便携式非制冷红外热成像系统的设计

 红外热成像技术在军事和民用领域都具有重要作用，红外焦平面成像技术已成为红外热成像的主流趋势。然而，由于非制冷红外焦平面成像系统电路繁杂和非制冷红外焦平面探测单元尺寸、间距较大导致系统体积大、功耗高，不利于非制冷红外热成像系统的便携式、手持式应用，限制了非制冷红外热成像系统的进一步推广，所以降低非制冷红外热成像系统的功耗和减小系统的体积具有重要意义。
非制冷红外焦平面成像系统的图像具有噪声大、对比度低、数据量大的缺点，本文首先结合便携式非制冷红外热成像系统的应用要求，给出了系统的功能需求。根据需求，在对比多种实时信号处理方案之后，采用了处理速度快、功耗低、逻辑电路控制灵活的DSP+FPGA方案；其次根据红外成像系统的实现原理设计了系统框图；然后详细设计了系统的软硬件，硬件具体包括电源电路、核心处理电路、存储电路和制冷控制电路模块，软件部分主要包括图像预处理和增强、文件管理和设置功能。在系统的设计中，为满足小体积的要求，重点考虑小体积器件选择问题和采用电路的优化设计；依据系统低功耗的要求，重点考虑了低功耗器件的选择和DSP芯片的电源优化管理，有效达到延长系统续航时间的目的，提高系统的便携性能。
最后，对系统的整体功能、成像效果和功耗进行了测试。测试结果表明系统能够实时实现红外图像的采集、处理和显示，其中图像实时处理能力达到25帧每秒，正常工作的功耗为5.66W，待机时间达到3.47小时，系统性能达到了预期的设计目标。

关键词：红外成像，图像处理，便携式，低功耗

Abstract
Infrared imaging technology plays an important role in military and civil fields, the infrared focal plane arrays imaging system has become a mainstream trend of infrared imaging system. However, that the complex cirruit of the system and the large span between two big infrared focal plane detection unit does not favor the portable, handheld applications of uncooled infrared thermal imaging system, which limits the further promotion. As a consequence, to reduce the power consumption and the volume of uncooled infrared thermal imaging system is of great significance.
Firstly, aming at Uncooled infrared focal plane imaging system's disadvantage,such as large noise, low contras and massive datas, the functional requirements of the system is proposed, combining with the requirements of portable uncooled infrared thermal imaging system. According to the needs of performance, the processing speed, low power consumption, flexible logic control circuits of DSP + FPGA scheme is been chosen by comparing variety of real-time signal processing schemes. Secondly, this paper designed the system's block diagram, based on the principle of infrared imaging system. Then the detailed plan of the system hardware and software is been elaborated, the part of hardware is including power supply circuit, core processing circuit, storage circuit and cooling control circuit, software part mainly includes image preprocessing and enhancement, data file managements and setting functions. In the process of the design,for meeting the requirements of small volume, this paper focused the selection of small chips and the optimization of circuit; Accordance to the requirements of low power consumption, the choice of low power devices and the management of DSP chip's power consumption are taken into consideration.Above all, the purpose is to achieve the goal of extending batter life and improving the system's portable performance.
Finally, the system's basic function, imaging effect and power consumption was tested. The results show that the system can gather, process and display infrared image data in real time. Datas suggest that the image real-time processing ability is 25 frames per second, power consumption is 5.66 W, standby time is 3.47 hours when system working, the test results also prove tha the system performance achieved design goal.

