1、 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文384288 非制冷红外成像系统低功耗硬件设计学科专业 ： 电子与通信工程硕 士 学 位 论 文摘 要红外成像技术在安防、医疗、工业、民用和军事等领域都具有广泛的应用。早期的红外成像系统采用制冷型探测器，而制冷型探测器由于成本高、笨重、可靠性差等缺点在很多场合的应用被限制。为了解决这一难题，人类研制出了价格便宜、体积小、功耗低、可靠性高的非制冷红外探测器，非制冷红外探测器自其问世以来迅速得到广泛应用。而便携性一直都是非制冷红外成像系统的一个重要特征，因此，研究低功耗、小体积的红外机芯组件对提高非制冷红外成像系统的便携性具有重要意义。本文以降低功耗、
2、缩小体积为目标。首先介绍了红外成像原理及非制冷红外探测器的发展，又对 3 种非制冷红外成像系统的硬件架构进行详细的探讨，根据本课题要求选择了基于单 FPGA的硬件架构。接着，详细研究了硬件电路及 FPGA 的低功耗设计技术，并根据本系统的特点确定总体低功耗设计原则。根据对系统的需求分析以及确定的设计原则，完成了整体方案的设计。电源电路采用混合式电源架构，既能提高电源效率又能减小关键电路的电源波动。利用基准电压源配合高电源抑制比的运放产生极低噪声的探测器偏置电压。利用单颗最新工艺 FPGA 完成探测器的驱动及实现红外图像处理算法能够缩小系统体积、提高实时性同时降低功耗。测温电路采用使用简单、功耗
3、极低的器件实时采集探测器焦平面以及环境的温度。完成电路设计后，本文又详细设计了对应 PCB 电路板。 最 后 ， 完 成 了 整 个 系 统 的 调 试 与 测 试 。在实际测试中，本系统可以输出 384288 模拟视频和数字视频，帧频达到 50Hz，总机功耗低至 1.298W，组件尺寸仅为 45mm45mm20mm。在国内同类型的红外成像系统中，本系统具有明显的优势。关 键 词 ： 非 制 冷 红 外 成 像 ， 低 功 耗 ， 便 携 式 ， FPGA硕 士 学 位 论 文AbstractInfrared imaging is a widely used in security, medi
4、cal, industrial, civil, and military areas. The infrared imaging systems in early days use cooled detectors. However, those detectors have limited applications due to their high cost, heavy in weight, and low reliability. In order to solve these problems, uncooled infrared detectors with low cost, s
5、mall size, low power consumption, and high reliability are invented. Uncooled infrared detectors have quickly been widely used. Portability has always been one of the most important characteristics of uncooled infrared imaging systems. Thus, the study of low power consumption, small size infrared mo
6、vement components is of great significance to improve the portability of uncooled infrared imaging systems.The proposed design aims to lower power consumption and shrink the sizes. It first introduces the principles of infrared imaging and the development of uncooled infrared detectors. Then three k
7、inds of uncooled infrared imaging system architectures are covered in details. According to the topic requirements, the architecture based on single FPGA is chosen. Then detailed studies on hardware circuits and FPGA low power consumption design are given, based on which the low power consumption pr
8、inciples of the proposed system are determined. According to the system requirement analysis and design principles, the design of the whole system is completed. Power supply circuits use hybrid power architecture, improving the power efficiency and reducing critical circuit power supply fluctuations
9、. The use of a reference voltage source with high power supply rejection ratio of the op amp produces extremely low noise detector bias voltage. The use of single FPGA with latest technology drives the detector while infrared imaging algorithms minimizes the system volume, improve the real-time, and
10、 lower power consumption. The temperature sensory circuit adopts simple and low power consumption devices to collect temperatures of focal plane and environment in real time. After the completion of circuit design, the article presents corresponding PCB design. At last, system debugging and testing
11、are covered.In actual testing, the proposed design can provide analog and digital video of 384 288, with a frame rate of 50 Hz, total power consumption is 1.298 W, and volume is 45 mm 45mm 20 mm. The proposed design thus shows obvious advantages over similar designs nationwide. Keywords: Uncooled in
12、frared imaging, low power consumption, portability, FPGA硕 士 学 位 论 文目 录摘要 .IAbstract.II1 绪论1.1 红外成像原理 .(1)1.2 非制冷红外探测器的发展 .(2)1.3 常用的非制冷红外成像系统硬件架构 .(4)1.4 本课题研究意义及论文工作安排 .(5)2 非制冷红外热成像仪低功耗设计技术2.1 功耗的来源分析 .(7)2.2 常用的低功耗设计技术 .(9)2.3 FPGA 低功耗技术 .(13)2.4 本课题的低功耗设计原则 .(17)2.5 本章小结 .(18)3 非制冷红外热像仪低功耗电路设计3.
