紅外圖像采集.docx

摘要1近年來，隨著熱成像技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，涌現(xiàn)出了各種型號的紅外熱像儀，同時，熱圖像的質(zhì)量也在不斷提高，但是由于紅外探測器性能及工作環(huán)境的影響，紅外圖像的質(zhì)量并不是很理想。根據(jù)不同的成像裝置，和不同領(lǐng)域的需求指標(biāo)，需要做相應(yīng)的處理。本文研究用SC3000型紅外熱像儀輸出圖像并對其進(jìn)行處理。首先研究了紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)及工作原理。在此基礎(chǔ)上，使用SC3000型紅外熱像儀采集了多幅紅外圖像。然后通過分析紅外圖像的成像機(jī)理并觀察采集到的紅外圖像歸納總結(jié)出了紅外圖像的特點(diǎn)。2根據(jù)紅外圖像本身的特點(diǎn)，運(yùn)用相應(yīng)的圖像增強(qiáng)算法對紅外圖像處理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別實(shí)現(xiàn)了提高對比度、抑制噪聲及增強(qiáng)邊緣。 3在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同算法的效果，提出了一種可將幾種算法的優(yōu)點(diǎn)融合為一體的混合算法。這種算法進(jìn)一步提高了圖像的視覺效果。4最后，根據(jù)視覺恒常理論，對Retinex算法在紅外圖像處理中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并與混合算法進(jìn)行了比較，證明Retinex算法和混合算法都適用于紅外圖像處理，并能取得良好的處理效果。關(guān)鍵詞：紅外熱像儀 圖像增強(qiáng) 紅外圖像處理 混合算法 Retinex算法ABSTRACT1Recently, the thermal imaging technology have been developed rapidly and widely usedAnd various thermal imaging devices are developedMeanwhile，the quality of thermal imaging is not very satisfactory because of the influence of infrared detectors and working environment, though the thermal image quality is improvingAccording to imaging devices, and the required indicators，the relative processing is needed Output image measured by the infrared imaging system SC3000 and image processing algorithms are studied in this paperThe structure and working principle of the infrared imaging system is studied in this paperAnd a number of infrared images were measured by the thermal infrared imager SC3000Then the characteristics of the infrared image are acquired analyzing the infrared mechanism and measured infrared images2 Infrared image processing is studied by applying corresponding infrared image enhancement algorithm, according to the characteristics of infrared imageAnd the effects ofenhanced contrast, restrained noise and improved fringe ale acquired3 A hybrid algorithm is derived from different algorithms based on their effectsThis algorithm combines the benefits of several algorithms and further enhanced the image of thevisual effects4 Finally, Retinex infrared image processing algorithm is studied based on visual constancy theory, and compared with the hybrid algorithmIt is proved that the Retinex algorithm and hybrid algorithm is applicable to infrared image processing, and Can achieve a good effectKey words：Infrared Detector, Image Enhancement, Infrared Image Process，Mix-Algorithm，Retinex Algorithm22紅外熱像儀的構(gòu)成及工作原理221紅外熱像儀的構(gòu)成紅外熱像儀是一種二維熱圖像成像裝置。