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문제 정의
- 본 논문에서는 480x6 배열의 원적외선 적외선 검 출 소자를 이용한 열상장비 신호처리기의 설계와 제 작 기술을 다룬다. 먼저 열상장비 신호처리기의 전체 적 구성과 검출기 특성을 살펴보고 주요 아날로그 및 디지털 신호처리기의 설계 과정을 기술하였으며 제작 결과를 평가하였다.
- 본 연구에서는 이러한 열 영상의 농도분포 특성 을 이해하여 그에 적합한 대조비 개선 방법으로서 히스토그램 가변방식의 적응형 농도분포 변환 방법 을 설계하였다. 이 방법은 농도분포 비교 시 전체 히스토그램 크기를 모두 비교하지 않고, 영상에 따 라 적절하게 크기 레벨을 제한한다.
제안 방법
- 검출기 구동을 위한 바이어스는 총 9개가 필요하며 주전원 공급기로부터 10V 전원을 공급받아 전원 안 정기 및 OP-AMP를 사용하여 안정된 바이어스가 공 급되도록 하였다. 시스템 타이밍 제어에서는 열상장 비에 필요한 기본적인 동기신호들인 적외선검출기 구 동클럭, 다중화 신호, AD변환 클럭, 수평주사장치 구 동신호, 데이터 래치 출력 신호, AD변환기 레지스터 샘플 신호, 프레임 구분 신호 등을 만들어준다.
- 이러한 검출기 불균일 보상을 위해, 그림 6과 같이 두 개의 기준온도 소스를 이용한 실시간 디지털 보상 회로를 구성하였다. 검출기 앞단에 기준온도 소 스로서 두 개의 열전냉각소자(TEC : thermoelectric cooler)를 설치하였으며, 영상의 히스토그램 분포를 이용하여 기준온도를 정밀 제어한다. 실시간으로 보 상에 필요한 기준신호를 획득한 뒤 프로세서에서 검 출 소자간 보상값을 구하고, 디지탈 연산기에서 이들 보상값을 영상신호에 보상하는 방식이다.
- 검출기의 출력신호는 홀수 필드와 짝수 필드로 나 뉘어 각각 8개 채널씩 총 16개 채널을 통해 채널 당 30라인씩 다중화하여 출력한다. 검출기 각 검출채널에서 줄력되는 검줄신호는 초단 버퍼를 통해 AD변환 기로 인가한다.
- 광학계 구동 및 TEC 제어를 위한 마이크로컨트롤러와 주변 구성품 사이에 원활한 데이터 송수신을 하 기 위한 버스제어기는 프로그램 가능한 EPLD 소자 를 이용하여 구현하였다. 배율전환을 위한 렌즈구동 은 스텝모터에 의해 이루어지며, 스텝모터의 회전과 볼 스크류에 의해 렌즈는 앞뒤 직선운동을 하게 된 다.
- 즉, P값을 기준으로 히 스토그램 크기가 제한된 빗금친 새로운 히스토그램 함수를 구한다. 그 다음 가변된 새로운 히스토그램 를 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도분포 영역을 변환시켜 대조비를 향상시킨다. 그 결과를 보면, 그림 9에서와 같이 농도분포 크기가 서로 다른 A, B 두 영역이 서로 비슷하게 골고루 펼쳐져 대조비가 효과적으로 개선됨을 알 수 있다.
- 냉각기 구동회로는 마이크로 컨트롤러를 중심으로 프로그램을 저장하기 위한 메모리와 어드레스 래치 및 디코딩을 담당하는 EPLD가 제어회로로 구성하였 고, 구동회로는 정현파 구현을 위한 D/A 변환회로, 냉각기 구동전압 발생을 위한 직류-직류 변환기와 H-브리지 회로 등으로 구성하였다.
- 디지털 신호처리부는 전처리부(Preprocessor), 후처 리부(Postprocessor), 영상처리부로 설계하였다.
- 본 논문에서는 480x6 배열의 원적외선 적외선 검 출 소자를 이용한 열상장비 신호처리기의 설계와 제 작 기술을 다룬다. 먼저 열상장비 신호처리기의 전체 적 구성과 검출기 특성을 살펴보고 주요 아날로그 및 디지털 신호처리기의 설계 과정을 기술하였으며 제작 결과를 평가하였다.
- 신호들은 프로그램에 의해 수정될 수 있다. 본 시스템 타이밍 제어에서 사용하는 기본 클럭 발생기의 주파수는 36.288MHz이며, 기본 클럭을 24분주하여 검출기 구 동 클럭(1.512MHz)을 만들고 기본 클럭을 2분주하여 재현 클럭 (18.144MHz)을 구현하였다.
