一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置及方法
【专利摘要】本发明属于信号模拟【技术领域】，涉及一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置和方法，装置包括主控模块、CPCI总线接口电路、信号模拟单元以及信号测试单元，主控模块与CPCI总线接口电路通过CPCI总线连接，CPCI总线接口电路通过内部总线分别与信号模拟单元、信号测试单元连接。本发明能够实现红外视频文件与数据信号文件的转换，并实现视频数据文件的读取、红外特性处理、显示与信号的发送控制，实现模拟装置的通用性、便携性、实用性，且优化后端视频数据采集模块的调试方法，缩短调试时间。
【专利说明】一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置及方
法【技术领域】
[0001]本发明涉及红外成像系统的开发调试技术，尤其涉及一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置及方法，属于信号模拟【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，红外成像技术已广泛应用于军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域。红外成像系统主要包括红外光学系统、红外焦平面器件及其数据采集系统，其中红外焦平面器件是其核心部件，用来接收红外辐射信号并转化为相应的电信号，若直接使用红外焦平面器件进行后端数据采集系统的研制、测试、校正等，一方面由于焦平面的研制、采购等原因会影响数据采集系统的研制进度；另一方面由于对系统的测试不可能一次性成功完成，需要多次插拔焦平面器件来测试系统的性能，这样会对焦平面器件性能带来风险；同时还由于前端光路系统功能的不确定性，会导致后端红外采集系统调试的不确定性。因此有必要采用模拟装置来模拟红外焦平面器件输出信号，对数据采集系统进行调试，验证其电路设计及硬件逻辑时序的准确性。
[0003]红外武器系统正朝着高精度、高准确度的方向发展，而红外成像系统的性能是影响红外武器系统的关键因素。在红外成像制导等武器的研究测试及维修中，需要相应的仪器来对焦平面后端的电系统进行测试。无论是红外武器研制单位、红外武器系统维修单位、还是焦平面研制单位，都需要一台测试仪器，能够模拟焦平面输出信号，对焦平面后端的电系统进行测试。同时还能够测试焦平面输入信号，检测其是否符合输入信号的要求。
[0004]现有探测器模拟器的设计构架基本类似，通过计算机的PCI接口将红外场景图像注入到探测器模拟器中，探测器模拟器对图像进行缓存和时序整理后按照红外实时信号处理平台的需求输出。现有红外成像探测器模拟器设计都只是单纯、简单的出于为红外信号处理平台提供图像数据源的考虑而设计的。这种设计实现方法在功能和应用范围上仍然有很大的局限性。首先，通过串口从计算机下载图像场景到内部Flash的方法使的探测器模拟器只能播放预设的有限几幅场景，当红外成像系统信息处理机需要较为复杂的动态场景时就无法满足需求了，对一些闭环的信息处理系统就更无法实现了 ；其次，它仅实现了对探测器接口的模拟，而对探测器在成像过程中对红外图像的影响没有考虑，如探测器响应的非线性、非均匀性以及叠加的噪声等，或只具有静态图像模拟功能，或只具有将数字信号数据传输给数据处理平台功能，或只具有原始数据注入功能，而不能对数据进行处理。
[0005]因此，能否设计一种新型的红外焦平面器件视频输出信号的模拟装置及方法以克服上述缺陷，成为本领域技术人员有待解决的技术难题。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置及方法，能 够实现红外视频文件与数据信号文件的转换，并实现视频数据文件的读取、红外特性处理、显示与信号的发送控制。
[0007]本发明是这样实现的，该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置包括:主控模块、CPCI总线接口电路、信号模拟单元以及信号测试单元，其中，主控模块与CPCI总线接口电路通过CPCI总线连接，CPCI总线接口电路通过内部总线分别与信号模拟单元、信号测试单元连接。
[0008]在一些技术方案中，信号模拟单元包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步信号延迟模块、DAC模块以及存储器模块，CPCI总线接口电路通过内部总线分别与DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步信号延迟模块、DAC模块以及存储器模块连接；信号测试单元包括模拟通道、时钟与触发模块和数据采集与存储模块，CPCI总线接口电路通过内部总线分别与数据采集与存储模块、时钟与触发模块一端连接，数据采集与存储模块、时钟与触发模块的另一端均与模拟通道连接；其输出波形为串行输出的一段视频，每个时钟代表红外焦平面阵列的一个像元，高电平代表信号，低电平代表本底，波形的最高电压对应灰度值255，波形的最低电压对应灰度值0，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，被换算成相应的灰度值，通过主控模块的编程更改所述输出波形的输出幅度、输出阵列、输出频率，得到任意型号探测器的接口模拟信号和数字信号输出。
[0009]在一些技术方案中，信号测试单元还包括输出接口，其与同步信号延迟模块、DAC模块相连接，对后级的视频采集模块输入所需的接口模拟信号和数字信号。
[0010]在一些技术方案中，主控模块为单片机或FPGA，通过VHDL语言进行编程设计，对DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块、同步信号产生模块、同步信号延迟模块、DAC模块以及存储器模块进行控制，完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置焦平面器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间的功能；CPCI总线接口电路在Xi I inx公司的ISE9.1环境下进行，用VHDL硬件描述语言完成电路的设计，完成译码、寄存器配置、访问重试、奇偶校验及状态机控制功能；DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块以NBC12429芯片为核心设计，产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号；同步信号模块在时钟信号的作用下，根据所述主控模块的要求，输出D / A控制信号、巾贞、行、像元、CDS同步信号；同步信号延迟模块将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号的传输延迟影响。