熱成像系統(tǒng)是一個光學(xué)一電子系統(tǒng)，可用于接收波長在075100m之間的電磁輻射，它的基本功能是將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號的大小用灰度等級的形式表示，最后在顯示器上顯示出來。其組成框圖如圖21所示：從上述組成框圖可以看到，紅外熱像儀由以下幾個部件組成：紅外光學(xué)系統(tǒng)、光機(jī)掃描器、紅外探測器、信號處理器、制冷機(jī)、控制裝置和圖像信號輸出裝置。(1) 紅外光學(xué)系統(tǒng)：重新改善光束的分布，使更有效地利用光能。它可大大提高靈敏面上的照度，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的入射照度比入射到光學(xué)系統(tǒng)表面上的照度高若干倍，提高了儀器的信噪比，增大了系統(tǒng)的探測能力。紅外熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：小的尺度，這由整機(jī)尺寸要求所確定；具有盡可能大的相對孔徑；有確定的視場角；在所選擇的波段內(nèi)有最小的輻射能損失；在物鏡焦平面上像的尺寸最小，當(dāng)目標(biāo)移至視場邊緣處無明顯的畸變；在各種氣象條件下或在抖動和振動條件下，具有穩(wěn)定的光學(xué)性能。(2) 光機(jī)掃描器(焦平面熱像儀無此機(jī)構(gòu))：對目標(biāo)景物的紅外圖像進(jìn)行掃描，并聚集在單元或多元探測器上，它的作用是使探測器的瞬時視場沿整個視場進(jìn)行掃描，通過掃描可以連續(xù)、完整地分解圖像，從而能以小的瞬時視場實(shí)現(xiàn)大的空間區(qū)域的目標(biāo)搜索和成像，這種掃描可以在像空間又可在物空間來實(shí)現(xiàn)。(3) 紅外探測器：紅外熱像儀的核心部件，它既完成視場內(nèi)圖像的掃描取樣，同時也通過光電效應(yīng)將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號。探測器像元的數(shù)量，決定了熱成像技術(shù)的發(fā)展水平，探測器像元數(shù)量的變化，決定了掃描系統(tǒng)、信號處理部分的變化。(4) 制冷機(jī)：為了保證紅外探測器有效地工作，降低熱噪聲，延長 工作波段，屏蔽背景噪聲，降低前置放大器噪聲。它主要有兩個方面的技術(shù)功能：保證探測器功能正常，或增加探測器的靈敏度；減少來自光學(xué)系統(tǒng)本身帶來的熱噪聲。由于探測器在紅外熱像儀中所占的空間很小，因此制冷器的體積也要較小。力求微型化。(5) 信號處理：在紅外熱像儀中，探測器輸出的電信號非常微弱，一般僅為微伏量級，它只有被充分放大和各種處理后才能記錄下來，因此，信號放大與處理電路是紅外熱像儀的重要組成部分。信號處理電路是從探測器接收到低電平信號，通過放大、限制帶寬、分離信息，再送到終端的控制裝置或圖像信號輸出裝置。通常，紅外熱像儀要采用隔直流(或交流耦合)電路，將探測器輸出信號耦合到放大電路中。這有三個方面的原因：抑制背景；可以消除探測器上的任何直流偏置電位：能把探測器的lf噪聲的干擾影響降至最小。在設(shè)計電路時，必須估計信號電平和信號處理系統(tǒng)各級所需要的增益。要使顯示系統(tǒng)正常工作，一般探測器輸出信號需放大的凈增益約10倍。有時也會遇到高電平信號的情況，這就要求信號處理系統(tǒng)能提供較大的動態(tài)范圍，為此，需要采用自動增益控制技術(shù)。(6) 圖像輸出裝置：紅外圖像信號經(jīng)電子線路處理后，需送入圖像輸出裝置進(jìn)行顯示。一般用顯示器提供可視信息，供觀察人員觀察，使整個系統(tǒng)與觀察者聯(lián)系起來。熱圖像與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，實(shí)質(zhì)上是被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，常采用一些輔助措施來增加系統(tǒng)的實(shí)用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實(shí)時校正，偽彩色處理等技術(shù)等。222紅外熱像儀的工作原理光學(xué)系統(tǒng)將景物發(fā)射的紅外輻射收集起來，經(jīng)過光譜濾波之后，將景物的輻射通量分布會聚成像到光學(xué)系統(tǒng)焦面上，即探測器光敏面上。光機(jī)掃描器包括兩個掃描鏡組，一個做垂直掃描，一個做水平掃描，掃描器位于聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間。當(dāng)掃描器工作時從景物到達(dá)探測器的光束隨之移動，在物空間掃出像電視一樣的光柵。當(dāng)掃描器以電視光柵形式將探測器掃過景物時，探測器逐點(diǎn)接受景物的輻射并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號?；蛘哒f，光機(jī)掃描器構(gòu)成的景物圖像依次掃過探測器，探測器依次把景物各部分的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過視頻處理的信號，在同步掃描的顯示器上顯示出景物的熱圖像。