- 따라서 1회의 수평 주사에 의해 1 프레임의 영상신호를 획득할 수 있다. 본 열상장비의 설계에서는 1초에 30 프레임의 영상신 호를 검출하고, 신호처리를 거쳐 RS-170 신호규격에 따라 1초에 60필드의 영상을 재현하는 비월주사 방식 으로 신호처리회로를 설계하였다.
- 설계된 신호처리기를 삼성탈레스(주)와 협력하여 제작하였다. 핵심구성품인 신호처 리 기를 일원화하는 공통모듈 방식으로 감시장비 및 전차 조준경용으로 시제 제작되었다.
- 시스템 타이밍 제어에서는 열상장 비에 필요한 기본적인 동기신호들인 적외선검출기 구 동클럭, 다중화 신호, AD변환 클럭, 수평주사장치 구 동신호, 데이터 래치 출력 신호, AD변환기 레지스터 샘플 신호, 프레임 구분 신호 등을 만들어준다. 시스 템 타이밍 제어는 아날로그 신호처리 기판에 기본 클 럭 발생기와 EPLD를 사용하여 구현하였다. 신호들은 프로그램에 의해 수정될 수 있다.
- 검출기 구동을 위한 바이어스는 총 9개가 필요하며 주전원 공급기로부터 10V 전원을 공급받아 전원 안 정기 및 OP-AMP를 사용하여 안정된 바이어스가 공 급되도록 하였다. 시스템 타이밍 제어에서는 열상장 비에 필요한 기본적인 동기신호들인 적외선검출기 구 동클럭, 다중화 신호, AD변환 클럭, 수평주사장치 구 동신호, 데이터 래치 출력 신호, AD변환기 레지스터 샘플 신호, 프레임 구분 신호 등을 만들어준다. 시스 템 타이밍 제어는 아날로그 신호처리 기판에 기본 클 럭 발생기와 EPLD를 사용하여 구현하였다.
- 초점 조절은 배율전환용 이동렌즈를 앞뒤로 미세 이동시킴으로써 조절한다. 열전냉각소자 제어부는 안 정된 열영상 획득을 위한 기준표적(흑체)의 온도제어 를 위한 부분으로서 2개의 TEC와 구동회로 그리고 2개의 D/A 변환기로 구성하였다.
- 영상처리부에서는 독자적으로 검출기 불균일 보정), 열영상 대조비 향상(CEM : Contrast Enhancement Mapping), 영상 전자 확대 처리 등을 소프트웨어적 으로 구현하였다. 영상 처리 하드웨어는 고성능 DSP 프로세서와 FPGA 등으로 구성하고, 영상처리 기능 을 직접 수행하고 전달하는 부분은 FPGA를 사용 하였고 알고리즘 제어 기능은 DSP 프로세서를 이 용하여 처리하였다. 전처리부 FPGA가 출력되고 있 는 프레임의 입력 영상 데이터를 저장하는 동안 DSP 프로세서에서는 한 프레임 전의 영상처리를 수행한다.
- 제어 알고 리즘을 보면 먼저 히스토그램으로부터 전체 입력온도 에 대한 누적분포 함수를 구한다. 영상 화소 분포에 있어서 상위 온도분포와 하위 온도분포를 대표하는 중간 값으로 누적분포 0.25와 0.75에 해당하는 두 온 도 값을 기준온도 소스의 제어온도로 이용하였다. 이 러한 보상은 프레임 주기로 매번 새롭게 반복해서 수 행한다.
- 이러한 검출기 불균일 보상을 위해, 그림 6과 같이 두 개의 기준온도 소스를 이용한 실시간 디지털 보상 회로를 구성하였다. 검출기 앞단에 기준온도 소 스로서 두 개의 열전냉각소자(TEC : thermoelectric cooler)를 설치하였으며, 영상의 히스토그램 분포를 이용하여 기준온도를 정밀 제어한다.
- 초점면 배열 적외선 검출기(IRFPA : InfraRed Focal Plane Array)를 이용한 원적외선 주사방식 열 상장비의 신호처리기를 크게 아날로그 신호처리부(검 출 모듈), 디지털 신호처리부(신호처리 모듈) 및 구동 모듈로 설계하였다. 아날로그 신호처리부는 바이어스 및 구동 클럭 발생회로와 출력신호의 아날로그 신호 처리 및 AD 변환회로로 구성되며, 디지털 신호처리 부는 주사변환, 불균일 보정 (NUC .
- 특히2 포인트 기준온도신호 제어를 통한 실시간 불균일 보정 알고리즘을 구현하여 검출소자의 특성차 이에 따른 영상의 불균일성을 해소하였고, 히스토그램 가변방식으로 영상 대조비를 개선하여 선명한 영 상을 획득하게 하였다.
