掃描型熱像儀校正黑體的實(shí)時(shí)控溫技術(shù)研究

張 林,賈 濤,焦明印,姜粉娥,秦 鵬,陳志學(xué)

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.陸軍航空兵駐西安地區(qū)軍事代表室,陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著線列探測器的廣泛應(yīng)用,作為紅外成像領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一非均勻校正的方法也不斷深入改進(jìn)和完善[1],使圖像質(zhì)量得到明顯改善,以便更加適用于熱像系統(tǒng)觀察場景動態(tài)范圍大、使用環(huán)境苛刻等需求。

二代掃描型熱像儀的非均勻性校正(NUC)通常采用定點(diǎn)兩點(diǎn)溫度校正法,該方法無法適應(yīng)時(shí)間或環(huán)境的變化對探測器帶來的影響,造成校正偏離,空間噪聲增大[2]。進(jìn)而工程上改進(jìn)為通過在成像光路中設(shè)置可控溫的黑體來完成探測器的實(shí)時(shí)校正,保證在不同時(shí)刻以及不同應(yīng)用環(huán)境下,黑體的溫度始終實(shí)時(shí)地跟隨場景溫度,校正系數(shù)實(shí)時(shí)更新,使非均勻性校正的輸出誤差降低。在這種實(shí)時(shí)校正的過程中,黑體溫度的穩(wěn)定性以及變化快速性是直接影響校正結(jié)果的關(guān)鍵因素,尤其在動態(tài)范圍變化劇烈的應(yīng)用場景,如武器平臺在大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí),在熱像儀的成像視場內(nèi),輸入場景的溫度變化范圍大且變化速度快,這對于黑體溫度跟隨的實(shí)時(shí)性提出很高的要求。如果校正黑體的溫度控制滯后或超調(diào)于場景的溫度范圍,直接帶來的問題就是校正結(jié)果誤差增大,進(jìn)而影響圖像的輸出,最終影響光電系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤。本文針對黑體溫度反饋信號的獲取以及控制模型上提出了一種改進(jìn)方案,保證了在場景變化劇烈的應(yīng)用情況下校正輸出的穩(wěn)定。

2 目前基于探測器掃描溫度反饋的黑體控溫方法

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理如圖1所示。采用溫控參考源實(shí)時(shí)校正是通過在探測器的成像光路里設(shè)置兩個(gè)黑體溫控源,結(jié)合閉環(huán)溫度控制手段,控制兩個(gè)黑體的溫度始終覆蓋探測器入射場景的溫度范圍[3]。實(shí)時(shí)性是通過溫度控制器實(shí)時(shí)采集黑體的溫度反饋來保證的,目前采用的方法是：黑體設(shè)置在探測器的成像光路中,利用探測器的掃描成像可以采樣到標(biāo)定黑體的輸出,通過黑體輸出的視頻信號來對應(yīng)溫度的反饋值。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system

具體控制過程如下：掃描器以20 ms的周期進(jìn)行擺動,擺動使得線陣列探測器能夠周期的遍歷輸入的場景以及黑體參考源,如圖2所示。在探測器掃描到黑體參考源時(shí),黑體作為校正的基準(zhǔn)輸入,成像處理單元要記錄黑體輻射投射到探測器后的輸出作為校正的原始數(shù)據(jù),用于后端的校正運(yùn)算；同時(shí)將每個(gè)探測元原始輸出進(jìn)行平均,作為黑體溫度的反饋值,用于溫度的閉環(huán)控制。探測器掃描到入射場景時(shí),成像處理單元取得場景的輸入數(shù)據(jù),計(jì)算場景的輻射能量分布,通過動態(tài)均衡的方法獲取場景的分布范圍,根據(jù)分布范圍的上下限電平作為兩個(gè)黑體參考源控溫的輸入指令。溫控輸入指令和溫度反饋經(jīng)過校正輸出后最終饋送到驅(qū)動電路,實(shí)現(xiàn)黑體參考源的溫度閉環(huán)。該方法反饋信號實(shí)際是黑體的自身圖像,受黑體材料輻射率的影響,溫度采樣精度不高,探測器自身的非均勻性,也影響黑體溫度的真實(shí)反饋,同時(shí)20 ms的采樣率,帶寬較低,造成解算周期受限,影響溫度控制的精度以及快速性。針對該問題改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻測溫作為反饋信號的數(shù)字PID控溫技術(shù),提高了基于控溫黑體的非均勻?qū)崟r(shí)校正的適應(yīng)性。

