短波红外远距离可视系统软件方案设计 楚明月，蔡秀忠，路改强，李世杰 国网河南省电力公司濮阳供电公司，河南 濮阳 457000

短波红外远距离可视系统软件方案设计 楚明月，蔡秀忠，路改强，李世杰 国网河南省电力公司濮阳供电公司 ，河南 濮阳 457000 摘要： 本文研究短波红外远距离可视系统软件方案，主要对探测器驱动模块、 ADC 模块、数据处理模块、传输模块、视频转换模块分别进行研究，设计出系统软件方案，与硬件设备相结合，实现短波红外远距离可视系统的预防灾害、灾区监控、节省人力物力的目的。 关键词： 软件方案；探测器驱动模块；数据处理模块；传输模块；视频转换模块

0引言

目前，短波红外目前属于高精尖技术，处于国外技术封锁阶段。在国外该类型的产品被运用在科学研究领域，主要用于天文观测、光束质量分析、波前传感、拉曼位移（Raman shift）探测、高光谱成像及激光通信等应用，其次该类型的产品被运用于军事领域，主要用于高空侦查无人机、单兵夜视系统、战场夜视系统^[1]。在国内，该类型的产品处于初级研发阶段，仅运用于军事装备、及侦测部门特殊用途取证侦查用。该技术在国内电力行业尚未应用。

本文创新性地提出一种短波红外远距离可视系统，分为硬件部分和软件部分，本文介绍软件部分方案设计，对探测器驱动模块、ADC模块、数据处理模块、传输模块、视频转换模块分别进行研究设计，与硬件设备相结合，实现短波红外远距离可视系统的预防灾害、灾区监控、节省人力物力的目的。

2探测器驱动模块

探测器的工作时序分为两类：配置寄存器时序和工作时序，所需要的驱动信号包括：主时钟（CLK) 、配置输入数据（DATA) 、帧同步信号（FSYNC) 、行同步信号（LSYNC) 。

探测器内部具有32bit可配置寄存器，在控制工作模式下，可通过配置寄存器修改探测器的工作方式（增益模式、输出路数、读出方式等）， 系统每次上电以及需要修改探测器工作方式时都需要对寄存器进行重新配置^[1]。

3 ADC模块

THS1408内部共有4个寄存器，其中3个为配置寄存器，分别用于配置内部PGA增益、偏移量补偿值以及AD工作模式。4个寄存器的选择通过A [1: 0] 控制，如表1所示。

表1.THS1408内部寄存器

由于4路信号存在着非一致性，通过调节 AD 内部的偏移量补偿可以对其进行消除。寄存器断电后数据丢失，每次系统上电后，都需要对寄存器重新进行配置，才能进入工作模式^[2]。

4数据处理模块

短波红外探测器自身的动态范围较小, 如果信号中包含背景信号，则系统的动态范围将被压缩，最后获取的图像对比度将下降。通常有模拟减背景和数字减背景两种方法。模拟减背景的方法是将采集的背景数据进行DA转换后，在模拟放大器前端差分减除，不包含背景的目标信号进行放大后再进入AD转换器。这种方法的优点是可以保证目标信号充分利用AD转换器的动态范围，缺点是引入了DA转换器噪声，并且增加了硬件电路的复杂性。数字减背景的方法是独立地采集背景信号和图像信号，AD转换后通过数据处理的方式用图像信号减去背景信号。本系统采用数字减背景的方式^[3]。

系统工作在视频级，需要对数据进行实时处理，即在 FPGA 中完成背景减除和非均匀性校正。选择运算量较小、易于实现的两点校正法作为非均匀性校正算法，可以有效节省FPGA的硬件资源。流程框图如图1所示。

图1.数据处理流程框图

5 USB 传输模块

USB传输模块主要包括USB固件程序和PC上位机软件程序，USB固件程序用于对USB芯片进行工作模式配置，PC上位机软件程序用于数字图像接收、处理、显示。

（1）USB 固件程序设计

固件程序设计中，对USB内部各寄存器进行配置是最主要的也是最基本的工作，结合所需的USB工作模式和参数对寄存器进行配置，此外，本课题设计中利用了控制端点来实现指令参数和图像数据的传输，计算机通过USB口的端点2向USB 芯片发送控制指令，数字图像数据的接收则通过USB口的端点6进行。

（2）计算机软件设计

计算机端的软件包括驱动程序和用于图像接收处理和系统控制的应用程序。驱动程序主要指USB设备驱动程序，它负责建立主机到设备间的联系，包括固件程序的下载、上位机应用程序和底层硬件设备之间的数据传输，这部分驱动程序一般不用重新编写，可以直接使用CYPRESS 在CY7C68013A 的开发包中提供的CYUSB.sys, 通过简单的修改 INF 文件可以实现自动正确的加载驱动和下载固件程序。CYUSB.sys 驱动程序提供方便的 API接口函数来与应用程序接口。应用程序可异步地读取缓冲区中的数据。应用程序是用户与系统的接口，通过 USB 设备驱动程序完成对外部设备SWIR 相机的控制和数据传输。应用程序主要完成的功能包括USB数据的接收、图像数据的提取、图像的显示与存储、数据的存储

^[4]。应用程序主要的程序流程如下图2所示。

图2.应用程序流程图

5 视频转换模块

本系统探测器输出的短波红外图像帧频为25Hz, 而PAL制标准下显示图像的帧频为固定的25Hz, 按照奇、偶场显示图像，场频为50Hz,为了保持图像显示的连续性，本文采用的方法是每一帧图像只取一场进行显示。若第n帧显示奇场（奇数行图像信息）， 则第n+1帧显示偶场（偶数行图像信息）。在一般的图像显示程序设计中，由于输入格式与输出格式不匹配的问题，往往需要缓存至少一帧图像数据，这就需要至少1片外部存储器。在本系统中，由于只显示一帧图像的一场，另一场直接丢弃，所显示的一场或者是奇场，或者是偶场。显示每行图像都会有一行的缓存时间，所以不需要对图像缓存一帧就能实现图像的连续显示。在帧控制信号的作用下，同步、消隐信号产生模块按照标准PAL制式输出显示所需的行同步、场同步、行消隐、场消隐信号，同时图像出控制模块负责将图像数据写入FIFO缓存中，缓存若干行数据以后，FIFO 在消隐信号blank 的控制下输出图像数据至全电视信号合成模块。

6结语

本文研究对探测器驱动模块、ADC模块、数据处理模块、传输模块、视频转换模块分别进行研究设计，实现短波红外远距离可视系统软件方案设计。通过该系统能解决各种极端气候条件下特别是夜间对特定目标进行实时监控、及时排查处理安全隐患、第一时间全面了解灾害点的难题，解决在夜间无任何自然光的条件下对灾害隐患点、灾区、电力设施等特定目标进行远距离、高清晰度观察的画面要求。

参考文献：

［1]钟兴, 金光. 超广角短波红外成像光谱仪前置光学系统设计[J]. 光学学报, 2012(10):234-239.

［2]薛庆生, 林冠宇, 宋克非. 星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计[J]. 光子学报, 2011(05):673-678.

［3]赵爽. InGaAs短波红外640×512面阵视频成像系统设计[D].

［4]任斌. 短波红外成像光谱仪电子学关键技术研究[J]. 中国科学院西安光学精密机械研究所:2010年前, 2009.