- 후처리부에서는 이중 뱅크의 프레임 메모리 구조를 가지며, 후처리부 FPGA에서는 프레임 메모리에 저 장된 영상에 대해 대조비. 향상 처리, 윤곽선 강조처 리(edge enhance) 등을 수행한 뒤, 비디오 동기신호 들과 함께 영상신호를 비디오 신호 다중화기로 전달 한다. 비디오 신호 다중화기에서는 D/A 변환을 통해 디지털 영상신호를 RS-170 아날로그 영상신호로 만 들어 최종적으로 모니터에 재현한다.
대상 데이터
- 고속 저 잡음의 아날로그 및 디지털 신호처리기를 설계하여 미약한 적외선 에너지의 차이를 선명한 열 영상으로 실시간 획득하였다. 480x6의 고밀도 배열 원적외선 적외선 검출 소자를 이용하여 아날로그 및 디지털 신호처리부와 구동모듈로 전체 신호처리기를 구현한 결과 안정된 열 영상 획득이 가능하였다.
- 하나는 적외선을 감지하여 전기신호로 변환하는 광 다이오드(photodiode) 부분이며, 다른 하 나는 감지소자에서 발생된 전기신호를 영상 신호처리 에 적합하도록 순차적으로 읽어내는 판독(readout) 회로이다. 열상장비 설계에 사용된 적외선 검출기의 모델은 프랑스 Sofradir사의 ID TL056으로 감응 파 장이 7.7iim 〜 10.3um인 HgCdTe 소자이다. 광 다이 오드의 배열은 480x6개로 판독회로와는 별도의 기판 으로 제작되어 인듐으로 연결되어 있다.
- 설계된 신호처리기를 삼성탈레스(주)와 협력하여 제작하였다. 핵심구성품인 신호처 리 기를 일원화하는 공통모듈 방식으로 감시장비 및 전차 조준경용으로 시제 제작되었다. 그림 10은 3배와 10배의 이중배율 광학계를 갖는 전차 포수조준경 열상모듈의 3차원 설 계된 모형(측면)과 제작된 시제품 형상(정면)의 한 예 이다.
성능/효과
- 고속 저 잡음의 아날로그 및 디지털 신호처리기를 설계하여 미약한 적외선 에너지의 차이를 선명한 열 영상으로 실시간 획득하였다. 480x6의 고밀도 배열 원적외선 적외선 검출 소자를 이용하여 아날로그 및 디지털 신호처리부와 구동모듈로 전체 신호처리기를 구현한 결과 안정된 열 영상 획득이 가능하였다.
- 그 다음 가변된 새로운 히스토그램 를 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도분포 영역을 변환시켜 대조비를 향상시킨다. 그 결과를 보면, 그림 9에서와 같이 농도분포 크기가 서로 다른 A, B 두 영역이 서로 비슷하게 골고루 펼쳐져 대조비가 효과적으로 개선됨을 알 수 있다. 여기서 히스토그램 크기 조절값 P는 표적이 위치한 영역에 따라 표적 식별 관점에서 최적 조절값이 달 라질 수 있다.
- 주사장치의 경우 70% 내외의 기존 주사 효율을 최 대 86%까지 향상시켜 16:9 양상비의 모니터에 화면 당 62만 화소까지 열영상을 재현 가능토록 하였다. 냉각기 구동회로는 5%가 향상된 80%의 전력 효율을 가져 전력소모를 감소시킬 수 있었고 온도 정밀도도 마이콤을 통해 ±0.1°C 이내로 보다 안정된 제어가 가능하였다.
- 디지털 신호처리에서는 균일 표적을 놓고 측정한 결과 전체 영상 출력의 평균값에 대해 각 채널이 5% 미만의 불균일성을 가져 매우 안정된 영상 획득 이 가능하였다. 아날로그 및 디지털 신호처리 후 10 배율의 열상 시스템에서 최소분해가능온도차(MRTD :Minimum Resolvable Temperature DifferenceX 측정한 결과, Icy/mrad 정도의 크기를 갖는 표적에 대해 0.03°C를 얻어 0.05°C의 설계 규정값 이내로 좋 은 결과를 얻을 수 있었다.
- 아날로그 신호처리기 평가 결과 검출기에 공급되는 5V의 바이어스 전압안정도는 lmV이내이고 lOOpVrms 이내의 잡음전압 수준으로 매우 안정적인 공급 이 가능하였다. 또 영상신호 증폭의 경우 160MHz의 대역폭에서 # 이내의 잡음 전압을 달성하 여 초저잡음 영상처리가 가능하였다.
- 적외선 광학계를 포함한 열상장비의 최소분해가능 온도차를 측정한 결과, lcy/mrad 정도의 크기를 갖는 표적에 대해 0.05°C 이하로 나타나 매우 우수한 성능을 확인할 수 있었다.
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