车载红外热成像系统设计

摘要

　　在夜间照明条件不良或雨雪天气情况下,交通事故频繁发生。车载红外热成像系统作为一种车载辅助驾驶系统,不受照明条件、恶劣天气等因素的影响,能够将外界场景的红外福射转换成电信号,经过处理后再送到显示器显示。因此,为了保障驾驶员、乘客及第H方的安全,车载红外热成像系统的研巧与应用得到越来越高的重视。

　　目前,只有国内外髙端车型上配备了车载红外热成像系统,且巧采用国外探测器,价格昂贵且存在进口限制。基于国外技术壁垒和国内技术落后的现状,在国产红外探测器的基础上研巧低噪声、髙动态范围、小型化、低功耗的车载红外热成像系统对于推动我国半导体斤业的发展、提升国民经济、保障民众生命安全均具有重大意义。

　　本文W某款国产非制冷红外焦平面探测器为研充对象,针对车载应用领域,设计并搭建了环境适应性强的硬件系统架构。然后,基于FPGA平台搭建并编程实现了系统的软件架构。提出了平台直方图均衡化硬件实现的新方法,利用直方图的平台值约束FPGA内部RAM的大小,并采用SDRAM仲裁控制,将累积直方图写入到外部存储总片SDRAM中,节省了　FPGA内部资源,利于实现系统多功能化。提出了全温度范围的无挡片非均匀性校正算法,利用高低温箱和黑体提前获取校正参数,避免了挡片带来的"盲视"效应,有效提升系统稳定性,降低系统功耗。

　　实验结果表明,本文设计的车载红外热成像系统稳定性好、环境适应性强、噪声小、图像对比度强,实现了全湿度范围的成像显示,巧可根据用户需求通过上位机控制各个图像处理算法等。

　　关键词:车载辅助驾驶系统,国产红外探测器,平台直方图,非均匀性校正

Abstract

　　There are many traffic accidents in the poor lighting or sleety weather.Vehicle,s infrared thermal imaging system, changing the infrared radiation of surroundings to electrical signals, and sending to display after deal,is to driver-assistance system,and is not affected by many factors ,like Kghting Conditions,bad weather etc. In order to guarantee the security of driver,passengers,and third party,the ieesearch and appKcation of vehicle,s infrared thermal imaging system gets more and more attentions.

　　At present^ only high-end vehicles are equipped vehicle,s infrared imaging system, and these systems adapt technology, they are much expensive and there is exkt import restriction. Considering the technology barrier abroad and technology backward domestic, the ieesearch of low noise,high dynamic range, low power vehicle,s infrared imaging systems based on domestic infrared detector has a great significance to promote the development of semiconductor industry ,to promote the national economy, and ensure the safety of people,s lives.

　　This paper is based on a domestic uncooled infrared focal plane detector, the framework of vehicle,s infrared imaging system is designed for automotive applications. And then the softeware system is designed and coded based on FPGA. This paper proposed an implementation of Platform Histogram Equalization Algorithm, which can save hardware resources by constrainting the size of RAM through platvalue and writing cumulative histogram into SDRAM through arbitrkion module. And also proposed a shutter-less non-uniformity correction algorithm, which gets calibration parameters in test chamber and black box, and can avoid blandless by shutter. These algorithms can prove the stabilityofinfraredimagesandreducethepowerconsumption.

　　Experimental reesults show that vehicle infrared imaging system designed by this paper has a good stability,low noise, strong image contrast. Also it has realized imaging display in the whole range of temperature, and the users can control some image processing algorithms by PC interface.

　　Keyword: Vehicle - assisted driving system. Domestic infrared detectors,platform histogram. Nonuniformity correction

　　随着生活水平的提高,人们对生活质量提出了更高要求,电动车、汽车等代步工具应运而生。然而,随着车辆的普及,道路交通事故频繁发生,严重损害人们的生命财产安全。据统计,每年至少给一千万人造成伤害,预计医疗费用、财产损失和其他成本将高达全球GDP产量的百分之一到百分之HW。我国因为交通事故每年平均死亡9万人左右,伤48万人。在这些交通事故中,平均夜间行车仅仅占公路交通的28%,但是夜间发生重大交通事故却占总交通事故数的55%,而夜间事故的死亡人数更是占到75%W上,同时雾天W及对向车灯膝光也会提升交通事故的发生几率。综合分析,在夜间或恶劣天气下,驾驶员视线大大缩短,是造成交通事故的主要原因。因此,研巧制备车辆辅助驾驶系统,提升夜间及恶劣天气等能见度低的情况下的行车安全思得至关重要。

