非制冷紅外熱像儀

1、紅外成像陣列與系統(tǒng)非制冷紅外熱像儀簡述2013 年 11 月 8 日非制冷紅外熱像儀簡述摘 要：非制冷紅外熱像儀是目前主流的夜視觀察儀器之一 , 因其較高的可靠性在 軍事領(lǐng)域的低端應(yīng)用、民用等方面有廣闊的前景。它通過被測物體向外界發(fā)出的輻射 能量來得到物體對應(yīng)的溫度。本文主要就非制冷紅外熱像儀的測溫原理、發(fā)展?fàn)顩r、 系統(tǒng)設(shè)計及其性能參數(shù)做簡單的分析及介紹。比較了兩種不同情況下的測溫公式的優(yōu) 劣并且做出了相關(guān)推導(dǎo)，簡單介紹了基于FPG/的非制冷紅外熱像儀的電路系統(tǒng)和通用 型非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)及其一般測定方法。對以后的紅外熱成像系統(tǒng)的學(xué)習(xí) 起到了一定幫助。關(guān)鍵字： 非制冷紅外熱像儀；測溫原

2、理；發(fā)展?fàn)顩r；系統(tǒng)設(shè)計；性能參數(shù)The brief description of uncooled infrared thermal imagerYu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu JianAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a br

3、oad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared

4、 thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal i

5、mager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle;development status; system design; performance parameter、八0 前言紅外熱像儀是一種可探測目標(biāo)的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段 將目標(biāo)物理的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像的設(shè)備

6、 1 。而由于焦平面陣列探測器材料及 相關(guān)工藝的限制，早期的紅外熱像儀必須經(jīng)過制冷處理來盡可能地減小誤差，因此早 期的紅外探測器件往往會有相應(yīng)的制冷劑伴隨著一起工作，這樣在成本和使用率方面 就比較落后。但是隨著紅外技術(shù)的不斷革新，特別是熱電材料及其相關(guān)技術(shù)的日臻成 熟，人們將一些熱電、鐵電材料逐漸代替了需要制冷方能正常工作的探測器陣列材料， 如碲鎘貢HgCdTe等，于是在1978年非制冷熱成像技術(shù)首次研究成功。相應(yīng)地，許多 不同材料、不同類型的非制冷紅外熱像儀也相繼問世。到目前為止，非制冷紅外熱像 儀的基本工作原理，理論基礎(chǔ)已經(jīng)得到廣泛地驗證，在各個方面的應(yīng)用也取得了比較 好的效果，但是就材料

7、、噪聲、系統(tǒng)、性能等方面仍存在需要進(jìn)行大量研究的必要性。非制冷紅外熱像儀有著突出的優(yōu)點。相比于普通的制冷型紅外熱像儀而言，非制 冷紅外熱像儀在使用率、價格、可靠性、體積、功耗等方面都有制冷紅外成像系統(tǒng)無 可比擬的優(yōu)勢。非制冷熱成像系統(tǒng)在各個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，與第一代成像系統(tǒng)相比較，非制冷紅外成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化， 提高了可靠性、分辨率和探測靈敏度，并降低了造價。采用紅外焦平面陣列的紅外偵 察系統(tǒng)能在遠(yuǎn)距離和惡劣氣候條件下有效地探測和跟蹤目標(biāo)；非制冷熱成像系統(tǒng)特別 適合陸軍的輕武器使用，作為單兵偵查、夜間駕駛、輕武器瞄具等。ANVAS 5 型駕駛員影像增強器(DW)是戰(zhàn)斗和戰(zhàn)

8、術(shù)輪式車輛駕駛員使用的一種被動非制冷熱成像系 統(tǒng)。能使車輛在晝夜和存在人工遮蔽物 (如煙、霧或塵 )情況下連續(xù)工作。在商業(yè)和民用方面，可以用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通、公安、消防、海關(guān)等，這是制 冷型熱成像系統(tǒng)因為其高昂的價格目前無法打入的市場。 尤其在 2003 年春的防非典過 程中，用于紅外測溫儀的非制冷熱成像系統(tǒng)發(fā)揮了巨大作用。非制冷熱成像系統(tǒng)的在 商業(yè)和民用方面的需求量也在逐年增加。同時，非制冷熱成像系統(tǒng)也存在一定的缺點。在測試性能方面，非制冷紅外熱像 儀的精度明顯不如制冷型紅外熱像儀，而誤差方面也不如制冷型紅外熱像儀，特別是 非制冷紅外焦平面陣列的非均勻性對測量誤差的影響較大。1 非制冷紅外

