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                        車載紅外熱成像系統設計

                        添加時間:2018/08/07 來源:南京理工大學 作者:黃熙燕
                        基于國產紅外探測器設計出我國的車載紅外熱像儀,對于推動我國半導體行業、車載夜視領域的發展,提升我國的經濟實力,保證民生駕車行駛安全均具有重要意義。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          在夜間照明條件不良或雨雪天氣情況下,交通事故頻繁發生。車載紅外熱成像系統作為一種車載輔助駕駛系統,不受照明條件、惡劣天氣等因素的影響,能夠將外界場景的紅外福射轉換成電信號,經過處理后再送到顯示器顯示。因此,為了保障駕駛員、乘客及第H方的安全,車載紅外熱成像系統的研巧與應用得到越來越高的重視。

                          目前,只有國內外髙端車型上配備了車載紅外熱成像系統,且巧采用國外探測器,價格昂貴且存在進口限制;趪饧夹g壁壘和國內技術落后的現狀,在國產紅外探測器的基礎上研巧低噪聲、髙動態范圍、小型化、低功耗的車載紅外熱成像系統對于推動我國半導體斤業的發展、提升國民經濟、保障民眾生命安全均具有重大意義。

                          本文W某款國產非制冷紅外焦平面探測器為研充對象,針對車載應用領域,設計并搭建了環境適應性強的硬件系統架構。然后,基于FPGA平臺搭建并編程實現了系統的軟件架構。提出了平臺直方圖均衡化硬件實現的新方法,利用直方圖的平臺值約束FPGA內部RAM的大小,并采用SDRAM仲裁控制,將累積直方圖寫入到外部存儲總片SDRAM中,節省了 FPGA內部資源,利于實現系統多功能化。提出了全溫度范圍的無擋片非均勻性校正算法,利用高低溫箱和黑體提前獲取校正參數,避免了擋片帶來的"盲視"效應,有效提升系統穩定性,降低系統功耗。

                          實驗結果表明,本文設計的車載紅外熱成像系統穩定性好、環境適應性強、噪聲小、圖像對比度強,實現了全濕度范圍的成像顯示,巧可根據用戶需求通過上位機控制各個圖像處理算法等。

                          關鍵詞:車載輔助駕駛系統,國產紅外探測器,平臺直方圖,非均勻性校正

                        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

                          隨著生活水平的提高,人們對生活質量提出了更高要求,電動車、汽車等代步工具應運而生。然而,隨著車輛的普及,道路交通事故頻繁發生,嚴重損害人們的生命財產安全。據統計,每年至少給一千萬人造成傷害,預計醫療費用、財產損失和其他成本將高達全球GDP產量的百分之一到百分之HW。我國因為交通事故每年平均死亡9萬人左右,傷48萬人。在這些交通事故中,平均夜間行車僅僅占公路交通的28%,但是夜間發生重大交通事故卻占總交通事故數的55%,而夜間事故的死亡人數更是占到75%W上,同時霧天W及對向車燈膝光也會提升交通事故的發生幾率。綜合分析,在夜間或惡劣天氣下,駕駛員視線大大縮短,是造成交通事故的主要原因。因此,研巧制備車輛輔助駕駛系統,提升夜間及惡劣天氣等能見度低的情況下的行車安全思得至關重要。

                          目前,夜視系統包括微光、激光、紅外熱成像。微光夜視由于會放大入射光線成百上千倍,在對向來車大燈照射時會導致微光攝像機失效甚至因入射光過強而燒毀。

                          因此,微光夜視系統較難應用于民用車載市場。激光夜視在安防監控領域已經有大量應用,在車載系統中,攝像機如何屏蔽車大燈,如何提升完全不發光物體,如人、樹等的發現能力是亟待解決的問題。紅外成像系統由于紅外線穿透能力強,能抗雨霧雪等極端天氣,且能屏蔽對向來車大燈的影響,因此在民用車輛上的夜視效果較好。

