紅外熱像儀成像評估系統(tǒng)設(shè)計

江慶歡 沈林祥 石安安 周新

摘要：利用紅外熱像儀測溫需先設(shè)定被測表面的法向發(fā)射率，該發(fā)射率通常為定值。而當熱像儀處于被測點的天頂角大于50°的位置范圍時，由于被測點定向發(fā)射率的變化，必造成這些點的測溫誤差。對于非平表面，這樣的點大量存在。因此，必須對其測溫結(jié)果進行修正。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀;成像評估系統(tǒng);設(shè)計

引言

紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)鏡頭、探測器、讀數(shù)電路、A/D采集電路、圖像處理電路和圖像顯示裝置等組成。其中每一部分都會對紅外熱成像系統(tǒng)的成像性能造成影響。隨著紅外熱成像技術(shù)的高速發(fā)展，人們對系統(tǒng)成像的要求越來越高。因此需提出一些能客觀評價紅外熱成像系統(tǒng)成像性能的合理指標，為研究系統(tǒng)圖像的清晰度、目標探測距離和目標檢測跟蹤精度等指標提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1紅外熱像儀典型故障分析

紅外熱像儀通常由光機組件、調(diào)焦/變倍組件、內(nèi)部非均勻性校正組件（以下簡稱內(nèi)校正組件）、成像電路組件和紅外探測器/制冷機組件組成。光機組件主要由紅外物鏡和結(jié)構(gòu)件組成，紅外物鏡主要實現(xiàn)景物熱輻射的匯聚成像，結(jié)構(gòu)件主要用于支承和保護相關(guān)組部件;調(diào)焦/變倍組件主要由伺服機構(gòu)和伺服控制電路組成，實現(xiàn)紅外物鏡的調(diào)焦、視場切換等功能;內(nèi)校正組件由內(nèi)校正機構(gòu)和內(nèi)校正控制電路組成，用于實現(xiàn)紅外熱像儀的內(nèi)（非均勻）性校正功能;成像電路組件通常由探測器接口板、主處理板、制冷機驅(qū)動板和電源板等組成，協(xié)同實現(xiàn)上電控制、信號采集、信號傳輸、信號轉(zhuǎn)換和接口通訊等功能。紅外探測器/制冷機組件主要將經(jīng)紅外物鏡傳輸匯聚的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號。在紅外熱像儀研制、生產(chǎn)和使用過程中，常常會出現(xiàn)許多種故障，可見，光機組件、調(diào)焦/變倍組件、內(nèi)校正組件、紅外探測器/制冷機組件和成像電路組件均為紅外熱像儀可靠性的主要影響因素。

2紅外熱像儀成像評估系統(tǒng)設(shè)計

2.1紅外熱像儀成像評估系統(tǒng)

紅外熱像儀成像評估系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理工作站、圖像顯示器、紅外視頻圖像專用采集卡、計算機圖形操作系統(tǒng)、紅外成像數(shù)據(jù)采集程序、紅外圖像數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)學(xué)模型的調(diào)試檢測程序、圖像數(shù)據(jù)的顯示和存儲程序組成。專業(yè)圖形處理工作站是整個系統(tǒng)的載體，提供硬件平臺。本文采用高性能雙GPU的專業(yè)圖形處理工作站。計算機圖形操作系統(tǒng)是所有圖像處理軟件的運行平臺，基于WINDOWS系統(tǒng)工作。紅外視頻圖像專用采集卡用于紅外熱像儀的視頻信號的硬件采集。它可采集PAL的模擬視頻，也可以采集CAMERALINK等數(shù)字視頻信號。采集處理分析軟件包括紅外成像數(shù)據(jù)采集程序、紅外圖像數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)學(xué)模型的調(diào)試檢測程序、圖像數(shù)據(jù)的顯示和存儲程序等，用于實現(xiàn)熱成像儀的性能指標分析。

2.2軟件流程

利用紅外圖像數(shù)據(jù)處理平臺程序構(gòu)造一個運行平臺，無縫銜接各個模塊和調(diào)用程序，實現(xiàn)參數(shù)傳遞，并提供完善的平臺接口以及友好的人機運行界面。

2.2.1紅外圖像數(shù)據(jù)采集程序（模塊）設(shè)計

利用數(shù)據(jù)采集程序驅(qū)動視頻采集卡，使其將物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過PCI總線將該信號傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存中，然后將其還原為圖像數(shù)據(jù)，生成紅外熱像圖。

2.2.2紅外圖像數(shù)據(jù)處理程序（模塊）設(shè)計

采集模塊采集數(shù)據(jù)并將其放入內(nèi)存，然后由數(shù)據(jù)處理程序?qū)D像數(shù)據(jù)進行處理。首先，對數(shù)據(jù)進行有效組織，并將圖像保存到硬盤，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)分析功能。然后對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，取出并分析數(shù)據(jù)，生成數(shù)學(xué)模型所需的數(shù)據(jù)，以便數(shù)學(xué)模型調(diào)試檢測程序?qū)?shù)據(jù)進行運算處理。另外，數(shù)據(jù)處理程序還對數(shù)據(jù)區(qū)域的選擇進行設(shè)定，通過提供鼠標拖拉等易于操作的方式來對各種參數(shù)進行操作，并提供友好的人機操作界面。

