基于DSP處理器的紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾慶永， 鄭世峰

(1.中國(guó)航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471009;2.中國(guó)人民解放軍91576部隊(duì)，浙江 寧波 315000)

0 引言

用紅外熱像儀對(duì)電力設(shè)施溫度異常檢測(cè)，判斷電力設(shè)施是否故障，是無人機(jī)電力巡檢系統(tǒng)中一項(xiàng)重要檢測(cè)手段。電力設(shè)施故障紅外診斷最核心的問題是要求準(zhǔn)確地獲得被測(cè)設(shè)施的溫度分布或故障相關(guān)部位溫度值與溫升值。因此，對(duì)被測(cè)設(shè)施故障相關(guān)部位溫度的計(jì)算與合理修正，將是提高檢測(cè)設(shè)施表面溫度準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電力設(shè)施紅外檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)條件和環(huán)境的影響變化，可能導(dǎo)致同一設(shè)施因檢測(cè)條件不同，而得到不同的結(jié)果。因此，提高紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確度，必須提高紅外熱像儀測(cè)溫精度和測(cè)溫環(huán)境的適應(yīng)能力。

傳統(tǒng)紅外測(cè)溫的方法有多種，其中單項(xiàng)查表法和線性擬合法是兩種主要的方法;兩種測(cè)溫方法在測(cè)溫環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的條件下，測(cè)溫測(cè)量值相對(duì)準(zhǔn)確。但是在測(cè)溫環(huán)境變換比較大時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)測(cè)溫整體偏移現(xiàn)象，測(cè)量精度較差。分析其原因是上述兩種測(cè)溫算法都是針對(duì)某一環(huán)境溫度下定標(biāo)的，沒有考慮到環(huán)境溫度補(bǔ)償。為了滿足電力巡線系統(tǒng)中紅外測(cè)溫要求，提出了一種新的測(cè)溫方法——雙向查表法，該方法也是基于查表處理的，但與單項(xiàng)查表法相比，它需要查詢測(cè)溫表和環(huán)境補(bǔ)償查表，利用環(huán)境補(bǔ)償表，補(bǔ)償了不同環(huán)境溫度下的溫度偏差，提高了環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性和測(cè)溫精度，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下存在測(cè)溫整體偏移問題。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

紅外測(cè)溫系統(tǒng)主要由FPGA、DSP處理器、SDRAM存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、視頻字符疊加模塊及電源轉(zhuǎn)換模塊等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 紅外測(cè)溫系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of infrared temperature measurement system

紅外測(cè)溫系統(tǒng)理論依據(jù)是普朗克定律。將普朗克公式在探測(cè)器工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分可以得出目標(biāo)輻射率的大小與目標(biāo)溫度間存在著固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用紅外探測(cè)器測(cè)出目標(biāo)的熱輻射功率，就能計(jì)算出目標(biāo)的表面溫度，這就是紅外熱成像測(cè)溫理論基礎(chǔ)［10］。紅外探測(cè)器可獲取景物大視場(chǎng)的紅外輻射圖像，當(dāng)紅外熱像儀對(duì)物體測(cè)試時(shí)，熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)將物體表面分解成一個(gè)個(gè)像元，然后由內(nèi)部機(jī)構(gòu)將代表各像元溫度的輻射能量按一定規(guī)律會(huì)聚到探測(cè)器上，探測(cè)器輸出電信號(hào)的幅度與輸入輻射能量的大小成正比，信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送DSP處理器處理，在顯示器上顯示出對(duì)應(yīng)于物體表面溫度分布的熱像圖，以黑體為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)探測(cè)器輸出熱像圖灰度值G與溫度T的關(guān)系，測(cè)定樣本點(diǎn)，建立G與T的映射關(guān)系，則可以得到整個(gè)系統(tǒng)的溫度標(biāo)定查找表TB［T］，測(cè)量溫度時(shí)，以G為索引，找出相應(yīng)的溫度。這樣就實(shí)現(xiàn)了紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)。

2 測(cè)溫算法及其策略

2.1 測(cè)溫算法

要通過紅外圖像灰度值測(cè)量對(duì)應(yīng)目標(biāo)物體溫度值，必須要通過黑體標(biāo)定。黑體標(biāo)定是通過人為設(shè)定改變黑體爐溫度，得到不同溫度黑體在焦平面上圖像灰度值，得到當(dāng)前環(huán)境溫度下測(cè)得的測(cè)溫表，將當(dāng)前環(huán)境溫度稱為定標(biāo)時(shí)的環(huán)境溫度Tref?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)測(cè)溫過程如下:將與黑體等效溫差正相關(guān)的圖像灰度差，加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度與定標(biāo)環(huán)境溫度溫差對(duì)應(yīng)的灰度差(補(bǔ)償值)，查找定標(biāo)環(huán)境溫度下測(cè)得的測(cè)溫表，查到現(xiàn)場(chǎng)溫度下圖像灰度差對(duì)應(yīng)的黑體等效溫差，最后將溫差加上現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度，經(jīng)發(fā)射率修正后轉(zhuǎn)換為目標(biāo)溫度。這也是環(huán)境溫度補(bǔ)償過程，紅外測(cè)溫的過程即環(huán)境溫度補(bǔ)償過程，補(bǔ)償?shù)姆椒ň褪遣楸怼?/p>

