低成本紅外可視溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

孫國強

[摘 要] 隨著紅外監(jiān)控設備分辨力的提高，紅外監(jiān)控的應用范圍更加的廣泛。通過對探測器輸出的數(shù)字信號處理，即可完成對目標的監(jiān)控與溫度判斷。這種具備溫度監(jiān)控能力的紅外監(jiān)測系統(tǒng)在安保、消防、電力等領(lǐng)域有著巨大的應用前景。由于紅外攝像機與系統(tǒng)成本高昂，限制該類系統(tǒng)的應用。而使用成本較低基于FPGA的電路完成信號處理，并且利用紅外與可見光監(jiān)控共同工作，則可以在相對較低的成本下，實現(xiàn)紅外可視溫度監(jiān)控。

[關(guān)鍵詞] FPGA溫度監(jiān)控紅外探測紅外信號處理低成本

一、紅外溫度監(jiān)控的應用及實現(xiàn)

隨著科技的發(fā)展，許多行業(yè)自動化程度日益提高，產(chǎn)生了大量無人值守的設備與工作區(qū)域。然而工業(yè)運行中，即使無人值守也要保證設備防火及安全運行的要求，這對現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求。設備火災與設備老化故障往往與溫度異常升高有關(guān)，所以應用于這些現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)必須具備溫度報警功能。傳統(tǒng)的紅外及煙霧監(jiān)控僅針對明火，無法提前預防；在敏感點設置溫度傳感器的方法，成本高，僅適合小范圍系統(tǒng)。而在監(jiān)控面積大，可能故障點多，而成本又有限的場合，具備溫度監(jiān)控能力的紅外攝像系統(tǒng)則更能滿足需求。目前在電力行業(yè)中的無人變電站監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)中高功率設備運行監(jiān)控、教育行業(yè)中各種高功率實驗設備的監(jiān)控則是此類紅外溫度監(jiān)控的重要應用場合。

紅外溫度監(jiān)控設備的主要部分有紅外監(jiān)控攝像機、硬盤攝像機、監(jiān)控計算機與遠程控制終端組成。紅外監(jiān)控攝像機主要完成可見光到視頻電信號的轉(zhuǎn)化。硬盤攝像機主要完成將原始視頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合網(wǎng)絡播放的各種視頻格式并通過網(wǎng)絡接口提供給監(jiān)控計算機或外部計算機訪問。同時硬盤錄像機也提供定時、即時回放等輔助操作功能。監(jiān)控計算機是整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，通過控制軟件及接口對前端設備實現(xiàn)命令控制。遠程控制終端是普通計算機，通過網(wǎng)絡訪問獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)并進行相關(guān)系統(tǒng)操作。

紅外監(jiān)控實現(xiàn)溫度監(jiān)控的關(guān)鍵在于利用紅外視頻進行溫度判斷。紅外輻射是指波長在0.75～1000微米之間的電磁波。普朗克定律看，只要物體的溫度沒有達到絕對零度，物體就有電磁輻射發(fā)射。這意味著所有物體都在發(fā)射各種波長的紅外輻射。

紅外攝像機是通過紅外感光元件感應監(jiān)控目標的紅外輻射強度來形成圖像。通常紅外攝像機形成的是灰度信號，即畫面上灰度即對應了物體紅外輻射強度。而根據(jù)紅外輻射理論，物體溫度越高、與環(huán)境的溫差越大，紅外輻射的強度越強，那么攝像機獲得的灰度信號就越亮。如果通過實驗獲紅外探測單元黑體輻射強度與溫度的對應列表，就可以通過軟件對探測數(shù)據(jù)處理獲得對應點灰度與溫度的換算，從而達到遠程非接觸的溫差測量的要求。

二、低成本方案改進

（1）改進原理

國際上針對紅外探測器機芯的開發(fā)方案主要有2種方案：基于FPGA的實時圖像處理平臺；基于DSP的實時圖像處理平臺或結(jié)合FPGA和DSP的綜合圖像處理平臺。目前成品紅外攝像機往往采用美國FLIR公司，法國ULIS公司，美國FLUKE公司等公司的成品紅外探測器。這些紅外探測器精度高，能直接輸出灰度視頻信號。其信號處理電路往往采用結(jié)合FPGA和DSP兩種電路結(jié)構(gòu)的處理平臺。這種處理方式利用FPGA進行圖像的輸入輸出操作，用DSP完成復雜的圖像處理工作所以成像效果較好、精度高。但是此類方案實現(xiàn)成本高，造成成品紅外攝像機價格居高不下。

