正算法对数模转换输出的不一致性进行校正，为成像物理效应的定量仿真奠定基础。23图像信号同步耦合传输红外成像制导系统中信号处理机读取真实红外焦平面器件的图像时，是严格根据焦平面器件提供的图像读取时序完成图像信息的获取工作。为满足图像信号与待测设备的同步耦合匹配，本方法利用FPGA 数字时序电路设计方法，在系统中预设了针对 640512，320256，256256，128128 四种分辨率焦平面器件的图像读取时序逻辑电路配置文件，实现图像的像素级同步耦合。18电子器件第 46 卷3结果与分析本系 统 由 联 想 启 天 商 用 计 算 机，NVidiaTX2060 显卡和基于 Xilinx Spartan3 系列 FPGA 的自研硬件平台构建。在此平台上对系统设计各项功能指标进行了详细测试。图 7系统仿真图像31物理效应高速仿真性能311仿真速度测试利用本文方法在实验室工作环境下对 320256中波红外制冷探测器(IDMM067)成像特性进行仿真，用该型探测器的信号处理机对系统输出的模拟信号进行采样重建得到红外仿真图像，如图 7 所示。仿真图像中的目标为一架飞机，背景为一片丘陵。图 7(a)为不叠加成像物理效应的场景图像，图 7(b)为叠加了成像物理效应的仿真重建图像。从图中可以看出，叠加了成像物理效应的图像变得模糊，周围一圈环形阴影区域是仿真中加强的光学系统渐晕现象;同时，仿真图像也体现出了噪声特性的模拟效果。针对不同分辨率探测器进行仿真，本文提出的探测器物理信号生成方法所能达到的实时仿真性能如表 1 所示。从表 1 可以看出，对 320256 和 256256分辨率的红外焦平面探测器，仿真帧频可以达到240 frame/s;128128 分辨率红外焦平面探测器，可以达到 480 frame/s 的仿真速度，均超过了文献 59 报道的注入式仿真图像输出帧频，能够满足红外制导系统注入式性能仿真实验的需求。表 1仿真图像分辨率和帧频图像分辨率/pixel320256256256128128仿真帧频/Hz240240480312仿真置信度验证本文以标准四条杆靶标为输入图像，分别在频域和空域对成像系统调制传递特性进行仿真，使用标准均方误差(SMSE)和相似度(Fidelity)进行相似度比较。图 8 给出了频域仿真和空域 77 模板卷积的仿真图像，从图中可以定性看出两种方法仿真结果具有较高的相似度。表 2 列出了三种模板尺寸空域卷积仿真与频域仿真结果的比较数据，可以看出，空域33 模板仿真与频域仿真结果相似度高达9882%，并且随着模板尺寸的增大，图像相似度逐渐提高，最高9983%;两种仿真结果的均方误差低到 0052 6，随着模板尺寸变大，均方误差逐渐减小，最低 0019 7。由此可以说明，采用空域模板卷积方法仿真红外成像系统成像物理效应具有较高的置信度。图 8频域仿真和空域仿真图像表 2频域仿真与空域仿真比较对比项目均方误差相似度/%空域(33)VS MTF0052 69882空域(55)VS MTF0032 09956空域(77)VS MTF0019 7998328第 1 期张冬阳，皇甫喜梅等:低噪声红外焦平面探测器物理信号快速生成方法32噪声特性分析采用频谱仪对数模转换电路模拟输出信号噪声特性进行定量分析。图9 给出了 8 个通道的噪声功率谱密度(Noise Power Spectral Density，NPSD)分布特性。图 9噪声功率谱密度分布由图可以看出，八个通 NPSD 分布变化趋势一致，在低于 4 MHz 时，NPSD 起伏较大，此处噪声功率较高;4 MHz 到 20 MHz 内，起伏较小，噪声功率较低。在通频带 020 MHz 内积分换算，可以得到 8通道数模转换的噪声电压，如表 3 所示。可以看出，通道 4 噪声最小，为 14673 V，是系统设计要求的6014%;通道 7 噪声最大，为 17024 V，是系统设计要求的 6977%，八个通道全都满足通频带内噪声电压小于 244 V 的设计要求，可达到 14 bit 的分辨精度。