標(biāo)定過程本質(zhì)上是建立了黑體溫差與紅外圖像的灰度差之間的關(guān)系，設(shè)此關(guān)系為G=M(Tobj，Tref)，其中G為灰度差，Tobj為標(biāo)定時(shí)目標(biāo)黑體溫度，Tref為標(biāo)定時(shí)環(huán)境溫度(參考溫度)，測(cè)溫時(shí)根據(jù)灰度差G查表得到Tobj。由斯蒂芬-玻耳茲曼定律，黑體的全輻出度與溫度成四次方關(guān)系，對(duì)發(fā)射率為з的目標(biāo)，如果不考慮大氣傳遞及光學(xué)系統(tǒng)的損耗，則探測(cè)器輸出電壓與入射的輻射照度成正比關(guān)系，且圖像灰度值G滿足下式

式中:E為探測(cè)器接收的輻射照度;S為探測(cè)器靈敏度(增益);K為一經(jīng)驗(yàn)常數(shù);Tobj為目標(biāo)溫度;Tenv為當(dāng)前環(huán)境溫度;Φ為視角。由于式中S，K均為常數(shù)，當(dāng)目標(biāo)充滿探測(cè)器視野后，上式中G為溫度的二元函數(shù)(自變量分別為Tobj和Tenv)，而除溫度外其余參數(shù)均為常數(shù)，將這些常數(shù)合并為Kall，以上過程即為測(cè)溫查表算法。

2.2 三種測(cè)溫算法比較

1)線性擬合法。

根據(jù)黑體標(biāo)定測(cè)試的大量數(shù)據(jù)，利用曲線擬合的最小二乘法函數(shù)f(X)∈［a，b］最佳平均逼近擬合出一條曲線，求出測(cè)溫關(guān)系函數(shù)y=ah3+ah2+c。測(cè)溫時(shí)依據(jù)紅外圖像灰度值可計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度值［7］。線性擬合法擬合參數(shù)在實(shí)驗(yàn)時(shí)確定，在測(cè)溫處理器中應(yīng)用擬合測(cè)溫公式即可。但由于目標(biāo)物體溫度值與灰度值不完全線性化，因此，測(cè)溫精度較差。對(duì)此文獻(xiàn)［12］提出了分段線性擬合的方法，測(cè)溫精度得到了一定的提高。

2)單向查表法。

單向查表法，定標(biāo)時(shí)只得到了關(guān)系G=M(Tobj，Tref)，當(dāng)測(cè)溫系統(tǒng)工作環(huán)境溫度改變時(shí)(設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度為Tenv)，首先將Tenv作為 Tobj查找關(guān)系M，得到的灰度G'作為補(bǔ)償值，測(cè)溫時(shí)加上G'進(jìn)行查表，這個(gè)G'的實(shí)際意義是Tenv和Tref之間黑體溫差對(duì)應(yīng)的灰度差，這樣測(cè)溫算式為

但上式中的灰度差G'是在環(huán)境溫度為Tref時(shí)測(cè)得的，而當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為Tenv，在不同環(huán)境溫度下，補(bǔ)償灰度差G'未必相同。這樣測(cè)出的溫度誤差比較大。

3)雙向查表法。

采用雙向查表法是除前述的G=M(Tobj，Tref)外，增加反映環(huán)境溫度與灰度補(bǔ)償值關(guān)系的表Gcomp=Mr(Tenv，Tref)，并定義前一個(gè)表M為測(cè)溫表，后一個(gè)表Mr為環(huán)境溫度反查表。

雙向查表法的環(huán)境溫度補(bǔ)償算式為

雙向查表法的測(cè)溫算法為:1)根據(jù)Tenv查反查表得到環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的灰度補(bǔ)償值Gcomp;2)由圖像灰度值加上灰度補(bǔ)償值得到測(cè)溫檔中的查表灰度值G/Kall+Gcomp;3)由查表灰度值查找測(cè)溫表，經(jīng)發(fā)射率修正后得到Tobj。

從以上3種測(cè)溫方法比較中可以看出，線性擬合法由于目標(biāo)溫度與圖像灰度值不完全線性化，測(cè)溫精度較低;單項(xiàng)查表法沒有考慮到環(huán)境溫度對(duì)測(cè)溫精度的影響，因此對(duì)于不同的環(huán)境溫度下，目標(biāo)物體的測(cè)溫精度受到了影響，故測(cè)出的目標(biāo)物體溫度與實(shí)際溫度偏差較大，而雙向查表法考慮了對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償，因此測(cè)量出的目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度偏差相對(duì)較小，測(cè)溫精度較前兩種方法高。

3 測(cè)溫過程實(shí)現(xiàn)

紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫流程如圖2所示。

圖2 測(cè)溫流程圖Fig.2 Flow chart of temperature measurement

實(shí)現(xiàn)步驟如下所述。

1)將測(cè)溫系統(tǒng)放入高低溫箱中，通過高低溫箱調(diào)節(jié)溫度，模擬環(huán)境溫度變化，利用高精度的黑體進(jìn)行溫度標(biāo)定，得到能反映紅外熱輻射能量大小的圖像灰度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tref=f(G)，測(cè)試出一組反映在某溫度下，環(huán)境溫度變換與圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，也成為環(huán)境溫度補(bǔ)償表。

2)在某一環(huán)境溫度下，實(shí)際測(cè)溫時(shí)，利用高精度的黑體進(jìn)行溫度標(biāo)定，得到能反映紅外熱輻射能量大小的圖像灰度與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tr=f(G)，測(cè)出一組反映某環(huán)境溫度下溫度值與圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，也稱溫度查找表。利用上述對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)目標(biāo)物體輻射能對(duì)應(yīng)的灰度值得到物體的輻射溫度Tr，對(duì)Tr進(jìn)行換算，計(jì)算物體的真實(shí)溫度Tobj。

3)每一次測(cè)溫時(shí)，必須對(duì)熱像儀進(jìn)行非均勻校正，該過程由探測(cè)器處理模塊實(shí)現(xiàn)。

4)每一次測(cè)溫時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)前的黑體均要將當(dāng)前環(huán)境溫度傳送給測(cè)溫模塊處理器，處理器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度查詢環(huán)境溫度反查表，計(jì)算出紅外圖像灰度補(bǔ)償值。

5)根據(jù)目標(biāo)物體的輻射能量和黑體標(biāo)定溫度查找表，按照式(3)可以計(jì)算出目標(biāo)物體溫度Tobj。

6)將式(3)計(jì)算出的目標(biāo)溫度與目標(biāo)物體的發(fā)射率進(jìn)行修正。修正后的目標(biāo)物體溫度是目標(biāo)物體的絕對(duì)溫度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)線性擬合法、單項(xiàng)查表法和雙向查表法測(cè)溫精度和測(cè)溫環(huán)境適應(yīng)性作比較，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

采用“標(biāo)準(zhǔn)黑體爐”對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行黑體標(biāo)定，精確地得到在某一溫度下圖像灰度與黑體溫度關(guān)系的數(shù)據(jù)。在環(huán)境溫度為20℃的條件下測(cè)量灰度與溫度對(duì)應(yīng)表，將該表作為溫度查找表，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度測(cè)量查找表Table 1 Temperature and grayscale

將黑體爐放入高低溫箱中，黑體爐溫度設(shè)定為27℃，改變環(huán)境溫度，從-25℃到65℃變換，測(cè)定在不同環(huán)境溫度下灰度與溫度變換對(duì)應(yīng)表，將該表作為環(huán)境溫度補(bǔ)償表。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)境溫度補(bǔ)償表Table 2 Environment temperature compensation

根據(jù)溫度查找表和環(huán)境溫度補(bǔ)償表，建立溫度與灰度測(cè)溫關(guān)系;將實(shí)驗(yàn)用加熱電阻恒溫器放入高低溫箱中，通過改變高低溫箱的溫度模擬環(huán)境溫度，環(huán)境溫度模擬為-20℃和50℃;改變加熱器輸入電流變換電阻器溫度，測(cè)量出電阻器的溫度。3種測(cè)溫方法測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 溫度測(cè)量比較表Table 3 Temperature measurement result單位:℃

從表3可以看出，3種測(cè)溫方法在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，測(cè)量的目標(biāo)物體溫度值比較接近目標(biāo)物體的實(shí)際溫度值。然而當(dāng)環(huán)境溫度設(shè)定為-20℃、0℃、35℃和50℃時(shí)，線性擬合法和單項(xiàng)查表法測(cè)試的目標(biāo)物體溫度值與目標(biāo)物體的實(shí)際溫度值偏差較大，但雙向查表法測(cè)量的目標(biāo)物體溫度與目標(biāo)實(shí)際溫度較接近。其原因是3種方法都是在環(huán)境溫度為20℃時(shí)標(biāo)定的，在20℃環(huán)境溫度下，3種測(cè)溫方法不存在環(huán)境溫度補(bǔ)償，都能準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)物體的溫度，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，線性擬合法和單項(xiàng)查表法沒有進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，故測(cè)量出的目標(biāo)物體溫度偏差比較大，也就是說線性擬合法和單項(xiàng)查表法環(huán)境適應(yīng)性比較差，測(cè)量精度較低。

5 結(jié)論

本文從紅外測(cè)溫原理理論基礎(chǔ)-普朗克分布定律出發(fā)，對(duì)紅外測(cè)溫的幾種方法進(jìn)行了比較，針對(duì)通用測(cè)溫方法在不同環(huán)境溫度下存在測(cè)溫整體偏移問題，從輻射度量學(xué)定義出發(fā)，提出了基于雙向查表的測(cè)溫方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法提高了紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性，解決了紅外測(cè)溫系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下測(cè)溫整體偏移問題。

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