专利名称：一种红外焦平面阵列探测器模拟装置及模拟方法
技术领域：
本发明涉及红外焦平面阵列成像系统技术和信号模拟领域，特别是一种产生红外 焦平面阵列探测器响应信号的装置，应用于红外焦平面阵列探测器成像系统开发调试领 域。
背景技术：
随着国防、工业等各领域对光电技术的要求越来越高，红外成像系统应用越来越 多。红外焦平面阵列探测器是红外成像系统是核心器件，无论是制冷式红外焦平面阵列探 测器还是非制冷式红外焦平面阵列探测器，均价格不菲。在红外成像系统的设计、研制和生产过程中，对红外焦平面阵列探测器的直接使 用是必不可少的。例如，在红外成像系统的调试过程中，由于设计不合理或者操作不当等原 因，探测器电击穿的情况时有发生，造成较大的经济损失。再如，探测器的制冷技术主要有 斯特林致冷技术、节流式致冷技术，一些制冷型红外系统在调试过程中需要注意的事项比 较多，不能够长时间加电调试，而且对探测器制冷要用到高压气源，调试操作具有一定的危 险性。此外，在排查电路故障的过程中，由于电路板加电调试的时间不可预料，如果使用真 实的探测器作为信号输入，会耗费探测器的寿命，在红外热成像系统的研制过程中对静电 防护有严格要求，稍有不慎就可能导致探测器损坏。在红外成像系统的开发或者二次开发 中，需要在现场进行调试，以验证信号处理电路和图像处理算法，有时算法验证需要在复杂 的实验环境下反复进行，如需要探测空中飞行的目标，重复的再现验证需要很高的成本，因 此模拟探测器在复杂的环境下的响应信号便迫在眉睫了。由上可见，在红外成像系统调试阶段以及故障排查阶段，有必要开发一个能够模 拟真实红外探测器响应信号的装置，以方便红外成像系统的调试，节约调试的时间和成本。红外成像过程可以描述为目标和背景的红外辐射通过大气传输和光学系统后到 达红外焦平面阵列探测器，红外探测器把辐射信号转换为电信号，最后经读出电路输出。目 前，所有的红外焦平面阵列都集成有读出电路，在探测器驱动电路提供正确的驱动信号的 作用下，红外探测器才会输出响应信号，这些驱动信号包括电源电压、像素时钟信号和逻辑 驱动信号。探测器响应信号有以下几个特点(1)响应信号与驱动信号之间有着严格的相位关系，响应信号只会在驱动信号输 入以后延迟特定的一段时间后才会输出；(2)响应信号属于模拟信号，每一个像素对应的响应信号均是具有一定衰减振荡 波形的信号。在红外焦平面阵列探测器的读出电路中，因为其中开关电路引起暂时性干扰 而出现暂时性噪声，如附图6所示，在每个像素周期结束时和下一个像素开始时总伴随着 一个衰减的震荡波形的信号，到达每个像素的二分之一周期时，输出的信号才稳定，这时的 数据才是像素灰度值的真实数据，且在两个像素数据转换之间有一段为过渡阶段。一行像 素的响应信号是一系列周期性重复的衰减振荡波形的组合，而这种重复性的波形又不是完 全相同。这种重复性波形不完全相同的原因有两种可能(a)每个像素的输入红外辐射的
4幅度不同；(b)探测器的响应非均勻性，故每个像素对应不同的衰减振荡波形信号。(3)由于制作工艺、材料质量等因素的限制，每个探测器在阻抗、容抗、响应面积等 方面均略有差别，因此响应信号幅度并不相同，这就是响应的非均勻性。如果输入辐射相 同，上述重复性波形不相同的原因就是响应的非均勻性。响应的非均勻性可通过后续的信 号处理解决。因此，对于一个探测器模拟装置，如果要能够代替真正的探测器进行调试，必须能 够真实反映响应信号与驱动信号之间的严格相位关系、每个像素单元的响应振荡波形、像 素单元之间的响应非均勻性和盲元的特征。在中国发明专利《红外探测器输出的模拟方法及装置》(CN 101425098A)中，王 恩德等发明一种红外探测器输出的模拟方法及装置，其中涉及根据目标运动信息和目标 位置信息模拟探测器的波形信息，作为红外探测器的输出，但其仅针对四元红外探测器， 针对现在大规模的红外焦平面阵列探测器的并不适用，如320 X 256，384X 288，640 X 480， 1024X1024等规格的探测器，该专利公布的技术不能有效的模拟红外焦平面阵列探测器的 响应信号。在中国发明专利《仿真红外探测器输出信号的装置及方法》(CN100498806C)中，张 涌等发明了一种仿真红外探测器输出信号的装置及方法，此方法和装置“可以为红外信号 实时信号处理的前期研制提供真实仿真数据”，但其仅能为后端处理系统提供仿真数据信 号，不能检测判断驱动电路提供的驱动信号并反馈驱动信号的信息，不能在确认驱动信号 正确的情况下才输出包含红外场景信息的红外焦平面阵列探测器响应信号，也不能精确的 模拟探测器响应信号中的相位信息，在验证后端的信号处理电路时存在不足，不能在红外 成像系统的调试过程中完全替代真实的探测器，因此需要开发一种在红外成像系统的开发 调试过程中能够完全替代真实探测器的模拟装置和方法。