223紅外測溫原理紅外測溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測溫系統(tǒng)。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內(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應(yīng)關(guān)系，用紅外探測器測出目標(biāo)的熱輻射功率，就能計算出目標(biāo)的表面溫度，這就為紅外熱成像測溫奠定了理論基礎(chǔ)。只要以黑體為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)探測器輸出電壓礦與溫度的關(guān)系，測定樣本點(diǎn)，建立與的映射關(guān)系。將電壓值數(shù)字化后表示為d，則可以得到整個系統(tǒng)的溫度標(biāo)定查找表Td，測量溫度時，以d為索引，找出相應(yīng)的溫度。熱成像技術(shù)可獲取景物大視場的紅外輻射圖像，當(dāng)紅外熱像儀對物體測試時，熱像儀的瞬時視場將物體表面分解成一個個像元，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)律會聚到探測器上，探測器輸出電信號的幅度與輸入輻射能量的大小成正比，信號經(jīng)過處理，在顯示器上顯示出對應(yīng)于物體表面溫度分布的熱像圖，經(jīng)過系統(tǒng)定標(biāo)后可實(shí)現(xiàn)對景物場景的圖像測溫，這樣就實(shí)現(xiàn)了紅外熱成像測溫系統(tǒng)。224紅外探測器紅外探測器是紅外技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域，是紅外系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)的核心組成部分。由于紅外輻射是不可見的，要覺察它的存在，測量它的強(qiáng)弱，首先必須把它轉(zhuǎn)換成某種可以測量的物理量，而紅外探測器就是完成這樣的任務(wù)：把紅外輻射轉(zhuǎn)換成可以測量的物理量?，F(xiàn)在紅外探測器的發(fā)展已達(dá)到相當(dāng)高的水平，近、中、遠(yuǎn)紅外單元探測器的性能不少已達(dá)到或接近背景限制的理論水平。對于品種繁多的紅外探測器，有各種不同的分類方法。如根據(jù)響應(yīng)波長，可以分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外探測器；根據(jù)工作溫度，可以分為低溫、中溫和室溫探測器；根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)可分為單元、多元、線陣、焦平面陣列；而探測器在光電成像系統(tǒng)中，用來將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，因此它也可以分為成像和非成像的探測器；就探測機(jī)理而言，可分為光子探測器和熱探測器兩大類。其中，熱探測器的工作原理：紅外輻射照射探測器靈敏面，使其溫度升高，導(dǎo)致某些物理性質(zhì)發(fā)生變化，對它們進(jìn)行測量，便可確定入射輻射功率的大??；光子探測器的工作原理：當(dāng)吸收紅外輻射后，引起探測器靈敏面物質(zhì)的電子態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生光子效應(yīng)，測定這些效應(yīng)，便可確定入射輻射的功率。在熱探測器中，熟釋電探測器和測微輻射熱計的靈敏度較高，響應(yīng)時間較快，而且堅固耐用，具有廣泛地應(yīng)用前景；光子探測器的靈敏度更高，比熱釋電器件約高兩個數(shù)量級，但光子器件需要制冷，截止波長越長，制冷溫度就越低。23紅外圖像的獲取采用美國FLIR公司的SC3000型紅外熱像儀。SC3000可更換各種鏡頭，能夠測量不同大小、距離和速度的目標(biāo)。為進(jìn)一步分析存儲的紅外圖像，F(xiàn)LIR提供ThermaCAM Researcher，這是一個基于PC實(shí)時數(shù)字記錄軟件包。分析存儲的14位數(shù)字圖像，保存紅外視頻文件或?qū)崟r高速動態(tài)事件，通過使用ThermaCAM Researcher HS版本，實(shí)現(xiàn)以高達(dá)900Hz NTSC750Hz PAL的速率記錄紅外圖像和數(shù)據(jù)。SC3000的工作原理：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法交替生長形成周期性的薄層結(jié)構(gòu)，在其界面能帶有突變，形成勢阱和勢壘。電子和空穴被限制在低勢能阱內(nèi)，因勢阱內(nèi)能量是量子化的，故稱為量子阱。利用量子阱中子能級電子躍遷原理制作的探測器就是量子阱探測器。二維FPA(焦平面陣列)的熱像儀，視場內(nèi)的景物同時成像在FPA上， FPA的探測元與觀察的景物空間像素一一對應(yīng)，直接實(shí)現(xiàn)對景物的空間的分解，所分解的景物的像素數(shù)目就是FPA上探測元的數(shù)目。所以它沒有光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)。FPA同時接收景物的熱輻射，用電子學(xué)自掃描方式，將FPA各探測元的信號讀出變成一維時序信號，經(jīng)處理后的信號送至顯示器就形成了熟圖像，即紅外圖像。SC3000使用14