Keywords: infrared imaging, image processing, portable, low power consumption

目录
图录 VI
表录 VIII
注释表 IX
第1章 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究意义 2
1.3 论文的主要研究内容 3
1.4 论文组织结构 4
第2章 便携式非制冷红外热成像系统的总体设计 6
2.1 便携式非制冷红外热成像系统性能分析 6
2.2 非制冷红外热成像系统总体框架 8
2.2.1 红外成像原理研究 8
2.2.2 便携式非制冷红外热成像系统框架设计 11
2.3 低功耗高性能芯片的选型 14
2.3.1 红外焦平面的选型 14
2.3.2 低功耗控制处理器DSP的选型 14
2.3.3 高转换效率电源芯片选型 16
2.3.4 电池及其管理芯片选择 17
2.3.5 其他低功耗芯片的选型 20
2.4 本章小结 21
第3章 便携式非制冷红外热成像系统的硬件设计及实现 22
3.1 电源设计 22
3.1.1 系统供电电路及上电顺序设计 22
3.1.2 充电电路设计 23
3.1.3 电池电量检测电路设计 25
3.2 半导体制冷电路设计 26
3.3 DSP基本电路及其接口电路设计 28
3.3.1 晶振及时钟电路设计 28
3.3.2 BOOT电路和JTAG电路设计 28
3.3.3 DDR2存储电路设计 30
3.3.4 视频接口 31
3.4 PCB设计 32
3.5 本章小结 35
第4章 便携式非制冷红外热成像系统的软件设计 36
4.1 软件功能模块设计 36
4.2 主要功能模块实现 37
4.2.1 图像处理 37
4.2.2 文件管理 42
4.2.3 系统设置 43
4.3 系统功耗优化 44
4.3.1 编译优化 44
4.3.2 TMS320DM6437芯片功耗优化 45
4.4 程序自引导实现 47
4.5 本章小结 48
第5章 非制冷红外热成像系统测试 49
5.1 硬件功能验证 49
5.1.1 系统电源测试 49
5.1.2 系统基本功能测试 50
5.2 系统实时成像效果的测试 51
5.3 系统功耗测试 53
5.3.1 系统电流和电压测试方法 53
5.3.2 充电电路及电量检测电路测试 53
5.3.3 DM6437芯片功耗优化测试 55
5.3.4 系统续航能力测试 56
5.4 本章小结 56
第6章 总结与展望 57
6.1 总结 57
6.2 展望 57
参考文献 59
附录A DDR2测试代码 62
致谢 63
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 64