在文献《红外探测器模拟器设计与实现》(《红外与激光工程》2008年6月增刊第 37卷)中，赵玉印和凌建国描述了一种红外探测器模拟装置的设计和实现，该方法可以产 生红外场景的探测器信号，但是此设计对电源电压的检测仍使用万用表和示波器，操作程 序和设备较为繁琐，不能检测判断驱动电路提供的驱动信号并反馈驱动信号的信息，仅仅 是在“每接收到一个积分信号，延迟若干个探测器固有的延迟周期后，在主时钟的驱动下顺 序输出像元的模拟电平”，更重要的是这种方案只能模拟一个静态红外场景信息的探测器 信号，不能产生连续的运动的红外图像信息的探测器信号。其产生的为仅包含是静止的红 外图像的模拟信号，在验证后端图像处理算法时无发发挥作用，并不能真正的模拟红外焦 平面阵列探测器的响应信号，在验证信号处理电路时存在明显不足。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够模拟真实红外焦平面阵列探测器的响应信号模 拟装置。实现本发明目的的技术解决方案为本发明为红外焦平面阵列探测器模拟装置， 包括通信接口单元、控制单元、存储器、驱动信号输入检测单元、直接数字频率合成单元和 探测器驱动电路接口，驱动信号输入检测单元的信号采集端口通过探测器驱动电路接口连 接到探测器驱动电路的驱动信号输出端口，驱动信号输入检测单元的信号输出端口连接到
5控制单元的信号输入接口和直接数字频率合成单元，控制单元的信号端口连接到直接频率 合成单元、通信接口单元、存储器和驱动信号输入检测单元的信号端口，直接频率合成单元 的信号输出接口通过探测器驱动电路接口连接到探测器信号处理电路的信号采集接口，控 制单元的通信接口通过通信接口单元与外部存贮器或计算机的通信接口相连。驱动信号输入检测单元通过探测器驱动电路接口采集来自探测器驱动电路的驱 动信号，并输出到控制单元判断这些信号是否符合红外焦平面阵列探测器的要求标准；在 判断驱动电路的驱动信号完全正确的情况下，控制单元读取存贮器中或通信接口输出的红 外场景信息，并输出到直接数字频率合成单元；直接数字频率合成单元在控制单元的控制 下，按照探测器响应信号的规律模拟探测器响应信号，并输出到探测器驱动电路接口的数 据输入接口。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)对于真实红外探测器，每个像素的输出 信号都是某种有规律的波形，如衰减振荡形式，附图6所示。本实施实例的模拟装置可以按 照采集的真实波形输出每个像素的信号逼真的模拟真实的红外焦平面阵列探测器响应信 号，其中输出时钟频率远远高于像素时钟信号频率。为此，采用锁相环对像素时钟信号进行 倍频，获得高频率时钟信号，然后对每个像素的灰度数据和波形数据进行叠加，最后将叠加 后的波形信号采用DDS(直接数字频率合成技术)方式输出到外部D/A芯片。本装置利用 DDS (直接数字频率合成技术)模拟红外焦平面阵列探测器的响应信号，在控制单元的控制 下，在逻辑驱动信号后延迟特定数目的时钟后通过高速D/A电路输出，产生了逼真的红外 焦平面阵列探测器的响应信号，在红外成像系统调试的初期可代替真实的红外焦平面阵列 探测器，操作简单，降低危险，避免了对红外焦平面阵列探测器的损伤，减少开发成本；(2)通过检测红外焦平面探测器驱动电路输出的驱动信号并反馈驱动信号的信 息，包括驱动信号不正确时的相关信息，在红外成像系统开发的初期和故障的检查阶段，可 以迅速找到驱动信号的问题所在并解决，加快开发进度，缩短开发周期。(3)本装置可以从外部存储器或者计算机读取红外图片和视频，从而可以合成不 同的红外场景数据，以红外焦平面阵列探测器响应信号的形式输出，如高低温黑体图像、事 先采集的红外场景图像等，也可以输出动态视频及连续的包含红外场景信息的探测器响应 信号，如飞行的空中红外目标等。这样，本装置不仅帮助信号处理电路进行常规的调试，还 有助于信号处理电路进行更深入的功能测试。例如，在模拟器输出高低温黑体图像时，与之 相连的信号处理电路可以进行非均勻校正功能测试；在输出空中飞行目标的动态视频时， 还可以进行目标探测、识别和跟踪处理。


图1是本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置的原理框图。图2是本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置提出的一个实施方式的结构示意 图。图3是某种320X240红外焦平面阵列探测器的驱动信号时序要求。图4是本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置提出的一个实施方式中逻辑驱动 信号检测判断模块状态机图。图5是本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置提出的一个实施方式中直接数字