9、熱像儀的發(fā)展?fàn)顩r紅外熱像儀是一種可探測目標(biāo)的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段， 將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備，是集光、機、電等尖端技術(shù)于一 體的高新技術(shù)產(chǎn)品。在軍事領(lǐng)域，它可以突破黑夜的障礙，實施夜間行動和作戰(zhàn)，大 幅度提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力；在民用領(lǐng)域，紅外熱成像系統(tǒng)可以進(jìn)行無損檢測等， 同時非制冷焦平面探測器使整個紅外熱成像系統(tǒng)省去了復(fù)雜的制冷系統(tǒng)，成本大大降 低，使得紅外熱成像技術(shù)得到飛速發(fā)展。非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心是非制冷焦平面，其發(fā)展水平直接決定了非制冷熱 成像系統(tǒng)的發(fā)展。從 1978 年非制冷式熱成像技術(shù)首次研究成功，到目前非制冷熱成像 儀裝備到部隊，

10、已經(jīng)有 20 多年的發(fā)展歷史。世界各國都在競相開展非制冷焦平面的研 究，其中美國、英國、法國等國家處于領(lǐng)先地位。探測器像素已由原來的單元結(jié)構(gòu)發(fā) 展到目前的大規(guī)模面陣，并逐步向超大規(guī)模陣列發(fā)展，像素尺寸也在明顯減小。 非制冷紅外熱成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀非制冷紅外探測器主要有電阻型熱探測器、鐵電型和熱釋電型探測器。電阻型熱 探測器的敏感元是熱敏電阻，使用的材料主要為氧化釩（ vox和非晶硅（-Si ）。 鐵電型焦平面探測器的主要材料有鋯鈦酸鉛（PZT，鈦酸鍶鋇（BST為熱釋電探測 器的主要材料。性價比最高的非制冷系統(tǒng)使用的是混合式鐵電探測陣列。非制冷紅外探測器的研究居世界領(lǐng)先水平的國家主要有美國、法國、

11、英國、和日本。英國從事非制冷紅外探測器研究的公司主要是BAE公司，發(fā)展成熟的探測器為PST和PZT混合結(jié)構(gòu)的熱釋電陶瓷探測器，PST與PZT單片式結(jié)構(gòu)探測器正處在研制中。日 本從事非制冷紅外探測器研制的公司主要有三菱公司和日本電氣公司。三菱公司的非制冷紅外探測器正處于研發(fā)過程，主要有 Si P/N結(jié)型和YbaCuOt 阻型熱探測器兩種。探測器的規(guī)格為 320X24Q像素尺寸均為40卩m，在f/1條件下， Si P/N結(jié)型焦平面探測器的 NETD優(yōu)于120mKYbaCuO電阻型焦平面的NETD優(yōu)于80mK日本電氣公司主要從事以 VOx為材料的電阻型探測器的研究，其第一個原理型探 測器的NET為1

12、50mK（256X256,50y m像素尺寸）。最新報道的320X240焦平面陣列像 素尺寸為37卩m。熱響應(yīng)時間為12ms填充因子為72%裝備熱成像系統(tǒng)后的NET為 100mK（f/ ）。據(jù)國際光學(xué)學(xué)會（SPIE）預(yù)測，目前紅外熱成像產(chǎn)品的世界市場規(guī)模每年合計40億美元，美國產(chǎn)品占 50%以上。由此看出，在紅外熱成像技術(shù)上，美國處于世界領(lǐng)先地 位。圖 1 所示為美國非制冷紅外探測器的發(fā)展過程。圖 1 美國非制冷紅外探測器發(fā)展過程世界上第一個非制冷紅外熱成像系統(tǒng)就是由美國的 Texas Instruments 研制成功 的，主要紅外材料為 -Si與BST1983年美國Honeywell開始研制

13、室溫下的熱探測器， 使用了硅微型機械加工技術(shù)。應(yīng)為這樣可以提供較好的熱隔離，并且可以降低生產(chǎn)成 本。1990-1994年，美國很多公司從Honeywell公司得到技術(shù)轉(zhuǎn)讓，使以 VO為探測材 料的非制冷探測器得到了快速、廣泛的發(fā)展。VO材料具有較高的熱電阻系數(shù)，目前世 界上性能最好的探測器就是采用 VO材料制備的。（1）BST鐵電型探測器混合結(jié)構(gòu)的BST熱探測器發(fā)展已經(jīng)比較成熟，其中像素尺寸為50卩m的320X240焦平面的NET:為47mK生產(chǎn)的W1000系列為典型產(chǎn)品，其質(zhì)量為，探測距離可達(dá)550m 可用于輕型武器熱瞄具（LTWS、駕駛員視力增強器（DVE、手持式熱像儀和車載式 駕駛儀。

