基于DSP處理器的紅外測溫系統(tǒng)的設計

曾慶永， 鄭世峰

(1.中國航空工業(yè)洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471009;2.中國人民解放軍91576部隊，浙江 寧波 315000)

0 引言

用紅外熱像儀對電力設施溫度異常檢測，判斷電力設施是否故障，是無人機電力巡檢系統(tǒng)中一項重要檢測手段。電力設施故障紅外診斷最核心的問題是要求準確地獲得被測設施的溫度分布或故障相關(guān)部位溫度值與溫升值。因此，對被測設施故障相關(guān)部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設施表面溫度準確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而在現(xiàn)場進行電力設施紅外檢測時，由于檢測條件和環(huán)境的影響變化，可能導致同一設施因檢測條件不同，而得到不同的結(jié)果。因此，提高紅外檢測的準確度，必須提高紅外熱像儀測溫精度和測溫環(huán)境的適應能力。

傳統(tǒng)紅外測溫的方法有多種，其中單項查表法和線性擬合法是兩種主要的方法;兩種測溫方法在測溫環(huán)境相對穩(wěn)定的條件下，測溫測量值相對準確。但是在測溫環(huán)境變換比較大時，往往會出現(xiàn)測溫整體偏移現(xiàn)象，測量精度較差。分析其原因是上述兩種測溫算法都是針對某一環(huán)境溫度下定標的，沒有考慮到環(huán)境溫度補償。為了滿足電力巡線系統(tǒng)中紅外測溫要求，提出了一種新的測溫方法——雙向查表法，該方法也是基于查表處理的，但與單項查表法相比，它需要查詢測溫表和環(huán)境補償查表，利用環(huán)境補償表，補償了不同環(huán)境溫度下的溫度偏差，提高了環(huán)境溫度變化的適應性和測溫精度，解決了傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下存在測溫整體偏移問題。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

紅外測溫系統(tǒng)主要由FPGA、DSP處理器、SDRAM存儲器、FLASH存儲器、視頻字符疊加模塊及電源轉(zhuǎn)換模塊等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of infrared temperature measurement system

紅外測溫系統(tǒng)理論依據(jù)是普朗克定律。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內(nèi)積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著固定的對應關(guān)系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率，就能計算出目標的表面溫度，這就是紅外熱成像測溫理論基礎(chǔ)［10］。紅外探測器可獲取景物大視場的紅外輻射圖像，當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)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送DSP處理器處理，在顯示器上顯示出對應于物體表面溫度分布的熱像圖，以黑體為標準，根據(jù)探測器輸出熱像圖灰度值G與溫度T的關(guān)系，測定樣本點，建立G與T的映射關(guān)系，則可以得到整個系統(tǒng)的溫度標定查找表TB［T］，測量溫度時，以G為索引，找出相應的溫度。這樣就實現(xiàn)了紅外熱成像測溫系統(tǒng)。

2 測溫算法及其策略

2.1 測溫算法

要通過紅外圖像灰度值測量對應目標物體溫度值，必須要通過黑體標定。黑體標定是通過人為設定改變黑體爐溫度，得到不同溫度黑體在焦平面上圖像灰度值，得到當前環(huán)境溫度下測得的測溫表，將當前環(huán)境溫度稱為定標時的環(huán)境溫度Tref。現(xiàn)場使用時測溫過程如下:將與黑體等效溫差正相關(guān)的圖像灰度差，加上現(xiàn)場環(huán)境溫度與定標環(huán)境溫度溫差對應的灰度差(補償值)，查找定標環(huán)境溫度下測得的測溫表，查到現(xiàn)場溫度下圖像灰度差對應的黑體等效溫差，最后將溫差加上現(xiàn)場的環(huán)境溫度，經(jīng)發(fā)射率修正后轉(zhuǎn)換為目標溫度。這也是環(huán)境溫度補償過程，紅外測溫的過程即環(huán)境溫度補償過程，補償?shù)姆椒ň褪遣楸怼?/p>

標定過程本質(zhì)上是建立了黑體溫差與紅外圖像的灰度差之間的關(guān)系，設此關(guān)系為G=M(Tobj，Tref)，其中G為灰度差，Tobj為標定時目標黑體溫度，Tref為標定時環(huán)境溫度(參考溫度)，測溫時根據(jù)灰度差G查表得到Tobj。由斯蒂芬-玻耳茲曼定律，黑體的全輻出度與溫度成四次方關(guān)系，對發(fā)射率為з的目標，如果不考慮大氣傳遞及光學系統(tǒng)的損耗，則探測器輸出電壓與入射的輻射照度成正比關(guān)系，且圖像灰度值G滿足下式