6频率合成单元的结构示意图。图6是真实探测器输出的响应信号分析图。图7是本发明一个实施实例的产生红外焦平面阵列探测器响应信号的主要流程 示意图。图8是本发明一个实施实例的电路图。图9是本发明一个实施实例的电路图。图10是本发明一个实施实例的电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。本发明提出一种红外焦平面阵列探测器模拟装置，包括通信接口单元102、控制单 元103、存储器104、驱动信号输入检测单元单元108、直接数字频率合成单元109、探测器驱 动电路接口 110，驱动信号输入检测单元108的信号采集端口通过探测器驱动电路接口 110连接到 探测器驱动电路，驱动信号输入检测单元108的信号输出端口直接连接到控制单元103和 直接数字频率合成单元109的信号输入接口，直接数字频率合成单元109的信号输出接口通过探测器驱动电路接口 110连接到 探测器信号处理电路的信号采集接口，直接数字频率合成单元109的信号接收端口直接连 接到控制单元103的信号输出接口，控制单元103的信号端口分别连接到通信接口单元102和存储器104，控制单元 103的通信接口通过通信接口单元102与外部存贮器或计算机的通信接口相连。本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置，所述驱动信号输入检测单元108包括电 源电压检测单元105、锁相环106和逻辑驱动信号检测单元107，电源电压检测单元105，锁 相环106和逻辑驱动信号检测单元107的信号采集端口分别连接到过探测器驱动电路接口 110，信号输出端连接到控制单元103的信号接收端口，此外锁相环106的信号输出端连接 到逻辑驱动信号检测单元107和直接数字频率合成单元109的信号接收端，逻辑驱动信号 检测单元107的信号输出端连接到直接数字频率合成单元109，电源电压检测单元105包括A/D转换电路，电源电压检测单元105输入端连接到 探测器驱动电路接口 Iio的电源端口，输出端连接到控制单元103，电源电压检测单元105 将电源电压值的模拟量转变为数字量输入到控制单元103 ；锁相环106的信号输入端连接 到探测器驱动电路接口 110的像素时钟输入端口，锁相环106的输出端连接到控制单元 103，锁相环106用于提取像素时钟信号，并将输入的像素时钟倍频后输出到直接数字频率 合成单元109 ；逻辑驱动信号检测单元107包括逻辑驱动信号检测状态机，逻辑驱动信号检 测单元107信号输入端连接到探测器驱动电路接口 110的逻辑驱动信号端口，输出端连接 到控制单元103，逻辑驱动信号检测状态机用于对逻辑驱动信号进行检测，判断驱动信号状 态，并向控制单元103输出检测信息，向直接数字频率合成单元109输出使能信号。本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置，所述通信接口单元102用于控制单元 103读取外部存贮器或外部计算机输出的红外场景数据、读取计算机发送过来的指令或向 计算机发送指令。
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本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置，所述控制单元103包括CPU和存储器控 制器，CPU通过存储器控制器和存储器相连，CPU总线接口连接到直接频率合成单元109、通 信接口单元103和驱动信号输入检测单元108的信号端口，控制单元103用于读取驱动信 号检测单元108的输出信号、通信接口单元102或者存储器104输出的静止或运动的红外 场景数据，将静止或运动的红外场景数据转变为红外场景的像素数据序列，并输出到直接 数字频率合成模块109。所述直接数字频率合成单元109包括信号合成单元和高速D/A转换电路，其中信 号合成单元包括FIFO、RAM、数据选择器和加法器，控制单元103的数据输出端直接连接到 FIFO和RAM的数据输入端口，RAM和FIFO的数据输出端口连接到数据选择器和加法器，加 法器通过高速D/A转换电路214连接到探测器驱动及信号处理电路接口，控制单元将红外 场景的像素数据序列和每个像素周期内的震荡波形数据写入FIFO和RAM中，在驱动信号输 入检测单元108输出的使能信号的控制下，RAM和FIFO输出数据到加法器，加法器将像素 数据和震荡波形数据叠加，再经D/A转换将数字形式的信号转变为模拟形式的探测器响应 信号输出到探测器驱动电路接口 110。