圖2 非均勻校正流程框圖Fig.2 Block diagram of correction progress

3 基于探測器掃描黑體反饋的閉環(huán)溫度控制方法的改進(jìn)

針對上述問題,基于探測器掃描黑體反饋的閉環(huán)溫度控制方法改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻測溫作為反饋信號來實(shí)現(xiàn)黑體控溫。這里黑體為被控對象,其加熱制冷器元件采用的就是半導(dǎo)體制冷器TEC。

圖3 參考源溫度控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of correction progress

改進(jìn)的黑體溫度控制系統(tǒng)框圖如圖3所示,控制系統(tǒng)經(jīng)串口通訊接收設(shè)定溫度指令,熱敏電阻作為溫度傳感器經(jīng)恒流源供電,將實(shí)時(shí)檢測的黑體參考源溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號,經(jīng)差分放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路處理后,將該反饋數(shù)字量與指令溫度做差,通過數(shù)字PID控制,輸出脈寬調(diào)制信號,經(jīng)功放驅(qū)動電路,實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷器TEC的溫度控制[4]。

3.1 溫度信號采集電路

溫度傳感器是保證溫控精度的重要因素,要提高溫度控制精度,必須提高溫度傳感器的熱響應(yīng)特性和溫度測量精度。方案設(shè)計(jì)初期,在溫度傳感器的選型問題上進(jìn)行了對比分析,首先考慮的是新型單線智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20,因其體積小且與微處理器連接僅需一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)雙向通信,無需配置額外附加的轉(zhuǎn)化電路,通過編程即可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值的讀數(shù),測溫精度高。但唯一缺陷是將測量溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量需要750 ms,顯然不適用于高實(shí)時(shí)性的溫度控制系統(tǒng)[5]?？紤]到所選擇的溫度傳感器必須達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,故而采用具有靈敏、精確、響應(yīng)時(shí)間短、體積小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)的傳統(tǒng)熱敏電阻,需配置額外附加的轉(zhuǎn)化電路。在具體設(shè)計(jì)中,采用Pt1000鉑電阻,其阻值隨溫度的變化而變化,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需恒流源供電,通過檢測其電壓變化來體現(xiàn)溫度的變化。設(shè)計(jì)中恒流源電流選取1 mA供電,其原因是若電流值過小,則單位溫度變化所引起的敏感電阻兩端電壓值變化較小,溫度變化的測量難度增大；若電流值過大,流經(jīng)鉑電阻時(shí)會產(chǎn)生較大熱效應(yīng),嚴(yán)重影響測量精度。

3.2 差分放大電路

Pt1000鉑電阻在0 ℃時(shí)阻值為1000 Ω,100 ℃時(shí)阻值為1385 Ω,則溫度每變化1 ℃,Pt1000阻值變化3.85 Ω,通過1 mA的恒流源供電,電壓變化量僅約為3.85 mV,為了能分辨如此小的電壓值變化[6],電路中需設(shè)計(jì)前置放大電路,且運(yùn)算放大器必須具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲和高增益等特點(diǎn),這樣才能有效檢測到設(shè)定溫度電壓與實(shí)際溫度電壓的細(xì)小差別并將其放大。設(shè)計(jì)中采用精密儀用放大器AD620[7],該器件是基于經(jīng)典的三運(yùn)放連接方式改進(jìn)研制的單片儀用放大器,不但滿足低失調(diào)、低溫漂、低噪聲的要求,且增益可調(diào)整,僅需通過改變一只外部電阻Rg阻值,就能在1～1000范圍內(nèi)精確設(shè)置放大倍數(shù)。具體的溫度信號采集、放大電路如圖4所示。鉑電阻經(jīng)1 mA的恒流源供電,獲得的電壓量與1000 mV的參考電壓Vref做差,再將差值放大100倍后輸出,完成溫度信號采集、轉(zhuǎn)化、放大功能[8]。

圖4 溫度信號采集放大電路Fig.4 Sampling and amplifying circuit for temperature signal

3.3 半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動

設(shè)計(jì)中作為黑體參考源變溫的執(zhí)行器件采用半導(dǎo)體制冷片,半導(dǎo)體制冷片是電流換能型器件,通過控制輸入電流,實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。熱慣性小,制冷制熱時(shí)間比較快,在熱端散熱良好、冷端空載的情況下,可迅速達(dá)到最大溫差[8]。根據(jù)制冷片需要大電流工作,優(yōu)選驅(qū)動方案選用脈寬調(diào)制型開關(guān)功放電路,相比線性功放驅(qū)動具有高效低耗的優(yōu)勢,通過調(diào)整驅(qū)動器輸入PWM信號的占空比,來調(diào)節(jié)輸出電流的大小,從而控制半導(dǎo)體制冷器TEC的工作狀態(tài)。