14、截止到 2003年 9月， Raytheon 已經(jīng)向美國陸軍交付 10000只武器熱瞄具， 包 括輕、中和重型武器熱瞄具，其中以輕型武器熱瞄具裝備的 SpecterIR 就是采用 320X240陣列的BST探測器制備的，裝備的武器有 M16 M4 M203和M136等，可以 探測并識別200m以外的行人。薄膜鐵電型探測器（TFFE正處于研發(fā)階段2，設(shè)計規(guī)格為320X240,像素大小為 卩m,2002年Raytheon在TFFE上取得新的突破，NETDt 90-170mK之間，填充因子為 55%。（2）VOx電阻型探測器由于VOx材料具有較高的熱電阻系數(shù)，因此用此材料制備的非制冷探測器是目前性能

15、最好的探測器，已經(jīng)投入市場的焦平面陣列探測器的規(guī)格為320X240,像素尺寸為50卩m, NETD為20mK熱響應(yīng)時間為20ms該型號的探測器在 Raytheon vision system， BAE In digo、DRS等公司都有生產(chǎn)。DRS公司生產(chǎn)的U3000/U4000已經(jīng)作為武器熱瞄 具裝備于美國陸軍，焦平面像素尺寸為 51卩m，響應(yīng)波段為8-12卩m , NETD（ U300Q 為64-75mK質(zhì)量為。同時，BAE公司也在陸續(xù)為部隊提供 MicroIRTM系列的輕型武器熱瞄具，配備的武 器系統(tǒng)有A4 A16系列和M136系列、AF4可用在空降師、機械化步兵師等作戰(zhàn)部隊。非制冷紅外熱

16、像儀在部隊輕型武器中的應(yīng)用是美軍用非制冷紅外熱像儀取代第二代FLIR邁出的第一步。小像素尺寸的640X480焦平面陣列探測器是多家公司研制的新型產(chǎn)品，也是重點 研究產(chǎn)品，它可以用來提高圖像的分辨率。1999年BAE第一個報道了以640X480焦平 面為核心的熱像儀LTC650TM像素尺寸為28卩m，NETD毛，質(zhì)量為。DRS公司在2001年報道了第一個研制的以640X480焦平面為核心的熱像儀U6000, 像素尺寸為卩m，2002年5月對該熱像儀進(jìn)行了演示。Raytheon的25卩m像素的640X480焦平面性能最高：熱響應(yīng)時間 10ms NETDF 均只有35mk填充因子大于70%代表了目前

17、電阻型微測輻射熱計發(fā)展的最高水平，但 距其NETE為5mk的目標(biāo)還有一定的差距4,5。以640X480焦平面為組件的熱成像系統(tǒng)在 LTW舔口 DVE等輕武器上的應(yīng)用目前還未 見報道。（ 3） -Si 電阻型探測器-Si電阻型探測器的主要在商業(yè)和民用上，Raytheon公司生產(chǎn)的160X120芯片, 其像素尺寸為卩m，NETD<100mK目前已經(jīng)大批量生產(chǎn)，在世界范圍都有銷售。法國的Sofradir和LETI/GEA公司在非制冷微測輻射熱計上的發(fā)展打破了美國在 這方面的壟斷。LETI/GEA公司從1992年開始從事 -Si微測輻射熱計的研究，取得了較好的成果， 2000年Sofradir從

18、LETI/GEA公司得到技術(shù)轉(zhuǎn)讓，開始-Si微測輻射熱計的研究。目前真正從事非制冷紅外探測器生產(chǎn)的是Sofradir的子公司ULIS公司。該公司的主要產(chǎn)型號有兩種：UL 01 01 1 型（2001年）和UL 01 02 1 E 型（2002年），其焦平 面陣列均為320X240像素尺寸為45卩m的陣列，填充因子均大于80% NETD分別為 90mk和 100mk與UL 01 01 1型相比UL 01 02 1 E型內(nèi)部增加了溫度穩(wěn)定裝置，使 探測器的溫度動態(tài)范圍大大增加，其工作性能受外界環(huán)境溫度的影響明顯減小。處于研發(fā)過程的產(chǎn)品有：35卩m像素的160X120 320X240焦平面陣列和25

19、卩m像 素的640X480 320X240焦平面陣列。這兩種產(chǎn)品為該公司正在開發(fā)的兩種新型產(chǎn)品。 2003年報道的最新資料顯示， 35卩m像素的320X240焦平面陣列 NET為36mk (50Hz, f/1 )，熱響應(yīng)時間為12ms 熱阻抗為 W。25卩m像素的640X480 320X240焦平面陣列要求達(dá)到 35卩m像素的焦平面性能。 2002年LETI/CEA給出的資料顯示，25卩m像素的320X240焦平面陣列NET值為35卩m 像素320X240焦平面陣列的倍，個別產(chǎn)品達(dá)到與 35卩m相同的性能。我國在非制冷焦平面陣列技術(shù)上起步較晚，近年來國家投入了大量人力物力用于 非制冷焦平面陣列