本发明模拟红外焦平面阵列探测器的模拟方法，第一步驱动信号输入检测单元108通过探测器驱动电路接口 110采集来自探测 器驱动电路的驱动信号，这些驱动信号包括电源电压、像素时钟信号和逻辑驱动信号，向控 制单元103输出检测信息，并由控制单元103判断这些信号是否符合红外焦平面阵列探测 器的要求标准；第二步在控制单元103判断驱动电路的驱动信号完全正确的情况下，控制单元 103读取存贮器104中或通信接口单元102输出的红外场景信息，并输出到直接数字频率合 成单元109 ；第三步直接数字频率合成单元109在控制单元103的控制下，按照探测器响应信 号的规律模拟探测器响应信号，并输出到探测器驱动电路接口 110的数据输入接口。本发明模拟红外焦平面阵列探测器的方法，所述第一步中，驱动信号输入检测单 元108对探测器驱动电路的驱动信号进行的采集和判断包括电源电压检测单元105读取 探测器输出的电源电压大小，向控制单元输出检测信息；锁相环106提取驱动电路的像素 时钟信号，向控制单元输出检测信息，倍频像素时钟输出到直接数字频率合成单元109 ；逻 辑驱动信号检测单元107检测逻辑驱动信号，向控制单元102输出检测信息，并检测其是否 符合探测器的要求。本发明模拟红外焦平面阵列探测器的方法，所述第三步中，直接数字频率合成单 元109合成探测器响应信号包括分别读取每个像素的震荡波形数据和控制单元103输出 的红外场景的像素数据序列，经加法器相加后经过高速D/A转换电路转变为模拟信号，并 通过探测器驱动电路接口 110输出到探测器驱动电路。下面将结合附图对本发明的一个实施方式进行详细描述。本发明的一个实施方式包括控制单元、通信接口单元、存储器、驱动信号 输入检测单元、直接数字频率合成单元、探测器驱动电路接口。本实施方式基于单片 FPGA(Field-Programmable GateArray，即现场可编程门阵列)核心来实现，也可以通过其 他技术框架来实现。本实施方式采用基于Altera的NiosII软核CPU的SOPC方案，减少了
8系统体积和成本，开发更加容易方便。本发明的一个实施方式的结构图如附图2所示，控制单元包括NiosII软核CPU
204、LCD控制器205、SDRAM控制器206、Flash控制器207、视频合成模块215，LCD控制器
205、SDRAM控制器 206 和 Flash 控制器 207 分别与 LCD 201、SDRAM 208 和 Flash 209 相 连，视频合成模块215通过D/A视频转换电路216与监视器217相连，NiosII软核CPU通 过PIO接口直接与键盘202相连。驱动信号输入检测单元包括电源电压检测单元211、逻辑驱动信号检测单元210 和锁相环212，驱动信号输入检测单元通过探测器驱动电路接口 110读取探测器驱动电路 输出的电源电压、像素时钟信号和逻辑驱动信号，并将检测结果输出到NiosII软核CPU的 PIO 接口。直接数字频率合成单元包括信号合成单元213和高速D/A转换电路214。NiosII软核CPU输出数据至直接数字频率合成单元的信号合成单元的信号接口， 经信号合成单元合成为探测器的响应信号，由高速D/A转换电路转换为模拟信号后，通过 探测器驱动电路接口 110将信号输出到探测器信号采集电路。所述控制单元用于读取驱动信号检测单元的驱动信号信息、通信接口单元或者存 储器输出的静止的或运动的红外场景信息，将静止的或运动的红外场景信息转变为红外场 景的像素数据序列，并输出到直接数字频率合成模块。控制单元在本实施方式中主要通过NiosII软核CPU来实现。所述控制单元，包括 CPU(中央处理器)和存储器控制器，CPU通过存储器控制器和存储器相连，CPU总线接口直 接连接到直接频率合成单元、通信接口单元和驱动信号输入检测单元的信号端口，用于读 取驱动信号检测单元的输出信号、通信接口单元或者存储器输出的静止的或运动的红外场 景数据，将静止的或运动的红外场景数据转变为红外场景的像素数据序列，并输出到直接 数字频率合成模块。上述的系统管理功能将由可编程嵌入式NiosII软核CPU实现。NiosII软核CPU 是Altera公司提供的通用32位RISC软核处理器，是基于通用FPGA架构的软CPU内核，其 最高运算速度可达到200MDIPS，它可以提供单指令32 X 32位乘和除指令，32位通用目的寄 存器和单指令桶形移位器，以及丰富的外设接口。利用Altera提供的开发套件，用户可以 随意配置和构建嵌入式处理器IP核，并采用和NiosII相对应的Avalon总线结构的通信接 口。可以在单个FPGA器件中轻松的实现外设、存贮器接口和I/O接口功能。系统设计时，将定制SDRAM控制器、通用FLASH接口、PIO核、定时器、液晶驱动控 制器和USB接口控制器等，用于辅助完成系统管理、数据加载、上位机通信和状态显示等功 能。本发明红外焦平面阵列探测器模拟装置，所述驱动信号输入检测单元108包括电 源电压检测单元105，锁相环106和逻辑驱动信号检测单元107，电源电压检测单元105，锁相环106和逻辑驱动信号检测单元107的信号采集端口 分别连接到探测器驱动电路接口 110，信号输出端连接到控制单元103的信号接收端口，此 外锁相环106的信号输出端连接到逻辑驱动信号检测单元107的信号接收端，逻辑驱动信 号检测单元107的信号输出端连接到直接数字频率合成单元109，电源电压检测单元105包括A/D转换电路，电源电压检测单元105输入端连接到