在紅外電力或是高功率實驗設備監(jiān)控中，目標對象如故障接頭、線圈等與環(huán)境溫差很高，對探測器的精度要求相對較低，可以用僅依靠FPGA的電路來完成相應處理功能。如果能自行設計基于FPGA的信號處理電路將能降低紅外攝像機成本從而降低系統(tǒng)造價。

基于FPGA的實時圖像開發(fā)平臺的實現(xiàn)原理為，紅外輻射通過紅外感應單元進行采集之后，將光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，電信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后在FPGA中進行各種處理，處理后的信號再進過視頻編碼就可以在監(jiān)視器上輸出得到的信號。

（2）改進設計實現(xiàn)

基于FPGA的紅外探測電路主要由紅外感應單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號預處理和視頻編碼幾個部分組成。目前紅外感應單元由于技術(shù)含量高，往往采用成品紅外感應單元。成品紅外光感應單位往往集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊。所以選取符合要求成品即可。而視頻信號格式轉(zhuǎn)換模塊也有很多成熟產(chǎn)品及方案，所以這里不再累述?；贔PGA的實時圖像視頻處理主要包括數(shù)據(jù)采集分析、非均勻校正、壞點校正及圖像增強等部分。

數(shù)據(jù)采集分析：紅外感應單元的信號采集進FPGA之后，并不能直接進行開發(fā)。首先要分析信號的結(jié)構(gòu)，把數(shù)據(jù)信號與其他控制輔助信號分離出來。

非均勻校正：非均勻性是紅外探測器本身固有的特性，特別是目前應用比較廣泛的紅外焦平面列陣產(chǎn)品，由于感應單元多，非均勻性的存在將導致紅外圖像質(zhì)量急劇的下降。因此，紅外圖像在作處理前，必須先進行非均勻校正。利用焦平面列陣對均勻光源的成像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計求得修正數(shù)據(jù)，每次成像時做相應補償。

壞點校正：由于陣列型紅外探測器中每個像素點都是獨立的，因此如果某個像素點的數(shù)據(jù)在傳輸時出現(xiàn)故障就會出現(xiàn)壞點。這些點對圖像的影響是巨大的。通過統(tǒng)計相鄰異常點并加以修正的方法可以有效降低壞點的影響。

圖像增強：經(jīng)過校正后的紅外圖像已經(jīng)比較清晰，但是仍有一定的缺陷。這個時候就需要用各種圖像增強算法來對圖像進行處理。在FPGA平臺上我們往往采用直方圖均衡方法提高畫面質(zhì)量。

（3）后期修正

由于FPGA的邏輯運算能力始終有限，成像視頻的分辨力比一般國外成品要低，在進行成像時，可能無法滿足復雜設備的監(jiān)控需要，特別是設備中某個部件不良時，較低分辨力的圖像無法幫助監(jiān)控者準確識別溫度異常點。在這種情況下，我們可以采用可見光輔助成像方式，提高紅外圖像的成像效果。

由于目前可見光攝像機成本低，所以我們可以將可見光攝像機與紅外攝像機安裝在同一云臺上，同時成像?？刂栖浖峁﹥煞N圖像的共同成像模式。在該模式下圖像由可見光與紅外攝像圖像共同形成，其中可見光圖像以一定透明度的形式疊加在紅外圖像上，這樣即使紅外圖像不夠清晰，借助可見光圖像的輪廓也能幫助監(jiān)控者迅速識別異常部位。

三、小結(jié)

本文論述了一種低成本實現(xiàn)紅外溫度監(jiān)控的方案，通過使用FPGA平臺完成視頻信號處理降低了系統(tǒng)整體成本，并通過紅外可見光雙重成像的方式降低了紅外監(jiān)控對圖像清晰度的要求，即使利用成像清晰度較低的系統(tǒng)也能滿足現(xiàn)場對紅外遠程監(jiān)控的要求。本設計方案雖然能滿足一般紅外遠程溫度監(jiān)控的需求，但受制于硬件速度，系統(tǒng)性能仍較低。相信隨著FPGA平臺成本降低和功能增強，可以遵循該思路開發(fā)出性能更優(yōu)的低成本紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

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