20、的研究，目前已經(jīng)取得初步發(fā)展。 1995年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精 密機械研究所利用微機械加工技術(shù)研制成功了低成本線列32元、 1 28元硅微測熱輻射計陣列，NET為300mk存儲時間為1ms。由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所承擔(dān)的 鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料研究項目已于 2000年 12月通過中國科學(xué)院上海分院鑒定。該 項目采用新工藝制備的鈦酸鍶鋇鐵薄膜材料性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 與美國 TI 公司演 示的第一代非制冷探測器所使用的材料相同。這表明我國在非制冷熱成像技術(shù)研究上 還有很大潛力。我國在非制冷紅外熱成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。這些 研究單位主要進(jìn)行探測器陣列及其工藝的研

21、究。而經(jīng)營非制冷紅外熱像儀的公司大部 分只停留在制作一些外圍設(shè)備和開發(fā)軟件的業(yè)務(wù)上，最核心的機芯部分都是從國外進(jìn) 口。國內(nèi)具有較強研發(fā)實力、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠獨立開發(fā)紅外熱像儀后續(xù)電路 和圖像處理軟件的民用企業(yè)主要為武漢德高紅外股份有限公司，浙江大立科技和廣州 颯特電力紅外技術(shù)有限公司等。 這三家公司占據(jù)了 60%的中國民用市場份額， 產(chǎn)業(yè)集聚 現(xiàn)象比較明顯。近日，中國航天科技集團公司九院 771 所非制冷紅外熱像儀產(chǎn)品化技術(shù)研究項目 順利通過結(jié)題驗收，標(biāo)志著該所從技術(shù)、工藝可實現(xiàn)性方面掌握了便攜式紅外熱像儀 系統(tǒng)設(shè)計方法。該所組織研發(fā)團隊通過所內(nèi)立項的方式進(jìn)行非制冷紅外熱像儀產(chǎn)品化 關(guān)鍵

22、技術(shù)攻關(guān)。該項目此次通過驗收為今后以傳感器為核心的光電系統(tǒng)研發(fā)奠定了堅 實的基礎(chǔ)，也為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)開拓了更廣闊的天地。非制冷紅外熱成像技術(shù)發(fā)展趨勢根據(jù)非制冷紅外熱像儀的市場需求，未來非制冷紅外熱成像技術(shù)的主要發(fā)展方向 為： （1）發(fā)展高性能的非制冷紅外焦平面陣列。主要用于滿足軍事裝備的需要。其性能要 求如下：1）相同性能條件下進(jìn)一步減小像素的尺寸；2）響應(yīng)時間短，滿足目標(biāo)搜索的需要；3）低功耗；4）高分辨率；5）發(fā)展大陣列；6）進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積；（2）發(fā)展低成本的非制冷紅外焦平面陣列。適用于對分辨率要求不太高的場合，主要 市場在民用領(lǐng)域。其性能要求如下：1）提高探測器的靈敏度，采用新的

23、光學(xué)材料；2）發(fā)展小陣列；3）要易于操作；4）在封裝上，采用集成干膠片技術(shù)。2 非制冷紅外熱像儀的測溫原理及其理論基礎(chǔ)紅外熱像儀的測溫方式相比于其他測溫方式相比在以下兩種情況下具有明顯的優(yōu) 勢3 ：（1） 溫度分布不均勻的大面積目標(biāo)的表面溫度場的測量； （2） 在有限的區(qū)域內(nèi)快速 確定過熱點或過熱區(qū)域的測量。而非制冷紅外熱像儀更是在此基礎(chǔ)上大量地降低了成 本、提高了使用率。紅外熱像儀的測溫原理及理論基礎(chǔ)紅外熱成像技術(shù)是在紅外波段 3卩m6卩m和8卩m14卩m兩個大氣窗口，利用場景 中物體本身的熱輻射， 將熱目標(biāo)的紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像。 其轉(zhuǎn)換過程為 4 ：熱像 儀對準(zhǔn)目標(biāo)時其瞬時視場將物體