9探测器驱动电路接口 110的电源端口，输出端连接到控制单元103，电源电压检测单元105 将电源电压值的模拟量转变为数字量输入到控制单元103 ；锁相环106的信号输入端连接到探测器驱动电路接口 110的像素时钟输入端口， 锁相环106的信号输出端连接到控制单元103，锁相环106用于提取像素时钟信号，并将输 入的像素时钟倍频后输出到直接数字频率合成单元109 ；逻辑驱动信号检测单元107包括逻辑驱动信号检测状态机，逻辑驱动信号检测单 元107信号输入端连接到探测器驱动电路接口 110的逻辑驱动信号端口，输出端连接到控 制单元103，状态机用于对逻辑驱动信号进行检测，判断驱动信号状态，并向控制单元107 输出检测信息，向直接数字频率合成单元109输出使能信号。本实施方式通过某种320X240红外焦平面阵列探测器的驱动要求来说明其构 成，如附图3所示为其驱动信号时序图，其中驱动信号包括像素时钟、复位信号和积分信 号，并要求积分周期大于340个像素时钟周期，其中积分时间要求在17到320个像素时钟 之间。其状态机转换如附图4所示，共有三种状态复位状态、积分状态和非积分状态， 并在这三种状态之间切换，若复位信号为高电平，就立刻回到复位状态。在积分信号为高电 平时为积分状态，在积分信号为低电平是为非积分状态。在此设计三个以像素时钟触发的 计数器，分别在一个积分周期内，一个周期内积分信号为高电平时间内和一个周期内积分 信号为低电平时分贝计数，并向控制单元返回计数器的最大值，由控制单元判断驱动信号 是否符合条件。在每次复位信号为高电平并进入到复位状态后，控制单元将要显示图像的 第一行数据写入直接数字频率合成单元的FIFO中，在每次进入积分状态后，在延迟18. 5个 时钟后，向直接数字频率合成单元输出使能信号，并作为行同步信号输出。所述通信接口单元用于读取外部存贮器或外部计算机输入地的红外场景信息，并 可以读取计算机发送过来的指令或向计算机发送信息。在本实施方式中，使用USB通信芯 片203来实现。由于基于USB接口的大容量存储器使用很多，这样可以方便数据存储，也可 以同外部计算机通信，相互传递数据或命令。本实施方式支持输出红外场景图像和红外动 态视频两种模式。红外场景图像和红外动态视频也可通过USB接口预存在系统的FLASH器 件里，可通过菜单选择输出不同图像。本实施实例不仅可以通过USB接口获得外部USB存 储设备中的数据，也可以直接读取计算接USB接口传输出来的数据。其中所读图像格式在 本实施方式中为bmp格式，视频格式设为avi格式。MosII软核CPU负责管理主控电路与 USB存储设备或计算机的通信，并将获得的数据存储在主控电路上的Flash芯片上。USB接口驱动模块由FPGA内部NiosII软核CPU和通用串口(USB)芯片CH375来 实现。CH375是一个兼容USB2. 0协议的通用接口芯片，支持主机方式和设备/从机方式两 种模式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便 地挂接到NiosII软核CPU的系统总线上。在USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯 方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与NiosII软核CPU相连。CH375还内置了处理 Mass-Storage海量存储设备的通讯协议的固件，NiosII软核CPU可以直接以扇区为基本单 位读写常用的USB存储设备(包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘)。USB接口驱动模块与计算机统一采用数据加应答方式进行通信，所有的通信都由 计算机发起，然后以接收到NiosII软核CPU的应答结束。完整的通信过程包括
