红外图像处理算法研究及其FPGA实现(2)

ｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄ

ｏｎｏｎｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｆｉｎｉｓｈｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅＦＰＧＡｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｒｅａｌ—ｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｆｒｏｍｔｈｅ

ａｓｐｅｃｔｓｏｆｌａｙｏｕｔａｎｄｗｉｒｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｅ；ＦＰＧＡ；Ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｉｍｐｒｏｖｅⅡ

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独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：盍悼鼙日期：迹址业

关于论文使用授权的说明

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

签名：导师签名：日期：矾！！兰．乡

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第１章绪论

随着焦平面技术的发展和图像处理技术的不断成熟，红外热成像系统也不

断得到改善，在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛，特别是非制冷红外热成像技术的发展使红外热成像技术拓展了更广阔的应用领域。

１．１课题研究的背景和意义

１８００年，英国物理学家威廉．赫歇耳（ＷｉｌｌｈｅｌｍＨｅｒｓｅｈｅｌ）发现了红外线，从

此开辟了人类应用红外技术的广阔道路【ｌ】。红外技术主要研究红外辐射的发射、传输和接收的规律及其应用原理。红外热像仪是一种二维热图像成像装置，它利用目标与环境之间由于温度辐射与发射率的差异所产生的热对比度不同，把红外辐射能量密度分布探测并显示出来，成为“热像”，由于人眼对红外光不敏感，所以，红外热像仪必须具有把红外光变成可见光的功能，将红外图像变为可见图像【２】。在红外热像仪中，红外热辐射通过光学系统，由红外探测器把红外热辐射投射到探测器上，变为电信号，该信号反映出红外辐射的强弱，然后经过电子学处理，将反映目标红外辐射分布的电子视频信号在监视器上显示出来，实现从电到光的转换，得到反映目标热像的可见图像。

由于目前红外器件发展的限制，红外热像仪的成像效果还不够理想，主要表

现为红外图像中噪声较大，对比度较低，视觉效果不好，分辨图像细节能力比较差等缺点，影响了红外热像仪在实际应用中的应用效果【３Ｊ。解决以上所有问题的一个最经济有效的手段就是在热像仪的电子处理部分加入实时图像处理功能。因此，在开展红外热像仪整机系统研究的同时，也要极力进行红外图像实时处理技术的研究，其核心任务是研制模块化红外图像实时处理系统，从而有效地提高红外热成像系统的动态范围、抑制图像噪声、消除非均匀性、改善图像质量。

红外图像处理系统的研究，在当代军用（红外警戒、跟踪瞄准以及制导等）

和民用领域（电力系统、消防、医疗诊断、森林火灾预警、夜间安全监视等）都具有很大的理论意义和实用价值，特别是在军用领域更具有特殊的重要意义。

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利用红外热成像技术实现温度监控和检测有着精度高（可分辨Ｏ．１０Ｃ的温度

差）、非接触、测温范围宽、形象直观等优点，因此在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等许多工业部门有着越来越广泛的作用。尤其是在材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面获得了应用，并显示出越来越强大的生命力。

目前，热像仪是夜视的重要工具，与光学望远镜、微光热像仪、雷达等成

像观察设备相比，具有诸多优点。它可以全天候的工作，不受昼夜限制；作用距离远，红外辐射比可见光具有更强的透过雾、雨、雪和烟尘的能力；能识别伪装，探测隐蔽的军事目标和强光干扰下的目标；被动式和非接触式工作，具有较好的隐蔽性；比雷达更适宜于高精度观察，不受电磁干扰；生动的图像观察方式。因此，热像仪在军事上得到广泛应用。陆军可用于夜间侦察、瞄准、火炮及导弹火控系统、靶场跟踪测量系统；海军可用于舰载火控、夜间导航及防空报警系统；空军可用于飞机夜间导航、侦察、机载火控系统。卫星载热成像系统可用于侦察地面、海上目标和导弹预警等。热像仪的使用大大提高了军队的夜战能力。２０世纪７０年代中期以后，热像仪已成为现代化军队的重要装备。开展实时红外图像处理对我国国防建设十分重要，我国在这方面的工作才刚刚起步，距离欧美等一些发达国家的技术水平差距还非常大，因此应积极开展这方面的研究工作，使我国国防技术水平跻身于世界强国之列。可见，开展红外图像实时处理系统技术研究具有重大的现实意义。

１．２红外成像技术的发展及现状

红外热成像系统分为制冷型和非制冷型。目前用的最多的为制冷型焦平面

阵列，但价格昂贵，主要是由于必须有一套完整的制冷设备。常用的制冷器结构复杂，容易发生故障，占据的空间很大，功耗约为非制冷型传感器的１０倍【４】。同时，利用长波ＨｇＣｄＴｅ材料仍不能做出高质量、高产出的ＨｇＣｄＴｅ探测器，严重限制了长波ＨｇＣｄＴｅ的使用范围。非制冷凝视型的热像仪整机工作寿命、可靠性、体积、质量、可操作性等都优于制冷型ＦＰＡ热像仪；能随时提供８＂－－１４ｐｒｏ窗口的快速热图像。非制冷热像仪低成本的优势，使其在民用和军用市场上均有广泛的应用。

从技术角度看，非制冷红外探测器主要有电阻型热探测器、铁电型和热释

电型探测器。电阻型热探测器的敏感元是热敏电阻，材料主要为氧化钒和非晶

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硅。铁电型焦平面探测器的材料主要有锆钛酸铅（ＰＺＴ），钛酸锶钡（ＢＳＴ）为热释电型探测器的主要材料，性价比最高的非制冷系统使用的是混合式铁电探测阵列。

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