24、的表面看作一個個像元，然后通過內(nèi)部機構(gòu)將含有像 元溫度的輻射能量匯聚到探測器上，從而探測器的輸出電信號幅度與輸入的輻射能量大小成正比，最后經(jīng)信號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。 在整個過程中，熱像儀陣列的每個傳感器接受對應(yīng)于目標(biāo)上的一個像元，每個像元對 應(yīng)的輸入輻射在焦平面上成像，隨后通過置于焦平面的光電或是熱電系統(tǒng)將每個像元 含有的輻射能轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過后置電路的放大及去噪顯示在顯示器上。紅外熱成像的理論基礎(chǔ)是斯忒藩 玻爾茲曼定律。該定律指出黑體表面單位面積所發(fā)射的各種波長的總輻射功率與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。即MbT4()式中，Mb為黑體表面單位面積所發(fā)射的各種

25、波長的總輻射功率，T為其對應(yīng)的熱力學(xué)溫度，為斯忒藩常數(shù)，5.67 10 8(W m 2 K 4)。而在紅外波長范圍內(nèi)實際物體的熱輻射可近似看作灰體輻射，灰體接近黑體輻射 的程度被稱為灰體的發(fā)射率，且該參數(shù)不隨波長的改變而改變。換言之，發(fā)射率能夠 說明物體的輻射本領(lǐng)與同溫度同測量條件下黑體的輻射本領(lǐng)之比。如果將輻射功率看 成是波長和對應(yīng)熱力學(xué)溫度的函數(shù)，那么紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射 的各波長的總輻射功率與黑體表面單位面積所發(fā)射的各波長的總輻射功率可分別表示 為M(T) M( ,T)d()0()()()()和Mb(T)Mb( ,T)d0又根據(jù)發(fā)射率的定義，有M( ,T)Mb( ,T)

26、而紅外波長范圍的物體發(fā)射率不隨波長而改變，故可得到M(T)Mb(T)所以M (T) T4上述四個公式中， M(T) 為紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射的各波長的總輻射功率，M( ,T)為紅外波長范圍下的物體表面單位面積所發(fā)射的單一波長的輻射功率，Mb(T)為黑體表面單位面積所發(fā)射的各波長的總輻射功率， Mb( ,T)為黑體表面 單位面積所發(fā)射的單一波長 的輻射功率， 為被測物體的發(fā)射率， T 為所測量輻射對 應(yīng)的熱力學(xué)溫度， 為斯忒藩常數(shù)。在實際的測量過程中，紅外熱像儀所接收到的輻射包括 4 ：(1) 被測物體表面本身 的輻射能量； (2) 被測物體表面反射的環(huán)境輻射能量； (3) 被測

27、物體表面透射的環(huán)境輻 射能量。所以探測器接收到的溫度不是真實溫度，在實際測溫時通常要先用高精度黑 體對熱像儀進(jìn)行標(biāo)定，找出物體表面的輻射溫度與其真實溫度二者之間的關(guān)系，并對 此進(jìn)行修正，這樣才能在最終的成像顯示結(jié)果中得到被測物體的真實溫度。物體表面的輻射溫度與其真實溫度二者之間的對應(yīng)關(guān)系如下 5 。假設(shè)被測物體表面本身的輻射能量為 Ei，被測物體表面反射的環(huán)境輻射能量為E2，被測物體表面透射的環(huán)境輻射能量 E3，紅外熱像儀所接收到的輻射能量為 E，則 有E E1 E2 E3()又設(shè)被測物體的發(fā)射率為 ，反射率為 ，透射率 ，環(huán)境輻射能量為 Es ，與被測器件表面相同的黑體輻射能量為Eo ，則有

28、E1Eo()E2Es()和E3Es()根據(jù)式()有EEoEsEs()又根據(jù)1，有EEo (1 )Es設(shè)被測物體表面的輻射溫度為 Tr ，物體真實溫度為 To ，環(huán)境溫度為 Ts ，環(huán)境的發(fā) 射率為 * 則結(jié)合式()和式()可得Tr4To4 (1 ) * Ts4()即Tr4 To4 (1 ) *Ts4()這樣就找到了被測物體表面的輻射溫度 Tr 和其真實溫度 To 之間的關(guān)系，從而可根 據(jù)此關(guān)系式對紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定。若考慮大氣與環(huán)境溫度不一致，則紅外熱像儀的熱輻射示意圖如圖所示。圖 紅外熱像儀熱輻射示意圖圖中，1環(huán)境，2被測物體，3大氣，4紅外熱像儀，Wobj為物體自身輻射，(1 )臥為環(huán)境反