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1.计算机应用层按事先约定的格式将数据请求发送给CH375 ；2. CH375以中断方式通知NiosII软核CPU ；3. NiosII软核CPU进入中断服务程序，获取CH375的中断状态并分析；4.如果下传缓冲区成功接收到计算机发送的数据，分析接收到的数据块，如果是 数据请求下传命令，则从数据下传缓冲区读取数据块，并发送应答数据；5.计算机应用层接收到应答数据，传输结束。所述探测器驱动电路接口与真实的探测器接口完全相同，用于驱动电路和本模拟 装置的连接，可以直接插到探测器驱动电路上直接使用，不同的探测器驱动电路可更换和 相应红外焦平面阵列探测器相对应的接口。所述直接数字频率合成单元，包括信号合成单元和高速D/A转换电路，其中信号 合成单元包括FIFO、RAM、数据选择器和加法器，控制单元的数据输出端直接连接到FIFO和RAM的数据输入端口，RAM和FIFO的 数据输出端口连接到数据选择器和加法器，加法器通过高速D/A转换电路连接到探测器驱 动电路接口，控制单元将红外场景的像素数据序列和每个像素周期内的震荡波形数据写到 FIFO和RAM中，并按照探测器响应信号具有震荡的特点，在控制单元输出的使能信号的控 制下，RAM和FIFO输出数据到加法器，加法器将像素数据和震荡波形数据叠加，再经D/A转 换将数字形式的数据转变为模拟形式的探测器响应信号输出到探测器驱动电路接口。所述直接数字频率合成单元用于读取红外场景的像素数据序列，并按照探测器响 应信号具有震荡的特点，在控制单元的控制下，以直接频率合成的方式将红外场景的像素 数据序列合成探测器响应信号，对于真实红外探测器，每个像素对应的响应信号都有衰减 振荡形式，如附图6所示在每个像素周期结束和下一个像素周期开始时，信号处于震荡阶 段，然后才会进入到稳定的信号阶段，这才是真正的像素数据，因此模拟器将按照采集的真 实波形输出每个像素的信号。为了逼真的模拟出真实的红外信号，直接数字频率合成单元 时钟频率必须高于红外焦平面阵列的像素时钟信号。为此，在信号生成单元中必须采用高 频时钟对每个像素的灰度信号和衰减振荡波形信号进行叠加，在两个相邻的像素周期的过 渡阶段中需要对叠加的震荡波形数据进行插值处理。在本实施实例中采取线性插值，在此 的像素时钟为5. 625MHz，过渡阶段的时间为整个像素周期的十分之一，在直接数据频率合 成单元的高频时钟为像素时钟的30倍频168. 75MHz，在过渡阶段需要插入两个插值，控制 单元中NiosII软核CPU根据前一像素值和后一像素叠加震荡波形的最大值计算出过渡期 间插值1和过渡期间插值2。具体公式如下线性插值1 = 2 X前一像素数据值/3+后一像素数据值/3 ；线性插值1 =前一像素数据值/3+2 X后一像素数据值/3。其工作原理如附图5所示，在系统进入正常工作模式以后，像素的震荡波形数据 将会被加载到直接数字频率合成单元内部的RAM 502内，同时每个像素的数据由控制单元 输出到FIFO 501中，过渡期间内的插值1和插值2被写入RAM503和RAM504，数据选择器 505在像素周期中过渡阶段内选择过渡期间的插值输出，在其他时间内输出震荡波形数据。 数据选择器的输出数据和像素数据经过加法器506相加后输出到高速D/A转换电路214， 转换为模拟形式的信号输出。这样的话，在每个像素周期内，波形数据和过渡期间内插值按
11照高频时钟信号168. 75MHz的频率逐个被读出，然后与此周期内的图像像素数据通过加法 器506叠加。叠加过程以高频时钟168. 75MHz为时间单位，每个像素周期期间都将将整个 周期的震荡波形数据和像素数据叠加起来，并逐像素地进行循环。直接数字频率合成单元 将根据工作模式和输入设置的不同，生成相应的红外焦平面阵列探测器的模拟信号。所述的监视器217通过D/A视频转换电路216接收控制单元的视频合成模块215 合成的标准视频数据，并将其显示出来，供后续驱动电路显示图像和当前输入图像比较使 用。视频合成单元215合成模块通过FPGA实现，视频合成模块的作用是把待输出的红 外图像数据转化为VGA制标准视频数据，并按照标准视频的时序要求送往D/A视频转换电 路216转换为模拟视频信号，送往监视器217显示输出。视频合成模块215和D/A视频转 换电路216共同完成VGA制视频合成功能。所述的键盘202直接同NiosII软核CPU通过FPGA的IO 口直接连接，是系统的主 要人机界面接口。可以完成以下主要功能输出指定的红外图像或视频，图像的亮度对比度 调节，面阵探测器阵列规模的配置。本实施方式所模拟的探测器类型的阵列规模具有可配置性，可以模拟面阵 320 X 240，384 X 288，640 X 480这三种探测器阵列类型。此外，还可以通过输入阵列规模的 行数、列数等进行重新配置，以适应未来更大阵列规模的要求。本实施方式所述的LCD 201为数字显示模块，是采用带有内置中文字库的点阵液 晶显示驱动器，直接与NiosII软核CPU相连，接收NiosII软核CPU发送的检测信息，可以 显示当前系统的状态和驱动信号的检测信息，包括所模拟的探测器的规格和驱动电路的 驱动信号不满足探测器要求的信息等。此外，对于系统的状态显示也可以采用在标准视频 上进行字符叠加的方式，并可以通过控制开关进行开启或关闭。