13、1 非制冷红外探测器 .(19)3.2 系统供电电路设计 .(20)3.3 红外探测器偏压电路设计 .(31)3.4 测温电路设计 .(35)3.5 信号处理电路设计 .(36)硕 士 学 位 论 文3.6 PCB 设计 .(41)3.7 本章小结 .(43)4 系统功耗测试与分析4.1 功耗测试结果 .(45)4.2 本章小结 .(47)5 总结与展望 .(48)致谢 .(49)参考文献 .(50)硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文1 绪论 1.1 红外成像原理任何温度高于绝对零度的物体内部的带电粒子都是处于不停的运动状态。由于物体内部的带电粒子的不规则运动（分子热运动） ，它就会
14、源源不断的向外辐射电磁波。常温下，物体自发向外辐射的能量当中以红外辐射为主。红外辐射是一种不可见光，又称为红外光，红外线等。因为红外辐射的热作用很强烈，通常又把红外辐射称为热辐射。红外辐射的能量大小主要由物体自身的温度决定，温度越高物体红外辐射也就越强烈。在整个电磁波谱中，红外线的波长范围为 0.751000m，位于可见光谱和微波谱之间，如图 1.1 所示。而整个红外波段又被划分成三个小波段：近红外波段（0.782.5m） 、中红外波段（ 2.550m） 、远红外波段（50m1000m ） 1。图 1.1 电磁波谱红外光的波长比可见光的波长长，具有更好的衍射、绕射效应，这有利于红外光在空气中传
15、播。并且，物质内部的粒子的热运动能量和红外光子的能量相当，红外线更容易被发射吸收。与微波相比，红外线具有更好的量子效应和热作用。因此，可以研制出与可见光感光器件类似的红外探测器件。红外热成像技术是一种利用光学系统将目标物体的红外辐射汇聚到红外探测器上，红外探测器将这些红外辐射转换成与其能量成正比的微弱电信号，在经过信号放大、采样以及红外图像处理最终得到能够反映目标物体表面温度分布的图像，最后将图像传送到显示设备显示供人类观测的技术。红外成像技术拓宽了人类的可视频谱范围。目标物体的红外辐射在空气中传播时，不同波长的红外辐射与空气分子的相互作用不同，因此，不同波长的红外辐射在空气中传播的衰减也不同
16、。红外辐射由目标物体经过大气层到红外探测器时大部分波段的红外辐射几乎被吸收殆尽，但是，空气对波长在 814m （长波红外）、3 5m（中波红外） 、1 2.5m（短波红外）范围内的红外辐射的吸收却很弱，透射率较高。通常所说的大气窗口指的就是这三个波段。因此，人类利用红外辐射的这种特性来研制红外探测器。常见的红外探测器的响应波段都在大气窗口的波段范围内。非制冷红外成像系统以其高可靠性、低成本、小体积、低功耗等优点，近年来发展迅猛。非制冷红外热成像系统的结构框图如图 1.2 所示。光学系统 红外探测器 信号处理系统 显示设备硕 士 学 位 论 文图 1.2 非制冷红外成像系统结构框图整个系统可以分
17、成四个部分：光学系统，红外探测器，信号处理系统，显示设备。光学系统选择性地将目标物体发出的波段与探测器响应波段相同的红外辐射汇聚到红外探测器上。红外探测器的作用就是将接收到的红外辐射转换成与辐射能量成正比的电信号。信号处理系统一方面接收探测器送过来电信号并进行一系列的红外图像处理，最后将处理后的数据发送给显示设备，同时也向红外探测器发送驱动信号使探测器能够正常工作。显示设备用来显示最终的目标物体的红外图像供使用者观看。常用的显示设备有电视机、液晶屏、监控器等 2。1.2 非制冷红外探测器的发展由于制冷型红外探测器存在以下几个问题：1、制冷型红外焦平面的制作原材料非常昂贵且废品率很高，这就造成制