　　目前,夜视系统包括微光、激光、红外热成像。微光夜视由于会放大入射光线成百上千倍,在对向来车大灯照射时会导致微光摄像机失效甚至因入射光过强而烧毁。

　　因此,微光夜视系统较难应用于民用车载市场。激光夜视在安防监控领域已经有大量应用,在车载系统中,摄像机如何屏蔽车大灯,如何提升完全不发光物体,如人、树等的发现能力是亟待解决的问题。红外成像系统由于红外线穿透能力强,能抗雨雾雪等极端天气,且能屏蔽对向来车大灯的影响,因此在民用车辆上的夜视效果较好。

　　红外热成像技术顺应时代需求,不断发展,逐渐从军事应用领域跨入到民用领域,在军民两用中逐步发展,已经受到全世界的高度重视。红外热成像系统接收场景内的红外福射,将光信号转换为电信号,经过一系列图像处理算法后,再成像出仅仅与场景的湿度梯度分布相关的图像。凡温度在-273℃以上的物体,都会不断的向外福射出不同程度的红外,在现代物理学中称之为热射线。因此红外成像系统不受照明条件的影响,来向汽车的强烈车灯不会使红外热成像系统致盲,且能够在夜间或雨雾等恶劣天气下正常成像,大大提高前方道路及交通情况的辨识度,提升驾驶安全。

　　红外探测器和电子学组件是车载红外热成像系统的两大核也。由于受到半导体行业的发展限制,当前市场上的热成像系统均采用价格高昂的国外探测器。因此,为了降低成本,实现国产化,未来的车载热成像系统的研究应偏重于采用国产红外探测器。

　　由于汽车存在上电时电瓶供电不稳、在行驶中颠绫等问题,红外热像仪机巧在设计时满足强的环境适应性,如冲击震动、高低温等。此外,红外图像普遍存在非均匀性大、对比度低、分辨率差等缺点,难W达到高成像质量、高分辨率、更好的环境适应性等要求,因此需要对红外图像进行非均匀性校正、对比度增强等图像处理算法,提升图像信噪比和对比度,满足各种场合需求。目前非均匀性校正算法主要发展出基于场景的非均匀性校正和基于定标的非均巧性校正两类。由于基于场景的非均匀性校正在处理中易出现鬼影,且复杂度高,不利于硬件实现,因此在工程实践上通常采用基于定标的方法。基于定标的非均匀性校正算法包括单点校正、两点校正、多点校正等。其中,两点校正法因其计算量小、效果显着,在红外项目工程中广泛应用,为克服温度漂移导致两点校正参数不适用而引起的图像质量变差问题,通常采用挡片更新校正参数达到成像效果。但挡片这一机械结构的引入増加了系统的功耗和不稳定性,且挡片会导致视场上几秒钟的"盲视",对于需要时刻关注路况的车载红外热成像系统应用来说是致命缺陷。因此,研究无挡片非均匀性校正技术,从而提升系统稳定性,避免挡片致盲显得至关重要

　　本论文分析了国内外车载红外夜视仪的发展现状,W广微积电国产红外焦平面探测器GWIR　02　02　X1A为基础,研制出一套小型化、低功耗的车载红外热像仪系统,并研究了红外图像处理技术,主要工作如下:

　　1)分析红外焦平面探测器GWIR　02　02　X1A数据手册,分析其驱动设计的具体要求

　　2)根据红外焦平面探测器GWIR　02　02　X1A的输出图像特征,设定红外成像系统方案架构;

　　3)根据成像系统的方案架构,完成各忘片选型及原理图绘制;

　　4)根据原理图完成PCB的设计与绘制;

　　5)对硬件电路进行调试,使电路板各个模块正常工作;

　　6)�塅PGA软件程序设计,验证方案可行性,输出并盈示纪外图像;

　　7)分析红外图像的特点,提出直方图均衡的硬件优化方法、非均匀性校正的方法,并完成MATLAB仿真和硬件实现。

　　本文主要内容和结构安排如下:

　　第一章绪论。本章介绍了本文研究的背景、意义及国内外发展水平,分析了现阶段我国车载夜视系统的发展现状及研制国产车载红外热成像系统的必要性,并简要介绍本论文的主要工作和结构安排。