3.4 數(shù)字PID控制

系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制方法,其實(shí)質(zhì)是將溫度傳感器得到的數(shù)值,與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較得到偏差,PID調(diào)節(jié)器按照該偏差值以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號,根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行PWM控制輸出,控制半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)[9]。

本系統(tǒng)采用增量式PID算法：

ΔU(k)=Kp[err(k)-err(k-1)]+Kierr(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)]

其中：Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù),積分系數(shù),微分系數(shù);err(k)為本次采樣偏差；err(k-1)為上次采樣偏差；err(k-2)為上上次采樣偏差；

需要注意的是最終的輸出結(jié)果應(yīng)該為U(k)加增量調(diào)節(jié)值,即U(k)+ΔU(k)。圖5為PID 控制流程圖。

其中,為了達(dá)到系統(tǒng)快速響應(yīng)的目的,程序設(shè)計(jì)采用了分段處理措施,當(dāng)設(shè)定溫度與反饋溫度的差值超過1 ℃時(shí),控制器進(jìn)行開環(huán)控制,以百分之百PWM占空比最大功率驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器TEC,以期達(dá)到快速控溫的效果；而當(dāng)設(shè)定溫度與反饋溫度的差值在1 ℃范圍內(nèi)時(shí),控制器則進(jìn)行PID閉環(huán)控制,以提高控溫精度[10]。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flow chart of control

4 改進(jìn)前后的產(chǎn)品試驗(yàn)的效果對比及數(shù)據(jù)分析

采用本文改進(jìn)方案的實(shí)物如圖6所示,TEC參考源設(shè)置在鏡頭的成像光路中并附著在散熱片上,鉑電阻緊貼在TEC的參考面上實(shí)時(shí)反饋溫度,單片機(jī)系統(tǒng)包含差分放大電路,模數(shù)轉(zhuǎn)化器,PWM調(diào)制模板和驅(qū)動等電路以及數(shù)字PID控制軟件。本方案在某熱像儀整機(jī)中得到驗(yàn)證,以下是實(shí)際測試的結(jié)果。

圖6 實(shí)物圖Fig.6 Picture of real product

試驗(yàn)方法模擬瞄準(zhǔn)線大角度調(diào)轉(zhuǎn)的應(yīng)用場景。熱像儀架設(shè)在轉(zhuǎn)塔上,通過轉(zhuǎn)塔在俯仰方向上快速轉(zhuǎn)動,俯仰從0°調(diào)轉(zhuǎn)到30°,調(diào)轉(zhuǎn)速度70°/s,0.5 s內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)到位。注意到紅外背景輻射溫度在無云的條件下,俯仰從0°～30°,變化范圍約在20～30 K,對于黑體控溫系統(tǒng)來說,等效于一個(gè)階躍響應(yīng)。采用現(xiàn)有的反饋控制方式,可以明顯看到黑體參考源在溫度跟隨過程中滯后,0.5 s到位后,在圖像上出現(xiàn)明顯非均勻性的橫條紋,在1 s以后,黑體參考源控溫到位與場景溫度接近,這時(shí)校正偏差達(dá)到背景噪聲限,圖像橫條紋消失。如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前熱像儀圖像Fig.7 Image of thermal imager before improvement

采用改進(jìn)后的產(chǎn)品,采用同樣的試驗(yàn)方法,俯仰從0°調(diào)轉(zhuǎn)到30°,調(diào)轉(zhuǎn)速度70°/s,0.5 s內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)到位。在到位后,圖像未出現(xiàn)明顯橫條紋,表明黑體參考源在調(diào)轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),能實(shí)時(shí)跟隨場景溫度的變化,使校正偏差始終控制在背景噪聲限內(nèi),不會出現(xiàn)非均勻性的橫條紋。如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后熱像儀圖像Fig.8 Improved thermal imager image

5 結(jié) 論

本文將掃描型熱像儀通過探測器掃描黑體以獲得反饋構(gòu)成控溫黑體來實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正,改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻Pt1000測溫作為反饋信號構(gòu)成控溫黑體來實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正,提高了帶寬,通過實(shí)際多個(gè)場景對比試驗(yàn),驗(yàn)證熱像儀非均勻校正對場景的適應(yīng)性更強(qiáng)。該方法可廣泛應(yīng)用于掃描型熱像儀實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正。