                          紅外熱成像技術順應時代需求,不斷發展,逐漸從軍事應用領域跨入到民用領域,在軍民兩用中逐步發展,已經受到全世界的高度重視。紅外熱成像系統接收場景內的紅外福射,將光信號轉換為電信號,經過一系列圖像處理算法后,再成像出僅僅與場景的濕度梯度分布相關的圖像。凡溫度在-273℃以上的物體,都會不斷的向外福射出不同程度的紅外,在現代物理學中稱之為熱射線。因此紅外成像系統不受照明條件的影響,來向汽車的強烈車燈不會使紅外熱成像系統致盲,且能夠在夜間或雨霧等惡劣天氣下正常成像,大大提高前方道路及交通情況的辨識度,提升駕駛安全。

                          紅外探測器和電子學組件是車載紅外熱成像系統的兩大核也。由于受到半導體行業的發展限制,當前市場上的熱成像系統均采用價格高昂的國外探測器。因此,為了降低成本,實現國產化,未來的車載熱成像系統的研究應偏重于采用國產紅外探測器。

                          由于汽車存在上電時電瓶供電不穩、在行駛中顛綾等問題,紅外熱像儀機巧在設計時滿足強的環境適應性,如沖擊震動、高低溫等。此外,紅外圖像普遍存在非均勻性大、對比度低、分辨率差等缺點,難W達到高成像質量、高分辨率、更好的環境適應性等要求,因此需要對紅外圖像進行非均勻性校正、對比度增強等圖像處理算法,提升圖像信噪比和對比度,滿足各種場合需求。目前非均勻性校正算法主要發展出基于場景的非均勻性校正和基于定標的非均巧性校正兩類。由于基于場景的非均勻性校正在處理中易出現鬼影,且復雜度高,不利于硬件實現,因此在工程實踐上通常采用基于定標的方法;诙说姆蔷鶆蛐孕U惴ò▎吸c校正、兩點校正、多點校正等。其中,兩點校正法因其計算量小、效果顯著,在紅外項目工程中廣泛應用,為克服溫度漂移導致兩點校正參數不適用而引起的圖像質量變差問題,通常采用擋片更新校正參數達到成像效果。但擋片這一機械結構的引入増加了系統的功耗和不穩定性,且擋片會導致視場上幾秒鐘的"盲視",對于需要時刻關注路況的車載紅外熱成像系統應用來說是致命缺陷。因此,研究無擋片非均勻性校正技術,從而提升系統穩定性,避免擋片致盲顯得至關重要

                          本論文分析了國內外車載紅外夜視儀的發展現狀,W廣微積電國產紅外焦平面探測器GWIR 02 02 X1A為基礎,研制出一套小型化、低功耗的車載紅外熱像儀系統,并研究了紅外圖像處理技術,主要工作如下:

                          1)分析紅外焦平面探測器GWIR 02 02 X1A數據手冊,分析其驅動設計的具體要求

                          2)根據紅外焦平面探測器GWIR 02 02 X1A的輸出圖像特征,設定紅外成像系統方案架構;

                          3)根據成像系統的方案架構,完成各忘片選型及原理圖繪制;

                          4)根據原理圖完成PCB的設計與繪制;

                          5)對硬件電路進行調試,使電路板各個模塊正常工作;

                          6)FPGA軟件程序設計,驗證方案可行性,輸出并盈示紀外圖像;

                          7)分析紅外圖像的特點,提出直方圖均衡的硬件優化方法、非均勻性校正的方法,并完成MATLAB仿真和硬件實現。

                          本文主要內容和結構安排如下:

                          第一章緒論。本章介紹了本文研究的背景、意義及國內外發展水平,分析了現階段我國車載夜視系統的發展現狀及研制國產車載紅外熱成像系統的必要性,并簡要介紹本論文的主要工作和結構安排。

                          第二章紅外焦平面探測器。本章簡要介紹了紅外傳感器的工作原理及讀出結構,進一步介紹本文采用的廣微積電GWIR 02 02 XIA紅外傳感器的主要性能特點。

                          第H章車載紅外熱像儀系統整體方案設計。本章首先分析介紹了 GWIR 02 02XIA紅外傳感器的輸出數據結構,再根據其數據結構完成車載紅外夜視儀系統方案設計,并確定各個單元忘片的選型。