表 3八通道数模转换电路噪声单位:VChannelCH1CH2CH3CH4Noise/V15197148321504614673ChannelCH5CH6CH7CH8Noise/V1556416121170241600233仿真信号同步耦合时序本文通过预设多种图像同步耦合时序逻辑电路的方式，实现对不同类型焦平面探测器的图像信号同步耦合输出要求。系统是建立在数字信号处理平台FPGA 器件的基础上设计实现的，仿真的同步耦合时序可以严格实现单像素的同步精度。以 320256 中波红外制冷探测器(IDMM067)单路输出模式为例，其图像同步耦合读出时序模拟仿真测试结果如图 10 所示。图中给出了一帧图像输出开始和结束部分的时序图，可以看出，图像信号输出严格与主时钟同步。通过与文献 18 给出的探测器图像同步读出时序对比，模拟仿真时序与实际要求时序完全一致，可以实现高帧频下仿真信号与待测系统之间图像信号同步耦合传输的要求。图 10模拟探测器读出时序4结论本文方法仿真生成的红外焦平面探测器物理信号可代替真实红外探测器，将仿真数据直接注入到信号处理机作为测试信号完成系统的性能测试试验。采用本文提出的红外焦平面探测器物理信号快速生成方法设计的注入式仿真设备，在某型红外制导系统信号处理机开发和性能测试中得到实际应用，为系统性能测试带来了极大的便利，取得很好的应用效果。另外，该方法是完全参数可控的，可以通过修改系统仿真参数，实现对多种类型、不同分辨率的红外探测器物理信号的仿真，具有较强的扩展性能。后期可以通过进一步优化设计，针对更大分辨率和更高输出帧频的红外焦平面探测器物理信号进行仿真，进一步扩展应用范围。参考文献:1 王敏，邹前进，王彦斌，等 红外成像导引头闭环注入式仿真试验可行性分析 J 红外与激光工程，2013，42(10):26142619 2 郭冰涛，韩琪，惠进，等 基于识别距离的红外成像仿真验证方法 J 应用光学，2022，43(4):719725 3Kim H J，Naumann C B，Cornell M C Hardware-in-the-Loop Projector System for Light Detection and angingSensor TestingJ Optical Engineering，2012，51(8):083609 4 孙嗣良，黄勇，马斌，等 基于回路的MOS 电阻阵单像素红外模型建模方法研究 J 红外与激光工程，2019，48(12):283292 5 赵勋杰，李成金 红外半实物仿真系统的关键技术 J 红外与激光工程，2007，36(3):32632838电子器件第 46 卷 6 吴军辉，李慧，许振领，等 红外捕获跟踪设备闭环注入式仿真试验的理论研究J 红外与激光工程，2012，41(12):31663171 7 宋振丰，李岩，于洋，等 数字图像注入式红外目标捕获跟踪训练仿真J 中国光学与应用光学，2010，3(2):194200 8 黄永顺，Huang Y S 基于 USB20 数字图像注入式红外探测器仿真器设计 J 红外技术，2009，31(2):7780 9 赵玉印，凌建国 红外探测器模拟器设计与实现J 红外与激光工程，2008，37(S2):575577 10 隋修宝，陈钱，顾国华，等 红外模拟探测器研究初探 J 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Grenoble，France:Sofradir，2004张冬阳(1985)，男，博士研究生，研究方向为光电成像系统建模与仿真，zdy_shengzhou 163com;皇甫喜梅(1998)，女，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统开发与应用，2509977055 qqcom;陈雪松(1964)，男，大专，研究方向为测量控制与仪器仪表技术，43882031 qqcom;郭波(1997)，男，硕士研究生，研究方向嵌入式系统开发与应用，719269678qqcom。48