第1章 引言
1.1 课题背景
由电磁理论可知，物质内部带电粒子（如电子）的变速运动都会发射或吸收电磁辐射，把这些辐射按其波长（或频率）的次序排列成一个连续谱，就称之为电磁波普[1]。在电磁波谱中，把波长0.75~1000µm的电磁波称为红外线，红外线位于可见光与微波之间，所以人眼看不见红外线，通常红外线又被称作红外辐射、红外光。红外线是英国天文学家赫谢耳(Herschel)在研究太阳七色光的热效应时发现的，由此，人类开始了红外技术的研究。根据普朗克定理，一切温度高于绝对零度的物体都会不停地向周围发出红外辐射[2]，所以，红外辐射是自然界中最为广泛的辐射。红外线除普遍存在性之外，还有两个重要的特性：(1) 短波红外(1~3µm)、中波红外(3～5µm)和长波红外(8～14µm)被称为红外辐射的“大气窗口”[3]，这是因为大气、烟云对这三个红外波段是透明的，利用这一特点，可以有效地完成全天候观察；(2) 红外辐射的强弱与发射红外辐射物体的表面温度有密切联系，为进行无接触的温度测量提供了重要方法[4]。红外辐射的这些特点，使红外热像系统在军事和民用领域有广泛的应用。
红外辐射包含了客观世界丰富的信息，利用红外热成像系统可以将人眼不可见的红外辐射转换成人眼能够观察的图像，扩展了人类的观察范围[5]。想要观察红外辐射，首先需要将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，把这种具有转换功能的器件称之为红外探测器。红外探测器的工作原理是基于红外辐射与物质（材料）相互作用产生的各种效应，按工作原理可以将红外探测器分为光子探测器和热探测器两大类[6]。红外探测器作为红外成像系统的核心部件，得到了广泛应用。红外热成像系统在近40年来的蓬勃发展，促进红外探测器制造成本的降低，由此，红外热成像设备也由最初的军事应用，逐渐出现在民用领域，带来了广阔的市场。
红外成像系统中的关键器件是红外探测器，红外探测器的作用类似于可见光的图像传感器，是将不可见的红外辐射转换成可以测量的物理量。红外探测器经过两代的发展，已由60年代的制冷型单元红外探测器或线列红外探测器发展到非制冷性红外焦平面(IRFPA)，IRFPA的特点是，无需工作在低温环境，可以在室温工作，无任何机械运动部件，这种器件应用到红外成像系统中，出现了非致冷型红外热成像仪[7]，使红外技术得到更广泛的应用。
1.2 课题研究意义
红外热成像系统利用红外光成像，而红外光的三个特性使其有广泛的应用。在军事上，红外系统比雷达系统的分辨率高，隐蔽性好，不易受电子干扰，较可见光系统具有能识别伪装、可昼夜工作、受天气影响较小、可全天候成像等优点，使红外热成像技术可用作夜视、红外制导、红外隐身和红外仪器测试[8]；在民用领域，红外热成像系统主要是检测物体的表面温度，因为某些物体温度骤升会带来危害和安全隐患，及时准确地发现这些温度骤升的目标物体，可以有效预防事故发生并减少经济损失。在森林防火中，可以发现火灾隐患并采取有效措施进行妥善处理；在工业设备中，可以检测机械故障点；医疗事业中，可用于疾病的检测[9]。
红外成像的波长远远大于可见光波长，衍射极限限定了红外探测器的像元间距无法缩小到CMOS图像传感器(CIS)像元的尺寸，相比于目前CIS模组的外形尺寸，红外热像系统的探测器和其组件可以算得上庞然大物，其体积相差数倍以上，红外焦平面阵列与硬币的比较如图1.1所示。非制冷红外焦平面虽然不需要在低温环境下就可以正常工作，但是为了使其具有最大的灵敏度和获得稳定的校正参数，红外焦平面需要在稳定的温度下工作，焦平面需要半导体制冷（制热），其制冷（制热）电流通常在几百毫安，决定其功耗不可能低；此外，非制冷红外热成像系统除具备可见光成像系统的基本采集、处理电路外，还要涉及多种驱动电压电路、制冷器控制电路，以上这些原因使得非制冷红外热成像系统体积大、功耗高，使红外热成像系统的推广和应用受到了限制，所以研制能方便携带、有足够长的续航时间和良好的操作性便携式红外热成像设备有重要意义。