系统的时钟设计时钟发生器包括两部分a系统自带的有源晶振，用于为FPGA内 部的NiosII软核CPU和USB接口驱动提供时钟等。自带晶振产生的时钟主要为24MHZ，经 过5倍频后作为NiosII软核CPU的系统时钟；b来自于探测器驱动电路的像素时钟信号。 进入可重新配置式锁相环，通过锁相环产生168. 75MHz的高频时钟，输入到直接数字频率 合成模块。高频时钟由像素时钟信号生成，因此具有与像素时钟信号相同的相位稳定性，使 模拟器响应信号与输入信号具有相同的相位特性。附图7是本发明的实施实例的模拟红外焦平面阵列探测器响应信号的主要流程 示意图。如附图7所示，在系统上电工作以后，MosII将进入引导模式，加载系统程序，并 对外部接口进行初始化，系统自检状态和工作模式均由数字显示模块显示。在步骤701中，电源电压检测单元读取探测器输出的电源电压大小，并向控制单 元输出检测信息；在步骤702中，锁相环提取驱动电路的像素时钟信号，向控制单元输出检测信息， 并倍频后输出到直接数字频率合成单元；在步骤703中，逻辑驱动信号检测单元检测逻辑驱动信号，向控制单元输出检测 fn息ο在步骤704中，在控制单元判断驱动电路的驱动信号完全正确的情况下，控制单 元读取存贮器中或通信接口输出的红外场景的像素数据序列，并输出到直接数字频率合成
12单元，否则转向步骤701 ；在步骤705中，在直接数字频率合成单元中，分别读取在RAM中的每个像素的震荡 波形数据和控制单元输出的在FIFO中的红外场景的像素数据序列；在步骤706中，将每个像素的震荡波形数据和对应的红外场景像素数据相加；
在步骤707中，高速D/A转换电路将所得到的数字信号转变为模拟信号，通过探测 器驱动电路接口输出到探测器信号处理电路。 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述设施实例限制，在上述实施例和说明书中描述的只是说明 本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些 变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及 其等效物界定。
权利要求
1.一种红外焦平面阵列探测器模拟装置，其特征在于包括通信接口单元[102]、控制 单元[103]、存储器[104]、驱动信号输入检测单元[108]、直接数字频率合成单元[109]、探 测器驱动电路接口 [110],驱动信号输入检测单元[108]的信号采集端口通过探测器驱动电路接口 [110]连接 到探测器驱动电路，驱动信号输入检测单元[108]的信号输出端口直接连接到控制单元 [103]和直接数字频率合成单元[109]的信号输入接口，直接数字频率合成单元[109]的信号输出接口通过探测器驱动电路接口 [110]连接到 探测器信号处理电路的信号采集接口，直接数字频率合成单元[109]的信号接收端口直接 连接到控制单元[103]的信号输出接口，控制单元[103]的信号端口分别连接到通信接口单元[102]和存储器[104]，控制单 元[103]的通信接口通过通信接口单元[102]与外部存贮器或计算机[101]的通信接口相 连。
2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器模拟装置，其特征在于所述驱动信 号输入检测单元[108]包括电源电压检测单元[105]、锁相环[106]和逻辑驱动信号检测单 元[107]，电源电压检测单元[105]、锁相环[106]和逻辑驱动信号检测单元[107]的信号采集 端口分别连接到探测器驱动电路接口 [110]，信号输出端连接到控制单元[103]的信号接 收端口，锁相环[106]的信号输出端连接到逻辑驱动信号检测单元[107]的信号接收端，锁 相环[106]和逻辑驱动信号检测单元[107]的信号输出端连接到直接数字频率合成单元 [109]，电源电压检测单元[105]包括A/D转换电路，电源电压检测单元[105]输入端连接到 探测器驱动电路接口 [110]的电源端口，输出端连接到控制单元[103]，电源电压检测单元 [105]将电源电压值的模拟量转变为数字量输入到控制单元[103]；锁相环[106]的信号输入端连接到探测器驱动电路接口 [110]的像素时钟输入端口， 锁相环[106]的输出端连接到控制单元[103]，锁相环[106]用于提取像素时钟信号，并将 输入的像素时钟倍频后输出到直接数字频率合成单元[109]；逻辑驱动信号检测单元[107]包括逻辑驱动信号检测状态机，逻辑驱动信号检测单元 [107]信号输入端连接到探测器驱动电路接口 [110]的逻辑驱动信号端口，输出端连接到 控制单元[103]，逻辑驱动信号检测状态机用于对逻辑驱动信号进行检测，判断驱动信号状 态，并向信控制单元[107]输出检测息，向直接数字频率合成单元[109]输出使能信号。