29、射輻射，(1 )Watm為大氣透射輻射，胡為環(huán)境溫度，為大氣透過率， 為物體發(fā)射率，Tatm為大氣溫度。從被測物體表面的輻射照度入手，一般有 6E A0d 2 a Lb (To) a (1 a )Lb (Ts) a Lb (Ta)()式中， E 為被測物體表面的輻射照度，A0 為最小空間張角所對應(yīng)的目標(biāo)的可視面積，d 為目標(biāo)到熱像儀的距離， 一般 A0d 2 為常量， a 為某一波長下大氣光譜透過率， 為 某一波長下被測物體的表面發(fā)射率，Lb為對應(yīng)溫度的輻射亮度，To為被測物體的實際 溫度，a為被測物體在某一波長下的表面吸收率，Ts為環(huán)境溫度，a為某一波長下大 氣的發(fā)射率，Ta為大氣溫度。探測

30、器的信號電壓有相應(yīng)的輻射功率和探測器光譜響應(yīng)度決定，所以在某一波長下探測器的信號電壓為 5 ：V AR E R d ()式中 R 為探測器的光譜響應(yīng)率。由于紅外熱像儀工作波段比較窄，所以取0 , a0 , a0 ,a0為所測波段上a的平均值，則可近似認(rèn)為與波長無關(guān)。則式()可寫成a0 R Lb (Ta)d ()V K ao 0 R Lb (To)d(1 a。)R Lb (TJd 式中 K ARA0d 2。非制冷紅外熱像儀在測溫原理上的改進(jìn)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心是非制冷焦平面，是利用某些物質(zhì)對溫度的敏感特 性探測紅外輻射能量的熱敏元件，非制冷紅外探測器探測紅外輻射的基本原理包含兩 個過程：(

31、1)探測器吸收輻射以后溫度隨之升高，伴隨入射輻射功率的變化，元件的 溫度也在發(fā)生相應(yīng)的變化；(2)利用元件某種溫度的敏感特性把輻射能引起的溫度變化 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，或者利用元件某種溫度的敏感特性來調(diào)整電路中電流強度的大 小，從而得到相應(yīng)的電信號，此過程實際上就是測量物體溫度變化的過程。對非制冷 紅外熱像儀的分析均起始于紅外輻射造成的敏感元件的溫升，依賴于探測機構(gòu)對溫升 的探測。如圖所示為非制冷紅外探測器的回路示意圖。圖非制冷紅外探測器的回路示意圖導(dǎo)熱體具有恒定的溫度，在沒有輻射照射時，熱探測器與導(dǎo)熱體之間滿足熱平衡， 當(dāng)探測器吸收輻射后，一部分傳導(dǎo)出去，一部分使探測器溫度升高，其中，熱傳導(dǎo)

32、方 程為8d Qdtd TdtP(t)P(t)()式中，C為熱容，表示探測器每升高1攝氏度的溫度所要吸收的熱能;Q為熱容量;H為熱傳導(dǎo)系數(shù)，表示單位時間內(nèi)探測器和導(dǎo)熱體之間交換的熱量；G為探測器的熱導(dǎo)；T為探測器吸收輻射后引起的溫升； 為探測器吸收系數(shù)；P(t)為入射輻射功率。 通過熱傳導(dǎo)方程能夠得到溫升 T(t)P。2 2、1/2T )(H2P。22、1/2T )()式中，T為熱時間常數(shù),T C/H。則溫度響應(yīng)率為Rt| T(t)|Po()結(jié)合式（）和式()即將熱探測器的響應(yīng)度代入式（），得到V KR(T)a0 Lb (To)d(1 a0)Lb (Ts)d a0Lb (Ta)d ()則式（）

33、變?yōu)镵R(T) ao 0I0(1ao)Isa0 1 a ()探測器的輸出值為論，則令I(lǐng)r VKR(T)，有I ra0 0 I o (1 a0 ) I sa0 I a()在紅外波長范圍下可被測物體近似看作為灰體，則0 a°，且若對于大氣有a0 1a0，則被測物體表面溫度計算公式可以寫為Ir a0【0Io (10)ls(1a0) 1 a()式中，T為熱探測器的探頭溫度。 現(xiàn)在使得ILb （T）d ，比較式（）和式（），可以看到，兩個公式雖然不同，但是對于環(huán)境的測量值和被測物體真實的測量值而言，形式相近，但式（）不僅考慮到大氣的因素，還將輸出具體到相應(yīng)電壓，故式（）的測溫公式應(yīng)用更加廣泛。

34、根據(jù)式（）變形可得Io(1 丄)ls Ir0(1()0 ao根據(jù)上述標(biāo)定原理，用高精度黑體標(biāo)定時,a0 =1，0=1，則有()Io IrLb (T)d可見，儀器輸出值僅與被測物體表面溫度有關(guān)63 非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)設(shè)計本文主要介紹了一種基于 FPGA 的紅外圖像處理系統(tǒng) , 通過 NiosII 嵌入式處理 器實現(xiàn)了系統(tǒng)管理。 針對非制冷紅外焦平面探測器組件的成像特點 , 設(shè)計了一種基于流 水線結(jié)構(gòu)的信號處理體系 , 實現(xiàn)了實時的非均勻校正、盲元補償和自適應(yīng)圖像增強。 測試結(jié)果表明 , 這種系統(tǒng)不僅具有穩(wěn)定可靠的成像質(zhì)量 , 還具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié) 構(gòu)簡單的優(yōu)點。基于FPGA勺模塊設(shè)計可編