图1.1 红外焦平面阵列与硬币的比较
1.3 国内外研究现状
非制冷红外热成像系统的核心器件是非制冷焦平面，其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展。世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究，国外发达国家的非制冷红外热焦平面以及整机的研制和生产水平处于绝对领先地位。美国FLIR SYSTEMS公司作为全球最大最专业的热成像技术系统集团，掌握了从红外探测器、红外镜头到红外系统的每个核心部件的研发制造能力。其红外热像仪产品更是一应俱全，在工业检测、建筑、可再生能源、边防、机芯和部件、安防、研发、海事、自动化、气体泄漏检测、交通、执法、户外活动、消防等细分领域总共推出了多达51个系列，多达数百款产品。探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵，并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。
国内在非制冷焦平面技术上起步较晚，近年来国家投入了大量人力物力用于非制冷焦平面阵列的研究，目前已经取得初步发展。国内在非制冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发软件的业务上，最核心的红外探测器都是从国外进口。国内具有较强研发实力、拥有自主知识产权、能够独立开发红外热像仪后续电路和图像处理软件的民营企业主要为武汉德高、浙江大立和广州飒特等公司。这三家公司占据了60%的中国民用市场份额，产业集聚现象比较明显。国内研制的非制冷红外探测器产品在部分参数方面已经与国外先进产品持平，但仍有差距。若采用国外进口的先进探测器，研制出具有国外同等水平的整机并不困难。但在国内还无高性能红外探测器量产的情况下，国内研制的红外产品鲜少完全具自主知识产权，其生存能力和继续创新发展的能力还有待加强。
1.4 论文的主要研究内容
便携式非制冷红外热成像系统采用DSP和FPGA的红外成像方案，通过该方案实现了红外图像数据的获取、处理和显示。红外成像系统的设计涉及很多技术，包括光学系统设计、器件物理、材料制备、微机械加工、信号处理与显示、封装与组装等一系列专门技术，所以，为提高项目整体研发效率，在系统设计时充分考虑系统所具备的基础功能、覆盖性、实时性、设计成本性等因素，本文通过四个阶段进行系统设计：方案论证、方案设计、方案实现、系统测试。在方案论证阶段通过查阅与便携式非制冷红外热成像系统相关的资料验证方案的可行性；方案设计中提出需求分析，对各个功能模块进行设计；方案实现中将各个模块根据设计进行具体实现，系统测试中先对各个模块进行单独测试，再将各个模块连接组合进行系统联调。为了系统更加稳定可靠，在设计时哪个阶段如出现问题需对前一阶段的设计进行讨论修改。此外，为了提高红外热成像系统便携性能，如何减小非制冷红外热成像系统的体积和降低功耗作出讨论。综上所述，具体的研究内容主要有以下几个方面：
1. 深入研究分析非制冷红外热成像原理，总结非制冷红外热成像系统体积大、功耗高的原因，确定研究意义，对比常见构建红外成像系统技术方案优劣势，设计便携式非制冷红外热成像系统方案。
2. 根据系统的实际需求，按功能将系统划分为模块。
3. 针对各模块进行硬件型号的具体选择，学习芯片的资料手册，在此基础上，设计原理图，完成系统的整体设计和PCB制作。
4. 完成硬件的焊接，并分模块调试，完成系统硬件的构建；学习红外图像处理相关算法和DSP开发相关知识，完成各模块的驱动程序设计，并实现成系统的基本功能。
5. 学习TMS320DM6437的数据手册，熟悉芯片功耗管理方法并实现，学习算法优化的方法，针对用到的算法进行优化，并验证功耗优化效果。
1.5 论文组织结构
本文在研究红外成像技术的原理和应用的基础上，根据实际应用要求，分析便携式红外设备的需求，根据需求确定系统方案和系统设计。主要包括系统芯片选型、硬件系统设计、图像处理、软件系统设计以及功耗优化等内容。本文的章节安排如下：
第1章为绪论部分，首先简述课题背景，简述了红外成像技术的当前发展，进一步分析了研究便携式非制冷红外热成像系统的必要性，然后对本文的内容和章节安排作简单介绍。
第2章的主要内容分析非制冷红外热成像系统的性能要求，研究了红外成像的原理，根据性能要求和成像原理确定系统设计方案，设计非制冷红外热成像系统框架，然后针对便携式应用要求，着重进行了低功耗芯片选型。
第3章的主要内容是便携式非制冷红外热成像系统的硬件设计，着重对电源部分的设计进行了阐述，电源设计包括系统供电电路、充电电路和电池电量检测电路三部分，然后完成热电制冷电路和DSP基本电路设计，最后分析了本系统中PCB设计中的布局、布线问题。
第4章的主要内容是软件设计部分，先根据系统功能需求和性能需求对软件进行功能模块划分，包括图像处理、文件管理和系统设置，然后对各模块中的具体内容进行详细设计和实现，并针对功耗问题进行软件优化和DSP芯片的功耗管理。
第5章的主要内容是本文的测试部分，验证设计的可行性和正确性。首先对硬件基本功能进行测试，然后测试了系统的实时性能，最后完成系统功耗优化前后的测试和分析对比。
第6章的内容是总结与展望，对本文所做工作进行总结并对后续工作进行展望。

