红外热成像技术近年来取得了巨大的发展，并已经广泛应用于各个领域，市场广阔。红外探测器和红外图像处理系统是红外热成像技术的关键组成部分。红外探测器近年来呈现大面阵高帧率的发展趋势，使得处于后级的红外图像处理系统必须更快速地处理更多的数据，而目前主流的FPGA+DSP系统架构的数据处理能力已很难满足这一趋势下对系统的实时性要求。因此，为了适应大面阵高帧率的发展趋势，针对FPGA＋DSP系统架构中DSP作为核心图像处理器串行处理数据的不足，文章从提升数据处理能力和图像质量的角度，提出采用单FPGA的系统架构进行红外图像处理系统的设计，该设计以FPGA作为核心图像处理器，充分利用了FPGA能够并行处理数据的特点。相对于现有FPGA＋DSP系统架构中，DSP需要多个时钟周期处理后才能输出一个数据的缺点，单FPGA可以利用流水线的处理方法，能够达到一个时钟周期输出一个数据，从而显著地提高系统的数据处理能力。依据以上思想和方法，文章基于NIOS软核和Avalon总线进一步进行了具体架构设计，利用NIOS软核能够自行定制和Avalon总线协议简单的特点，有效和方便地完成对红外图像处理系统数据流的协调和控制，并且贯彻流水线处理的思想，在研究和分析现有红外图像非均匀校正算法和盲元校正算法的基础上，通过硬件逻辑实现了两点多段校正算法和盲元领域均值替换算法。在系统性能测试中，针对分辨率1280×1024帧率25Hz的红外图像，相比FPGA＋DSP系统架构无法完成对其实时处理，本系统成功完成了对大数据量的高速处理，并且较之目前大部分系统的噪声等效温差和剩余非均匀性为100mK和1%的平均水平，本系统噪声等效温差可达56.6mK，剩余非均匀性为0.24%。实验结果表明，系统能够完成对大面阵高帧率红外图像数据的高速处理，并且表现出很好的非均匀校正效果和高探测灵敏度。