[0011]在一些技术方案中，模拟通道接收本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到数据采集与存储模块进行分析处理；时钟与触发模块在主控模块的控制下，产生时钟与触发信号，发送到数据采集与存储模块；数据采集与存储模块根据时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集、存储和显示。
[0012]在一些技术方案中，信号测试单元还包括一输入接口，其与模拟通道相连接。
[0013]在一些技术方案中，该装置还包括面板按键模块和显示模块，分别与主控模块连接，进行人机交互。
[0014]在一些技术方案中，该装置还包括接口控制模块，与主控模块及CPCI总线接口电路连接，根据主控模块的指令对总线接口进行控制。
[0015]在一些技术方案中，该装置还包括低压差高稳态电源模块。
[0016]本发明还公开了一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟方法，其包括如下步骤:[0017]步骤一，通过人机接口和主控模块对模拟像元的输出电压数据进行编辑，或装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，编辑的输出电压数据或转换的波形数据存储在存储器模块中；
[0018]步骤二，通过人机接口和主控模块编辑模拟器件的规模；
[0019]步骤三，主控模块控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块中取出波形数据或输出电压数据，同时控制同步信号产生电路产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号；
[0020]步骤四，将取出的波形数据或输出电压数据，以及产生的帧、行、像元和⑶S同步信号送到DAC模块，通过输出接口一并向视频采集模块输出；
[0021]步骤五，模拟通道接收从本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到数据采集与存储模块；
[0022]步骤六，数据采集与存储模块根据时钟与触发模块产生的时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集、存储和显示。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0024]1.通用化设计，在调试不同视频数据采集模块时，做到模拟信号输出范围、阵列大小、频率、帧行相位关系等参数的可编程设置；
[0025]2.整体化设计，仪器小型化且操作方便；
[0026]3.实用性增强，模拟装置夹具可与后端探测器接口连接端直接连接；
[0027]4.调试方法优化，减小了调试成本，缩短了调试时间；
[0028]5.视频连续传输，通过软件与硬件的协调控制，大数据量视频信号实现软硬件之间的连续传输，保证了视频信号连续不丢帧地传输给后端探测器接口连接端。
[0029]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置的结构示意图。
[0031]符号说明
[0032]I主控模块
[0033]2 CPCI总线接口电路
[0034]3 DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块
[0035]4同步信号产生模块
[0036]5同步信号延迟模块
[0037]6 DAC 模块
[0038]7存储器模块
[0039]8模拟通道
[0040]9时钟与触发模块
[0041]10数据采集与存储模块【具体实施方式】
[0042]如图1所示为本发明一【具体实施方式】，该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置主要包括:主控模块UCPCI总线接口电路2、信号模拟单元以及信号测试单元，其中，主控模块I与CPCI总线接口电路2通过CPCI总线连接，CPCI总线接口电路2通过内部总线分别与信号模拟单元、信号测试单元连接。
[0043]信号模拟单元包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块3、同步信号产生模块4、同步信号延迟模块5、DAC模块6以及存储器模块7，CPCI总线接口电路2通过内部总线分别与DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块3、同步信号产生模块4、同步信号延迟模块5、DAC模块6以及存储器模块7连接。
[0044]信号测试单元包括模拟通道8、时钟与触发模块9和数据采集与存储模块10，CPCI总线接口电路2通过内部总线分别与数据采集与存储模块10、时钟与触发模块9 一端连接，数据采集与存储模块10、时钟与触发模块9的另一端均与模拟通道8连接。
[0045]主控模块I对DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块3、同步信号产生模块4、同步信号延迟模块5、DAC模块6以及存储器模块7进行控制，其通过VHDL语言进行编程设计，完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置焦平面器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间等参数等功能。在一较佳实施方式中，例如是单片机、FPGA等，例如 Xilinx 公司的 Spartan.1IIXC3S200 或 Spartan-6 系列。