2.2.3紅外圖像數(shù)據(jù)回放顯示程序（模塊）設(shè)計

圖像采集模塊把采集到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存（硬盤）后，由紅外圖像數(shù)據(jù)回放顯示程序?qū)D像數(shù)據(jù)進行處理，并將圖像顯示到顯示器中。這里支持圖像數(shù)據(jù)的圖形化顯示，可提供圖形縮放、區(qū)域選取顯示、特定區(qū)域的放大或縮小、滑動窗口（可通過鼠標拖拉滑動窗口）、時間的定位顯示、灰度值（溫度值）提取等功能以及友好的人機操作界面。

2.3紅外圖像評估參數(shù)模型的建立與處理

2.3.1SiTF

SiTF是指被測系統(tǒng)對準一個方形或圓形測試靶標時，系統(tǒng)的輸出亮度（發(fā)光率）與輸入的目標背景等效黑體溫差之間的關(guān)系。它反映了熱像儀可調(diào)節(jié)的動態(tài)范圍，其大小會影響熱成像系統(tǒng)探測強弱目標的能力。對于弱小目標的探測，熱成像系統(tǒng)需要具有大增益功能，否則就會因目標信號太弱而探測不到。信號傳遞函數(shù)處理流程具體步驟如下：

（1）采集有溫差的半圓黑體耙標（2度、1度、0度、-1度、-2度等）的圖像數(shù)據(jù);

（2）用鼠標分別選取目標和背景區(qū)域，求出目標和背景區(qū)域均值的差值;

（3）采集一幅均勻場景的圖像，并選擇一定區(qū)域，求出其均方根差;

（4）以溫度值為橫坐標，以算得的均值差為縱坐標，畫出一條曲線，并利用這些數(shù)據(jù)擬合出一條直線，其中直線的斜率即為SiTF。

2.3.2NETD

NETD是一個用于描述紅外熱成像系統(tǒng)探測靈敏度的物理量。被測物體的溫度變化會引起輻射到熱像儀探測器上的輻射功率發(fā)生變化。當此輻射變化所引起的系統(tǒng)輸出電壓與由系統(tǒng)噪聲引起的信號輸出電壓相等時，該溫度變化被定義為NETD。此時，熱成像系統(tǒng)輸出電壓信號的信噪比為1。NETD也可用NEΔT表示。NETD處理流程具體步驟如下：

（1）采集有溫差的半圓黑體耙標（2度、1度、0度、-1度、-2度等）的圖像數(shù)據(jù);

（2）用鼠標分別選取目標和背景區(qū)域，求出目標和背景區(qū)域均值的差值;

（3）采集一幅均勻場景的圖像，并選擇一定區(qū)域，求出其均方根差;

（4）以溫度值為橫坐標，以算得的均值差為縱坐標，畫出一條曲線，并得用這些數(shù)據(jù)擬合出一條直線，其中直線的斜率為SiTF;

（5）均方根差VB與所求出的SiTF的比值即為NETD：

2.3.3角線性度

利用角線性度和成像定位角誤差可評估圖像的分辨及幾何特性。角線性度的處理流程具體步驟如下：

（1）水平方向上以8度為周期讀入一組亮點圖像（fx1、fx2、fx3……）數(shù)據(jù)，然后依次處理這些數(shù)據(jù)。

（2）求出圖像矩陣數(shù)據(jù)的最大值序列，并將坐標值序列的中值視為亮點附近位置。

（3）選擇以該位置為中心的方框，計算出該方框的質(zhì)心。為減少背景噪聲的影響，將此方框的矩陣數(shù)據(jù)都減去一個背景均值。該背景均值可通過將與15×15同中心的19×19框去除15×15框部分剩下的灰度值均值求出。

結(jié)語

紅外熱像儀成像評估系統(tǒng)可以采集和分析各型號紅外熱像儀的視頻，在紅外熱像儀的研制生產(chǎn)過程中起到不可或缺的作用。通過處理NU、SiTF、NETD、AL和TIPAE等參數(shù)，可以評估紅外成像系統(tǒng)的性能，進而在分析和計算該系統(tǒng)的空間分辨率、探測距離、成像質(zhì)量、視覺效果等方面提供有效的數(shù)據(jù)支持，同時也可用于對該系統(tǒng)的探測器、讀出電路、光學(xué)設(shè)計、機械加工精度、圖像處理等方面進行優(yōu)化。經(jīng)航天科工某重點型號任務(wù)測試應(yīng)用后，該系統(tǒng)達到了非常好的分析效果，因此可成為紅外熱像系統(tǒng)研制的必備工具。

參考文獻

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[3]廖盼盼，張佳民.紅外測溫精度的影響因素及補償方法的研究[J].紅外技術(shù)，2017，39（2）：173-177.

1.杭州水堯科技有限公司，浙江省杭州市 310000;2.杭州圖譜電力技術(shù)有限公司，浙江省 杭州市 310000