第2章 便携式非制冷红外热成像系统的总体设计
本章首先分析便携式非制冷红外热成像系统的需求和红外热成像系统原理，在此基础上设计热成像系统的总体框架，最后根据便携式应用要求，选择低功耗、小体积的芯片。
2.1 便携式非制冷红外热成像系统需求分析
系统需求是整个设计的基础，只有在清楚系统需求之后，才能进行后续工作，设计出满足要求的产品。
2.1.1 系统功能分析
用户使用红外热成像系统获取目标物体的图像，可以观察、保存图像数据，结合便携式设备的功能需求和红外系统的特点得到本系统的功能需求。具体的功能和说明如表3.1所示。

表2.1 便携式非制冷红外热成像系统功能
系统功能 说明
显示功能 方便用户观察图像
人机交互 用户可根据需要修改参数
数据存储功能 保存重要的数据
充电功能 提高电池重复使用率
电量检测 用于提示用户剩余电量，主要保存重要数据
实时时钟 时间日期维护功能
语音注释功能 方便用户说明图像
环境温湿度采集 获取环境参数，用于校正图像

便携式非制冷红外热成像系统的目的是：让用户可以像使用可见光设备一样，可以简单、方便的观察到物体的红外图像，所以需要LCD显示红外图像，以供用户查看；用户根据实际需要可能会设置一些环境参数和保存重要数据，所以需要按键来完成人机交互和非易失性存储器来保存参数；便携式设备肯定会使用电池为系统提供电源，所以需要充电功能和电量检测功能方便用户的使用；时钟功能和注释功能为用户提供一些辅助，提高便携性能；环境温湿度参数用于校正红外图像。
2.1.2 系统性能分析
随着红外技术的发展，红外成像关键器件红外探测器国产化和批量生产，价格越来越低，红外热成像系统开始在民用领域得到应用和推广，但越来越多的应用场合对红外成像系统提出了越来越高的应用要求，如实时性更好、待机时间更长、重量更轻等，为此，本文提出研制便携式非制冷红外热成像系统。系统要求如下：
1 非制冷红外焦平面。该器件是非制冷红外热成像系统的核心器件，直接决定最终的成像质量。便携式设备要求体积小，利于携带，所以选取体积小的非制冷型红外焦平面；根据维恩位移定律，常温物体发出的红外辐射峰值集中在8～14之间，故红外探测器响应波长区域在8～14较为合适。
2. 图像性能。对于红外图像而言，图像性能主要包括实时性、信号数字分辨率、图像分辨率、空间分辨率和温度分辨率。实时性是指帧频，即单位时间内能够处理的图像数，帧频越高，实时性越好。对于视频系统，帧频必须高于人眼视觉暂留现象的24帧标准，而红外成像系统通常应用于实时动态的场合，因此要求系统具有较好的实时性；信号数字分辨率是指红外探测器每一像素输出电信号的A/D转换精度，位数越高，精度也越高，因红外图像是灰度图像，灰度图像一般有256个灰度级，所以要求转换位数高于8位；空间分辨率又称为瞬时视场(IFOV)。瞬时视场是由单元探测器光敏面尺寸及光学系统焦距共同决定的观察角，其大小通常都是反映红外热像仪空间分辨率的高低的指标；噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)是指红外探测器能探测到的最小温差；
3 数据存储。数据的存储方式和存储容量。
4 控制分析。人机交互方法。
作为便携式设备，系统功耗一定程度决定其续航时间，因功耗越低，系统待机时间越长，越能满足更多场合的应用要求。通常要求便携式系统具有更轻的重量，更小的体积，以便于携带。此外，还有其他的性能，如续航时间、工作环境温度、连续工作时间、电源要求等。根据以上要求，并结合实际需要，本系统性能参数如表2.2所示。