18、冷型红外探测器的成本一直居高不下；2、制冷型红外成像系统需要额外的制冷机才能工作，而制冷机是整个系统中可靠性最差的部分，从而导致整个系统的可靠性大幅下降且成本增加；3，制冷型红外成像系统体积大、功耗高。这些缺点直接限制了制冷型红外成像系统在民用、工业等要求低成本、小体积领域的应用。因此，上个世纪 80 年代人类开始研制一种低成本、小体积、高可靠性、低功耗的红外探测器。从此，拉开了非制冷红外探测器的序幕 3。最先开始研制非制冷红外成像系统的是美国的 TI 公司和 Honeywell 公司，这两家公司在美国军方的资助下分别从不同的技术方向开始了非制冷红外探测器的研制工作。其中 TI 公司采用的是热
19、释电技术，探测器焦平面的材料为铁电体材料，而 Honeywell 公司采用的是测辐射热技术，探测器焦平面的材料为 VOx （氧化钒） 。TI 公司率先取得了成功，研制出第一款基于热释电效应面阵为 100100 的非制冷红外探测器，随后 Honeywell 公司也研制出基于微测辐射热计技术的非制冷红外探测器。之后，各主要国家纷纷加入非制冷红外探测器研发队伍，非制冷红外焦平面得到充分的发展，分辨率越来越大，体积、功耗、NETD 越来越小 4。总得来说，可以把非制冷红外探测器发展历程划分成三个阶段。1、技术摸索阶段上个世纪 80 年代初期到 90 年带初期，主要是对红外敏感材料及焦平面技术进行研究、
20、探索。最终，研究发现热释电材料和氧化钒材料非常适合做红外热辐射的感光材料，同时也探索出了两种制作红外焦平面的技术单片式和混合式。这个时期的红外探测器以 TI 公司的328245 阵列的钛酸锶钡非制冷红外探测器和 Honeywell 公司的 336240 微测辐射热计非制冷红外探测器为标志。2、技术成熟阶段从 90 年代至今，非制冷红外探测器进入一个快速发展的时期，在这一时期基于各种主流技术的非制冷红外探测器得到充分的发展和广泛的应用。美国的波音公司、洛克希德马丁公司先后研制出了 640480 阵列的非制冷红外探测器，这是目前分辨率最高的非制冷红外焦平面阵列。虽然美国在这一领域一直处于领先地位，
21、其他国家也不甘示弱，奋起直追。法国的 ULIS 公司在其国防部的资助下在非晶硅非制冷红外探测器研究上也取得了很大的成功，先后研制出160120、320240、640480 等基于单晶硅的非制冷焦平面阵列。日本的三菱公司推出了320240 基于微测辐射热计技术的非制冷焦平面阵列。英国宇航系统公司也成功研制出了256128 基于 PST（钽钪酸铅）铁电型非制冷红外焦平面。此外，我国的科研院所也先后研制出硕 士 学 位 论 文了 320240 电阻型红外焦平面，128128 锆钛酸铅红外焦平面。3、新技术探索阶段虽然非制冷红外探测器得到了较快的发展，但是依然还存在一些问题没有解决。比如，基于微测辐射
22、热计的焦平面的功耗问题、像素的尺寸问题、进一步减小探测器体积、降低成本、研制分辨率更高的探测器等。未来，仍需要投入更多的人力、物力去探索新的材料、工艺、技术 5。根据市场的需求以及现有的技术基础，未来非制冷红外成像系统发展趋势有下面四个方向。1、大面阵为了获得更多目标物体的细节内容，就必须提高探测器的分辨率，增大探测器的视场 6。2、小体积非制冷红外成像系统以其独特的优势在越来越多的领域得到广泛的应用，同时对它的便携性也有了更高的要求。为了能够使用方面、易于携带，非制冷红外成像系统就必须缩小体积、减轻重量。3、高速化为了能够及时获得高速运动目标的细节、防止目标丢失，需要提高探测器的帧频。同时，
23、探测器的面阵在不断增大。这都要求探测器有更快处理速度。4、多色化随着技术的进步，可以拓宽探测器的感应光谱波段，也可以将探测器感应波段划分成更加细致的波段，来获得目标物体的“彩色”热图像，并从中得到更多关于目标的信息 7。1.3 常用的非制冷红外成像系统硬件架构目前常用的红外成像系统的硬件架构可以分为 3 种：基于 DSP 的架构，基于 FPGA 的架构，基于 FPGA+DSP 的架构。基于 DSP 的架构核心处理芯片为一款高性能的 DSP 芯片，利用这个DSP 芯片产生控制时序、实现图像处理算法。基于 FPGA+DSP 的架构中利用简单的 FPGA 产生控制时序，DSP 来实现图像处理算法。基