[0046]CPCI (紧凑型PCI)总线接口电路2主要完成译码、寄存器配置、访问重试、奇偶校验及状态机控制功能。在一较佳实施方式中，其设计开发例如是在Xilinx公司的ISE9.1环境下进行的，用VHDL硬件描述语言来完成电路的设计。
[0047]DPLL(全数字锁相环)时钟发生及可编程时钟分配模块3用于产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号。在一较佳实施方式中，例如在NBC12429芯片为核心的基础上设计。
[0048]同步信号模块4在时钟信号的作用下，根据主控模块I的要求，输出D/ A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号等。
[0049]同步信号延迟模块5将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号经过存储器、DAC转换、隔离芯片等的传输延迟的影响。
[0050]DAC模块6即模拟数字转换器，用于实现模拟量-数字量的转换。
[0051 ] 存储器模块7例如是EEPROM存储器。
[0052]通过以上功能部件的协作最终实现红外数字信号的直接输出或数字信号经过DAC变换，得到与实际要模拟的探测器输出接口要求一致的模拟信号。
[0053]红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置输出的波形为串行输出的一段视频，每个时钟代表红外焦平面阵列的一个像元，其高电平代表信号，低电平代表本底。利用图像灰度等级原理，波形的最高电压对应灰度值255 (白色)，波形的最低电压对应灰度值0(黑色)，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，将按换算关系对应相应的灰度值。因此，在控制巾贞、行、像元、CDS同步信号和模拟信号之间的相位关系的基础上，只要通过主控模块I的编程来更改波形输出幅度、输出阵列、输出频率，即可得到任意型号探测器的接口模拟信号和数字信号的输出。
[0054]模拟通道8用于接收本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到数据采集与存储模块10进行分析处理。[0055]时钟与触发模块9在主控模块I的控制下，产生时钟与触发信号，发送到数据采集与存储模块10。
[0056]数据采集与存储模块10根据时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集和存储，便于后续的分析处理。
[0057]在一较佳实施方式中，信号模拟单兀还包括一输出接口，其与同步信号延迟模块
5、DAC模块6相连接，对后级的视频采集模块输入所需的各接口信号，包括数字信号:帧同步信号、行同步信号(积分信号)、像元同步信号、CDS同步信号；以及模拟信号:模拟焦平面器件成像信息输出。
[0058]在一较佳实施方式中，信号测试单元还包括一输入接口，其与模拟通道8相连接，将模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号输入该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，以对信号进行处理。
[0059]在一较佳实施方式中，该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置还包括面板按键模块和显示模块，分别与主控模块I连接，用于该装置的人机交互，例如信号的编辑、图形显示等。
[0060]在一较佳实施方式中，该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置还包括接口控制模块，与主控模块I及CPCI总线接口电路2连接，用于根据主控模块I的指令对总线接口进行控制。
[0061]在一较佳实施方式中，该红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置还包括低压差高稳态电源模块，与其它各模块相连接，为其提供低压差、高稳态的电源信号。
[0062]本发明还公开了一种采用上述装置对红外焦平面器件视频输出信号进行模拟的方法，包括如下步骤:
[0063]步骤一，通过人机接口和主控模块I对模拟像元的输出电压数据进行编辑，或装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，编辑的输出电压数据或转换的波形数据存储在存储器模块7中；
[0064]步骤二，通过人机接口和主控模块I编辑模拟器件的规模；
[0065]步骤三，主控模块I控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块3产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块7中取出波形数据或输出电压数据，同时控制同步信号产生电路4产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号；
[0066]步骤四，将取出的波形数据或输出电压数据，以及产生的帧、行、像元和⑶S同步信号送到DAC模块6，通过输出接口一并向视频采集模块输出；
[0067]步骤五，模拟通道8接收从本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到数据采集与存储模块10 ；
[0068]步骤六，数据采集与存储模块10根据时钟与触发模块9产生的时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集、存储和显示。
[0069]该模拟装置不仅通过编辑波形可以输出视频成像信息对应的帧同步、行同步、像元同步、CDS同步、成像视频信息数字信号，还可以对这些输出参数进行可编程设置，包括同步信号频率、成像信息输出动态范围，并对视频信号做相应红外特性的处理，包括叠加固定噪声，像元串音处理、视频场景选择等，实现了视频文件与数据信号文件的转换，并实现数据文件的读取、处理、显示与信号的发送控制，并通过软硬件协调，实现信号发送与接收的同步控制，完成视频信号在硬件上连续的接收与发送。