35、程單芯片系統(tǒng)(SOPC是一種新的FPGA設(shè)計發(fā)展趨勢,它不僅支持傳統(tǒng)的信 號處理功能 , 還能夠集成可編程嵌入式處理器和專用 IP 核。因此 , 采用 SOPC技術(shù)是設(shè)計小型化、低功耗非制冷紅外成像系統(tǒng)的理想選擇。電路系統(tǒng)以 FPGA 為核心, 通過 FPGA 把 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù) /程序存儲 器、USB通信接口、鍵盤等外設(shè)連接成一個有機整體。FPGA內(nèi)部集成 了 NiosII 嵌入式處理器、實時信號處理、直方圖處理、視 頻合成、DPRAM時序控制邏輯等模塊。圖 基于 FPGA 的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FPGA為IRFPA提供時鐘(MC)、積分(INT)和復(fù)位(RESE

36、T)等驅(qū)動信號，而 IRFPA的 響 應(yīng) 信 號(SORTIE)經(jīng)過放大和濾波后輸出到 A/D。A/D采用IRFPA相同 的時鐘頻率 , 經(jīng)過采集后的數(shù)字響應(yīng)信號將與 IRFPA 輸出的數(shù)據(jù)有效信號 (DATAVALID和(LINE1) 一并送到FPGA進(jìn)行實時處理。在 FPGA內(nèi)QATAVALID和 LINE1 將生成當(dāng)前像素的空間位置信息 , 用于讀取該像素的校正系數(shù)。經(jīng)過實時信號 處理后的圖像數(shù)據(jù)將被送到視頻合成模塊，該模塊將圖像數(shù)據(jù)、視頻同步(SYN)和消隱 信號(BLANK)送到D/A,合成為符合CCIR-656制式的標(biāo)準(zhǔn)視頻。基于流水線結(jié)構(gòu)的實時信號處理 非均勻校正、盲元補償和圖像

37、增強是紅外成像系統(tǒng)實時信號處理的 3個基本內(nèi)容。 非均勻校正用于消除 IRFPA 的非均勻性導(dǎo)致的固定圖案噪聲 , 通常采用線性方式 , 其表達(dá)式為 :Xi,j 為像素 (i,j) 原始圖像信號 ; Y 為校正后信號 ; G i,j 和 Oi,j 分別為增益校i,j i, j 正系數(shù)和偏移校正系數(shù)。為了適合于流水線操作 , 系統(tǒng)為每個像素分配一個標(biāo)志位 Fi, j 來表示該像素是否為 盲元。文中采用左右像素估計盲元的正確響應(yīng)值 , 其表達(dá)式為 : 圖像增強基于灰度冗余技術(shù) , 把表達(dá)圖像信息的區(qū)域擴展到整個直方圖動態(tài)范圍 , 其 表達(dá)式為 : 式中:表示冗余增強系數(shù) ; k 表示當(dāng)前幀的編號

38、;AK 和 BKCYi,Cj 為增強后的輸出信號圖 實時信號處理流水線首先進(jìn)行增益校正 （見圖 的 ）, 增益校正系數(shù)和原始圖像數(shù)據(jù) Xi,j 同時進(jìn)入乘 法器 , 其乘積經(jīng)過一級流水后到達(dá)加法器 ; 而偏移校正系數(shù) Oi,j 經(jīng)一級流水延遲后同 時到達(dá)加法器 ,加法器輸出結(jié)果便是公式 （1）表示的校正結(jié)果。經(jīng)過非均勻校正以后 , 圖 像數(shù)據(jù)將進(jìn)行盲元補償 （見 ）。加法器一直計算某一像素前后兩個像素的平均值。 該平 均值作為預(yù)備的補償值與該像素同時向后傳遞 , 直到雙路選通開關(guān)。而盲元標(biāo)志 Fi,j 自從進(jìn)入流水線后就逐級向后傳遞 , 一直到雙路選通開關(guān)。在選通開關(guān)處 , Fi,j 將決定

