推扫式红外相机数据处理系统原理与设计

    1 引言

    在推扫式红外相机中,线列探测器代替了传统的单元探测器[1]。红外线列探测器通常有一些自身测器积分时间较短,因此通常采用多次采样技术来充分利用驻留时间,保证系统信噪比[2]。其次,为了减少读出时间,探测器设置多个输出通道,每个通道的数据起始点在线列中不同的位置上,因此,数据需像。另外,红外线列探测器通常是错位排列(如图1所示),探测器读出的一行数据并非对应一行真实的图像,需要重新排列,这一步处理称为错位校正。再有,红外线列探测器的信号中除了目标信号外,还包含由光学及机械部件的背景辐射信号[3],因此红外相机需要在成像时从获取的信号中减除背景信号。最后,由于红外线列探测器的非均匀性,为了获得良好的图像,系统要对数据进行非均匀性校正。

    2 数据处理系统工作流程

    红外相机采用了一款短波红外256元线列探测器。探测器结构如图1所示,双列错开,采用双通道输出方式,分别从探测器的两端输出。红外相机系统结构如图2所示。

    本文将介绍红外相机数据处理系统的设计与实现。软件系统采用VC6.0实现,其功能包括PCI卡接口通信,基于DirectDraw的图像实时显示,数据曲线显示、数据存储以及图像的各种校正处理。整个系统以实时方式工作。系统处理流程如图3所示。

    数据处理的几个步骤实际上是相互独立的,可以设计成单独的功能模块,在系统中可以随时开启或关闭某个模块。然而,从数据处理的效率来看,需要考虑几个步骤的顺序。

    从PCI卡过来的数据由于经过了多次采样,一行地面元对应了多行的探测器输出,因此数据量特别大,数据率特别高,而经过累加平均后,一行地面元只含一行的像元数据,数据率被降低。此时再进行背景减除、转置校正等后续步骤,可以防止数据处理跟不上,保证系统的实时处理。

    另外,错位校正如果放在累加平均之前,则错位像元之间隔的行数较多,这样系统不得不开辟更大的缓冲区来存储数据,对系统带来压力,因此,从这个角度看,错位校正也必须放在累加平均后。

    下面详细介绍数据处理系统各部分功能的原理与实现。

    3 基于PCI7300A的数据获取

    红外相机采用ADLINK公司的PCI7300A数据采集卡采集数据[4]。该卡具有以下特性:

    •输入输出数据宽度可通过软件配置成32bits、16 bits和8 bits。

    •字同步最高频率为20 MHz。

    •Bus Mastering DMA(direct memory access)数据传输方式。

    软件系统需要设置单独的进程从采集卡获取数据。首先对采集卡初始化,设置传输方式,数据宽度等等,然后设置一个由多个缓冲区组成的环形缓冲组。软件以DMA方式进行数据传输,第一个缓冲区满后,自动向第二个缓冲区写数据,如此下去,最后一个缓冲区满后,自动回到缓冲组头部,向第一个缓冲区写入数据。同时,软件采用查询的方式来检测是否有缓冲区满,如果有,则迅速从该缓冲区读出数据,并处理与显示,否则继续查询。