[0070]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，包括:主控模块(I)、CPCI总线接口电路(2)、信号模拟单元以及信号测试单元，其中，所述主控模块(I)与CPCI总线接口电路⑵通过CPCI总线连接，所述CPCI总线接口电路⑵通过内部总线分别与所述信号模拟单元、信号测试单元连接。
2.如权利要求1所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，所述信号模拟单元包括DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块(3)、同步信号产生模块⑷、同步信号延迟模块(5)、DAC模块(6)以及存储器模块(7)，所述CPCI总线接口电路(2)通过内部总线分别与所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块(3)、同步信号产生模块(4)、同步信号延迟模块(5)、DAC模块(6)以及存储器模块(7)连接；所述信号测试单元包括模拟通道(8)、时钟与触发模块(9)和数据采集与存储模块(10)，所述CPCI总线接口电路(2)通过内部总线分别与所述数据采集与存储模块(10)、时钟与触发模块(9) 一端连接，所述数据采集与存储模块(10)、时钟与触发模块(9)的另一端均与所述模拟通道(8)连接；其输出波形为串行输出的一段视频，每个时钟代表红外焦平面阵列的一个像元，高电平代表信号，低电平代表本底，波形的最高电压对应灰度值255,波形的最低电压对应灰度值0，波形模拟像元在高电平与低电平之间的任何一个电压值，被换算成相应的灰度值，通过所述主控模块(I)的编程更改所述输出波形的输出幅度、输出阵列、输出频率，得到任意型号探测器的接口模拟信号和数字信号输出。
3.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，所述信号模拟单元还包括一输出接口，其与所述同步信号延迟模块(5)、DAC模块(6)，对后级的视频采集模块输入所需的接口模拟信号和数字信号。
4.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，所述主控模块(I)为单片机或FPGA，通过VHDL语言进行编程设计，对所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块(3)、同步信号产生模块(4)、同步信号延迟模块(5)、DAC模块(6)以及存储器模块(7)进行控制，完成图像波形转换、波形显示和编辑、设置焦平面器件规模、输出信号的频率、幅度、帧行消隐时间、同步信号延迟时间的功能；所述CPCI总线接口电路(2)在Xilinx公司的ISE9.1环境下进行，用VHDL硬件描述语言完成电路的设计，完成译码、寄存器配置、访问重试、奇偶校验及状态机控制功能；所述DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块(3)以NBC12429芯片为核心设计，产生不同相位的高精度、低抖动时钟信号；所述同步信号模块(4)在时钟信号的作用下，根据所述主控模块(I)的要求，输出D /A控制信号、帧、行、像元、CDS同步信号；所述同步信号延迟模块(5)将模拟信号与CDS同步信号进行同步，消除输出模拟信号的传输延迟影响。
5.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，所述模拟通道(8)可接收从本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到所述数据采集与存储模块(10)进行分析处理；所述时钟与触发模块(9)在所述主控模块(I)的控制下，产生时钟与触发信号，发送到所述数据采集与存储模块(10);所述数据采集与存储模块(10)根据时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集、存储和显示。
6.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，所述信号测试单元还包括一输入接口，其与所述模拟通道(8)相连接。
7.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，还包括面板按键模块和显示模块，分别与所述主控模块(I)连接，进行人机交互。
8.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，还包括接口控制模块，与所述主控模块(I)及CPCI总线接口电路(2)连接，根据所述主控模块(I)的指令对总线接口进行控制。
9.如权利要求2所述的一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟装置，其特征在于，还包括低压差高稳态电源模块。
10.一种红外焦平面器件视频输出信号的可编程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一，通过人机接口和主控模块对模拟像元的输出电压数据进行编辑，或装载图像并采用图像处理技术将图像快速转换为波形数据，编辑的输出电压数据或转换的波形数据存储在存储器模块中； 步骤二，通过人机接口和主控模块编辑模拟器件的规模； 步骤三，主控模块控制DPLL时钟发生及可编程时钟分配模块产生精准时钟，通过精准时钟从存储器模块中取出波形数据或输出电压数据，同时控制同步信号产生电路产生与波形数据相应的帧、行、像元和CDS同步信号； 步骤四，将取出的波形数据或输出电压数据，以及产生的帧、行、像元和CDS同步信号送到DAC模块，通过输出接口一 并向视频采集模块输出； 步骤五，模拟通道接收从本模拟单元返回或外部输入的模拟信号或数字信号，传送到数据采集与存储模块； 步骤六，数据采集与存储模块根据时钟与触发模块产生的时钟与触发信号，对接收到的模拟信号或数字信号进行数据采集、存储和显示。
【文档编号】H04N5/378GK103618853SQ201310616222
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】刘磊, 刘建华, 候喜报, 宋平, 杨鹏, 韩顺利, 胡为良, 应承平, 张志辉, 王恒飞 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所