　　第二章红外焦平面探测器。本章简要介绍了红外传感器的工作原理及读出结构,进一步介绍本文采用的广微积电GWIR　02　02　XIA红外传感器的主要性能特点。

　　第H章车载红外热像仪系统整体方案设计。本章首先分析介绍了　GWIR　02　02XIA红外传感器的输出数据结构,再根据其数据结构完成车载红外夜视仪系统方案设计,并确定各个单元忘片的选型。

　　第四章车载红外热像仪系统硬件电路设计及PCB设计。本章根据系统方案设计及选型巧片,完成热像仪系统硬件电路的详细设计,并完成PCB绘制。

　　第五章车载红外热像仪系统软件设计。本章详细介绍了热像仪系统的软件设计,采用Altera公司的Quartus　II及NIOS软件,基于VerilogHDL硬件描述语言和C语言完成系统FPGA逻揖设计及数据流的控制,采用C++Builder编写上位机界面,完成人机交互控制。本章研究了原始平台直方图及其硬件实现方法,并在此基础上提出一种节约片内资源的实现方法,另外,研究了非均匀性校正技术,并提出了全温度范围内的无挡片非均匀性校正技术。

　　第六章总结语。对本文研巧内容的息结。

　　车载红外热成像系统原理：

车载红外热像仪系统机芯结构图

GWIR 02 02 X1A I/O 图

GWIR 02 02 XIA原理设计

LM92内部简化框图

LM92原理图设计

探测器的驱动电源设计电路

探测器偏置电压原理设计

数模转换电路设计

ADN8830功能结构图

温度控制设计电路

EP3C55F484口N 电源设计

目录

　　搪要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　　　1.1 课题研巧背景及意义
　　　　　　1.2 国内外发展现状
　　　　　　1.3 本论文主要工作和内容安排
　　2 红外焦平面探巧器
　　　　2.1 红外焦平面探测器成像原理
　　　　　　2.1.1 福射定律
　　　　　　2.1.2 红外焦平面探测机理
　　　　2.2 GWIR02 02X1A非制冷红外焦平面探测器
　　　　　　2.2.1 GWIR 02 02 X1A主要特征参数
　　　　　　2.2.2 GWIR 02 02 XIA 管脚定义
　　　　　　2.2.3 GWI民 02 02 XIA 关键电压
　　　　　　2.2.4 GWIR 02 02 X1A数字输入输出信号
　　　　　　2.2.5 GWIR 02 02 XIA片上非均匀性校正
　　　　2.3 本章小结
　　3 车载红外热成像系统整体方案设计
　　　　3.1 GWIR 02 02 X1A非制冷红外焦平面探测器输出数据结构分析
　　　　3.2 热成像系统器件分析
　　　　　　3.2.1 中也、控制器
　　　　　　3.2.2 外部大容量存储器
　　　　　　3.2.3 FLASH 分析
　　　　　　3.2.4 模数/数模转换器分析
　　　　3.3 热像仪系统架构
　　　　3.4 热成像系统器件选型
　　　　　　3.4.1 中也控制器
　　　　　　3.4.2 外部大容量存储器
　　　　　　3.4.3 FLASH 若片选型
　　　　　　3.4.4 模数转换总片选型
　　　　　　3.4.5 数模转换巧片选型
　　　　3.5 本章小结
　　4 车载红外热像仪硬件电路原理设升及PCB设计
　　　　4.1 前端板设计 24�崳�
　　　　4.2 驱动电路板设计
　　　　　　4.2.1 驱动电路设计
　　　　　　4.2.2 数模转换器设计
　　　　　　4.2.3 湿度控制器设计
　　　　4.3 信号处理电路板设计
　　　　　　4.3.1 FPGA电路设计
　　　　　　4.3.2 SDR SDRAM 电路设计
　　　　4.4 电源电路板设计
　　　　4.5 PCB设计
　　　　4.6 偏压稳定性测试
　　　　4.7 本章小结
　　5 车载红外热像仪系统软件设计及实现
　　　　5.1 车载红外热像仪软件总体方案设计
　　　　5.2 程控巧片的设计实现
　　　　　　5.2.1 AD5324 及 X95820 的程控实现
　　　　　　5.2.2 LM92的程控实现
　　　　5.3 探测器驱动模块
　　　　5.4 格式转换模块
　　　　5.5 图像处理算法
　　　　　　5.5.1 平台直方图均衡算法
　　　　　　5.5.2 红外图像无挡片非均匀性校正算法
　　　　5.6 上位机设计��
　　　　5.7 车载红外热像仪成像测试
　　　　5.8 本章小结��
　　6 结束语�崳�
　　致谢
　　参考文献

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