24、于 FPGA 的架构利用逻辑硬件完成探测器驱动以及图像处理工作。红外成像系统在工作时，首先要驱动探测器的读出电路，将焦平面各像元转换的模拟电压一一有序读出。读出的过程中需要精确的控制探测器积分时间、像素的读出速度、以及采样时钟的相位等时序。基于 DSP 的架构利用软件延时的方式来控制时序，但是利用这种方式产生的时序不够精准。高帧频、大面阵的红外探测器对读出时序的要求苛刻，所以该方案不适用于高帧频、大面阵的红外探测器。但是 DSP 的开发效率高、使用简单，在 DSP 中实现串行图像处理算法是一件很容易的事情。因此，在探测器的面阵较小、帧频较低时可以使用该方案。基于FPGA+DSP 的架构中使用
25、FPGA 产生精准的探测器读出电路控制时序，克服了基于 DSP 的架构时序控制能力不足的缺点，同时保留了 DSP 开发效率高，图像处理算法实现容易的优点。但是这个方案也存在一些缺陷，为了实现红外图像的实时处理 FPGA 和 DSP 之间要进行高速率的数据传输。如果一个探测器面阵为 384288，帧频为 100Hz，每个像素量化位数为 14 位，外加 2 位场行信号，那么数据速率将会达到 176.95Mbps。根据计算结果可知，FPGA 和 DSP 之间需要实时传输的数据是非常大的。一方面片外总线上的状态大量的不停的发生翻转会使功耗大幅增加，硕 士 学 位 论 文而如果只使用片内总线可以明显的降
26、低功耗，另一方面受 IO 翻转速率的限制 FPGA 和 DSP 之间的通信速率存在一个上限，这不利于系统的面阵及帧频的提高。此外，FPGADSP 架构中使用了两个处理核心这会增大整个系统的体积。基于 FPGA 的架构中读出电路时序控制、图像处理算法全部由逻辑硬件电路实现。利用 FPGA 逻辑来实现图像处理算法开发难度大，但是一旦实现后由于硬件电路的并行优势可以大幅增强图像处理能力、提高系统的实时性 8。表 1.1 对三种架构的性能做了详细的对比。表 1.1 三种红外成像系统硬件架构对比1.4 本课题研 究意义及论文工作 安排随着非制冷红 外成像系统在军用、民用、 工业等领域的应用越来越广泛，使
27、用者对整个系统的便携型的要求也越来越高。小体积、手持式、长时间续航是未来非制冷红外成像系统的一个发展趋势。手持式电子设备必须依靠电池供电且电池的容量是有限的，为了提高系统的续航能力就必须降低系统的功耗或者提高电池的容量 9。本课题研究的重点在降低系统的功耗，降低功耗的好处体现在以下六点。1，当今社会能源匮乏、环境污染是困扰人类的两大问题。如果能够降低产品的功耗就意味着消耗更少的能源，减少污染物质的排放。这样不仅能够延长能源的供给时间，还可以保护人类赖以生存的环境。2，低功耗的产品可以降低对供电系统的要求，降低供电成本。供电系统变得简单意味着供电电路需要更少的器件、更小的 PCB，进一步降低成本
28、3，产品降低功耗，发热量减少，系统工作的温度降低。工作温度的降低可以显著提高系统的可靠性。且温度降低，可以简化甚至不用散热风扇，这样一方面可以降低成本，另一方面可以减少电磁干扰。4，研究表明电子器件的结温每降低 10 度，寿命可以增加一倍。因此降低产品的功耗可以大幅提高产品的寿命。5，对于依靠电池供电的便携式产品，降低产品的功耗可以提高产品的续航时间。本论文围绕如何降低非制冷红外成像系统的功耗、缩小系统的体积这一问题，展开研究工作。本文完成的主要工作内容如下：1、大量查阅中外文献详细了解非制冷红外成像原理，非制冷红外成像系统的发展现状。明确低功耗、小体积对非制冷红外成像系统的重大意义。研究非制冷红外成像系统的硬件平台架构，并确定本系统的整体硬件框架。2、研究低功耗电路设计技术并详细分析了本系统的功耗分布。综合利用各种低功耗设计架构指标 DSP DSP+FPGA FPGA处理能力 较高 一般 高功耗 较小 小 高尺寸 小 小 较小成本 较低 低 高开发难度 较小 大 小开发周期 较短 长 短可靠性 较高 高 高实时性 较好 好 较好