39、是平均值向后輸出還是真實值向后輸出 , 從而實現(xiàn)了盲元補償。 盲元補償結(jié)束后 , 圖像 數(shù)據(jù)一路進(jìn)入直方圖處理模塊（見）,另一路進(jìn)入圖像增強級（見）。經(jīng)過兩級增強運 算后, 圖像數(shù)據(jù)最后被輸出到視頻合成模塊?；?NiosII 的系統(tǒng)管理NiosII 是 Altera 公司開發(fā)的一種基于 FPGA 的可配置單指令流的 32 位 RISC 嵌 入式處理器,它支持DMA數(shù)據(jù)傳輸,支持用戶定制指令,運算速度可達(dá)250 DMIPSNiosll 通過Avalon 總線與SDRAM Flash、USB控制器、鍵盤等外設(shè)相連,通過 時序控制邏輯發(fā)出的中斷請求實現(xiàn)與 DPRA M直方圖處理模塊的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)

40、程序 采用多任務(wù)管理，開機以后 , 系統(tǒng)會首先初始化內(nèi)部的寄存器和外設(shè)的狀態(tài)參數(shù) , 然 后開啟校正 / 標(biāo)定、鍵盤管理和 USB 通信等 3 個線程。為了保證系數(shù)更新的實時性 , 校正/ 標(biāo)定線程具有最高的優(yōu)先級。圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在校正/標(biāo)定線程，信號處理模塊與NiosII的數(shù)據(jù)交換是通過DPRAM完成的。 DPRAMH在FPGA內(nèi)部定制的雙向雙端口存儲器,它一側(cè)與Niosll 的Avalon總線相 連, 另一側(cè)與信號處理模塊相連。在標(biāo)定模式下 , 信號處理模塊直接將來自于 AD 的原始圖像數(shù)據(jù)存儲到DPRA M內(nèi)。當(dāng)完整的兩幀高溫和低溫黑體數(shù)據(jù)存儲結(jié)束后，Niosll將會計算每個像素的增益和

41、偏移校正系數(shù)，確定盲元的位置，并將這些參數(shù) 存儲于Flash內(nèi)。信號處理模塊也可以在時序控制邏輯的控制下將處理好的圖像數(shù)據(jù) 存儲到DPRAM內(nèi)，然后由USB通信接口傳輸?shù)絇C機。由于DPRAM每側(cè)的讀寫操作 都是獨立的,因此避免了信號處理模塊與 Niosll 對DPRAM訪問權(quán)的來回切換,從 而提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。經(jīng)過盲元補償后，圖像數(shù)據(jù)將在直方圖處理模塊內(nèi)完成直 方圖統(tǒng)計。在一幀統(tǒng)計結(jié)束后，Niosll將按照灰度冗余增強技術(shù)對直方圖進(jìn)行處理計 算出下一幀的冗余增強系數(shù)Ak+1和Bk+1,并在下一幀到來前傳遞給信號處理模塊。4非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)非制冷紅外熱像儀的性能參數(shù)主要包含以下幾

42、個個方面：（1）噪聲等效溫差（NETD；最小可分辨溫差（MRTD； （3）最小可探測溫差（MDTD；非均勻性（NU ； （5）信號傳遞函數(shù)（SiTF）；調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF。非制冷紅外熱像儀還 有其它一些性能參數(shù)，比如焦平面陣列噪聲、視場角 FOV與焦距f、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng) 畸變以及系統(tǒng)光學(xué)同軸度等等。噪聲等效溫差（NETD噪聲等效溫差是假定測量源為黑體、大氣傳輸系數(shù)為1的情況下定義的實驗測量值。其定義為系統(tǒng)基準(zhǔn)電子濾波器輸出的信號峰值與噪聲信號的均方根之比為1時黑體目標(biāo)與背景的溫差，即NETD -（）Vs/Vn式中，T為靶標(biāo)與背景黑體源之間的溫差，Vs為目標(biāo)信號的響應(yīng)電平，Vn為背景信號的響應(yīng)電平。然而在紅外熱像儀中，單個像元的 NETD勺給出需要用到信號傳遞函數(shù)（SiTF ）的 值，讓黑體源穩(wěn)定在某一溫度，通過采集一定幀數(shù)的紅外焦平面陣列組件的輸出來計 算時域的NET值，其計算公式如下：nnn （P；）2 （ Pxy）2xyI i 1i 1n(n 1)0NETDxyxySiTF()式中，Pl為第i幀圖像內(nèi)點（x,y）的輸出值，n為采集圖像的幀數(shù)，xy為像點（x,y）的 標(biāo)準(zhǔn)偏差。信號傳遞函數(shù)（SiTF）在中提到使用信號傳遞函數(shù)（SiTF）來計算噪聲等效溫差（NETD，SiTF是典型 的S型響應(yīng)度函數(shù)線性部分的斜率，其表達(dá)式為：SiTF 亠-（）Testave T式中