3.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器模拟装置，其特征在于所述通信接 口单元[102]用于控制单元[103]读取外部存贮器或外部计算机输出的红外场景数据、读 取计算机发送过来的指令或向计算机发送指令。
4.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器模拟装置，其特征在于所述控制单 元[103]包括CPU和存储器控制器，CPU通过存储器控制器和存储器相连，CPU总线接口连 接到直接频率合成单元[109]、通信接口单元[103]和驱动信号输入检测单元[108]的信号 端口，控制单元[103]用于读取驱动信号检测单元[108]的输出信号、通信接口单元[102] 或者存储器[104]输出的静止或运动的红外场景数据，将静止或运动的红外场景数据转变 为红外场景的像素数据序列，并输出到直接数字频率合成模块[109]。
5.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器模拟装置，其特征在于所述直接数 字频率合成单元[109]包括信号合成单元和高速D/A转换电路，其中信号合成单元包括 FIFO、RAM、数据选择器和加法器，控制单元103的数据输出端直接连接到FIFO和RAM的数据输入端口，RAM和FIFO的 数据输出端口连接到数据选择器和加法器，加法器通过高速D/A转换电路214连接到探测 器驱动及信号处理电路接口，控制单元将红外场景的像素数据序列和每个像素周期内的震荡波形数据写入FIFO和 RAM中，在驱动信号输入检测单元[108]输出的使能信号的控制下，在锁相环输出时钟信号 的作用下，RAM和FIFO输出数据到加法器，加法器将像素数据和震荡波形数据叠加，再经 D/A转换将数字形式的数据转变为模拟形式的探测器响应信号输出到探测器驱动电路接口 [110]。
6.一种模拟红外焦平面阵列探测器的模拟方法，其特征在于第一步驱动信号输入检测单元[108]通过探测器驱动电路接口 [110]采集来自探测 器驱动电路的驱动信号，这些驱动信号包括电源电压、像素时钟信号和逻辑驱动信号，向控 制单元[103]输出检测信息，并由控制单元[103]判断这些信号是否符合红外焦平面阵列 探测器的要求标准；第二步在控制单元[103]判断驱动电路的驱动信号完全正确的情况下，控制单元 [103]读取存贮器[104]中或通信接口单元[102]输出的红外场景信息，并输出到直接数字 频率合成单元[109]；第三步直接数字频率合成单元[109]在控制单元[103]的控制下，按照探测器响应信 号的规律模拟探测器响应信号，并输出到探测器驱动电路接口 [110]的数据输入接口。
7.根据权利要求6所述的模拟红外焦平面阵列探测器的方法，其特征在于所述第一 步中，驱动信号输入检测单元[108]对探测器驱动电路的驱动信号进行的采集和判断包 括电源电压检测单元[105]读取探测器输出的电源电压大小，向控制单元输出检测信息；锁相环[106]提取驱动电路的像素时钟信号，向控制单元输出检测信息，倍频像素时 钟输出到直接数字频率合成单元[109]；逻辑驱动信号检测单元[107]检测逻辑驱动信号，向控制单元[102]输出检测信息，并 检测其是否符合探测器的要求。
8.根据权利要求6所述的模拟红外焦平面阵列探测器的方法，其特征在于所述第三 步中，直接数字频率合成单元[109]合成探测器响应信号包括分别读取每个像素的震荡 波形数据和控制单元[103]输出的红外场景的像素数据序列，经加法器相加后经过高速D/ A转换电路转变为模拟信号，并通过探测器驱动电路接口 [110]输出到探测器驱动电路。
全文摘要
本发明公开了一种红外焦平面阵列探测器模拟装置及模拟方法，该装置包括通信接口单元、控制单元、存储器、驱动信号输入检测单元单元、直接数字频率合成单元和探测器驱动电路接口，驱动信号输入检测单元通过探测器驱动电路接口采集来自探测器驱动电路的驱动信号，由控制单元判断这些信号是否符合红外焦平面阵列探测器的要求；在驱动信号完全正确时，控制单元读取存贮器中或通信接口输出的红外场景信息，并输出到直接数字频率合成单元，按照探测器响应信号的规律合成模拟信号并输出。本发明不仅在红外成像系统调试初期可代替真实红外焦平面阵列探测器，并可以检测驱动电路的驱动信号并反馈信息，加快开发进度，降低开发成本。
文档编号G01J5/00GK102004219SQ201010287490
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者夏朋浩, 常本康, 张俊举, 张宝辉, 钱芸生 申请人:南京理工大学