                          第四章車載紅外熱像儀系統硬件電路設計及PCB設計。本章根據系統方案設計及選型巧片,完成熱像儀系統硬件電路的詳細設計,并完成PCB繪制。

                          第五章車載紅外熱像儀系統軟件設計。本章詳細介紹了熱像儀系統的軟件設計,采用Altera公司的Quartus II及NIOS軟件,基于VerilogHDL硬件描述語言和C語言完成系統FPGA邏揖設計及數據流的控制,采用C++Builder編寫上位機界面,完成人機交互控制。本章研究了原始平臺直方圖及其硬件實現方法,并在此基礎上提出一種節約片內資源的實現方法,另外,研究了非均勻性校正技術,并提出了全溫度范圍內的無擋片非均勻性校正技術。

                          第六章總結語。對本文研巧內容的息結。

                          車載紅外熱成像系統原理:

                        車載紅外熱像儀系統機芯結構圖
                        車載紅外熱像儀系統機芯結構圖

                        GWIR 02 02 X1A I/O 圖
                        GWIR 02 02 X1A I/O 圖

                        GWIR 02 02 XIA原理設計
                        GWIR 02 02 XIA原理設計

                        LM92內部簡化框圖
                        LM92內部簡化框圖

                        LM92原理圖設計
                        LM92原理圖設計

                        探測器的驅動電源設計電路
                        探測器的驅動電源設計電路

                        探測器偏置電壓原理設計
                        探測器偏置電壓原理設計

                        數模轉換電路設計
                        數模轉換電路設計

                        ADN8830功能結構圖
                        ADN8830功能結構圖

                        溫度控制設計電路
                        溫度控制設計電路

                        EP3C55F484口N 電源設計
                        EP3C55F484口N 電源設計

                        目錄

                          搪要
                          Abstract
                          1 緒論
                              1.1 課題研巧背景及意義
                              1.2 國內外發展現狀
                              1.3 本論文主要工作和內容安排
                          2 紅外焦平面探巧器
                            2.1 紅外焦平面探測器成像原理
                              2.1.1 福射定律
                              2.1.2 紅外焦平面探測機理
                            2.2 GWIR02 02X1A非制冷紅外焦平面探測器
                              2.2.1 GWIR 02 02 X1A主要特征參數
                              2.2.2 GWIR 02 02 XIA 管腳定義
                              2.2.3 GWI民 02 02 XIA 關鍵電壓
                              2.2.4 GWIR 02 02 X1A數字輸入輸出信號
                              2.2.5 GWIR 02 02 XIA片上非均勻性校正
                            2.3 本章小結
                          3 車載紅外熱成像系統整體方案設計
                            3.1 GWIR 02 02 X1A非制冷紅外焦平面探測器輸出數據結構分析
                            3.2 熱成像系統器件分析
                              3.2.1 中也、控制器
                              3.2.2 外部大容量存儲器
                              3.2.3 FLASH 分析
                              3.2.4 模數/數模轉換器分析
                            3.3 熱像儀系統架構
                            3.4 熱成像系統器件選型
                              3.4.1 中也控制器
                              3.4.2 外部大容量存儲器
                              3.4.3 FLASH 若片選型
                              3.4.4 模數轉換總片選型
                              3.4.5 數模轉換巧片選型
                            3.5 本章小結
                          4 車載紅外熱像儀硬件電路原理設升及PCB設計
                            4.1 前端板設計 24
                            4.2 驅動電路板設計
                              4.2.1 驅動電路設計
                              4.2.2 數模轉換器設計
                              4.2.3 濕度控制器設計
                            4.3 信號處理電路板設計
                              4.3.1 FPGA電路設計
                              4.3.2 SDR SDRAM 電路設計
                            4.4 電源電路板設計
                            4.5 PCB設計
                            4.6 偏壓穩定性測試
                            4.7 本章小結
                          5 車載紅外熱像儀系統軟件設計及實現
                            5.1 車載紅外熱像儀軟件總體方案設計
                            5.2 程控巧片的設計實現
                              5.2.1 AD5324 及 X95820 的程控實現
                              5.2.2 LM92的程控實現
                            5.3 探測器驅動模塊
                            5.4 格式轉換模塊
                            5.5 圖像處理算法
                              5.5.1 平臺直方圖均衡算法
                              5.5.2 紅外圖像無擋片非均勻性校正算法
                            5.6 上位機設計
                            5.7 車載紅外熱像儀成像測試
                            5.8 本章小結
                          6 結束語
                          致謝
                          參考文獻

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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