式中:E為探測器接收的輻射照度;S為探測器靈敏度(增益);K為一經(jīng)驗常數(shù);Tobj為目標溫度;Tenv為當前環(huán)境溫度;Φ為視角。由于式中S，K均為常數(shù)，當目標充滿探測器視野后，上式中G為溫度的二元函數(shù)(自變量分別為Tobj和Tenv)，而除溫度外其余參數(shù)均為常數(shù)，將這些常數(shù)合并為Kall，以上過程即為測溫查表算法。

2.2 三種測溫算法比較

1)線性擬合法。

根據(jù)黑體標定測試的大量數(shù)據(jù)，利用曲線擬合的最小二乘法函數(shù)f(X)∈［a，b］最佳平均逼近擬合出一條曲線，求出測溫關(guān)系函數(shù)y=ah3+ah2+c。測溫時依據(jù)紅外圖像灰度值可計算出對應溫度值［7］。線性擬合法擬合參數(shù)在實驗時確定，在測溫處理器中應用擬合測溫公式即可。但由于目標物體溫度值與灰度值不完全線性化，因此，測溫精度較差。對此文獻［12］提出了分段線性擬合的方法，測溫精度得到了一定的提高。

2)單向查表法。

單向查表法，定標時只得到了關(guān)系G=M(Tobj，Tref)，當測溫系統(tǒng)工作環(huán)境溫度改變時(設此時環(huán)境溫度為Tenv)，首先將Tenv作為 Tobj查找關(guān)系M，得到的灰度G'作為補償值，測溫時加上G'進行查表，這個G'的實際意義是Tenv和Tref之間黑體溫差對應的灰度差，這樣測溫算式為

但上式中的灰度差G'是在環(huán)境溫度為Tref時測得的，而當前現(xiàn)場環(huán)境溫度為Tenv，在不同環(huán)境溫度下，補償灰度差G'未必相同。這樣測出的溫度誤差比較大。

3)雙向查表法。

采用雙向查表法是除前述的G=M(Tobj，Tref)外，增加反映環(huán)境溫度與灰度補償值關(guān)系的表Gcomp=Mr(Tenv，Tref)，并定義前一個表M為測溫表，后一個表Mr為環(huán)境溫度反查表。

雙向查表法的環(huán)境溫度補償算式為

雙向查表法的測溫算法為:1)根據(jù)Tenv查反查表得到環(huán)境溫度對應的灰度補償值Gcomp;2)由圖像灰度值加上灰度補償值得到測溫檔中的查表灰度值G/Kall+Gcomp;3)由查表灰度值查找測溫表，經(jīng)發(fā)射率修正后得到Tobj。

從以上3種測溫方法比較中可以看出，線性擬合法由于目標溫度與圖像灰度值不完全線性化，測溫精度較低;單項查表法沒有考慮到環(huán)境溫度對測溫精度的影響，因此對于不同的環(huán)境溫度下，目標物體的測溫精度受到了影響，故測出的目標物體溫度與實際溫度偏差較大，而雙向查表法考慮了對環(huán)境溫度的補償，因此測量出的目標溫度與實際溫度偏差相對較小，測溫精度較前兩種方法高。

3 測溫過程實現(xiàn)

紅外測溫系統(tǒng)測溫流程如圖2所示。

圖2 測溫流程圖Fig.2 Flow chart of temperature measurement

實現(xiàn)步驟如下所述。

1)將測溫系統(tǒng)放入高低溫箱中，通過高低溫箱調(diào)節(jié)溫度，模擬環(huán)境溫度變化，利用高精度的黑體進行溫度標定，得到能反映紅外熱輻射能量大小的圖像灰度與溫度的對應關(guān)系Tref=f(G)，測試出一組反映在某溫度下，環(huán)境溫度變換與圖像灰度值的對應關(guān)系表，也成為環(huán)境溫度補償表。

2)在某一環(huán)境溫度下，實際測溫時，利用高精度的黑體進行溫度標定，得到能反映紅外熱輻射能量大小的圖像灰度與溫度的對應關(guān)系Tr=f(G)，測出一組反映某環(huán)境溫度下溫度值與圖像灰度值的對應關(guān)系表，也稱溫度查找表。利用上述對應關(guān)系，根據(jù)目標物體輻射能對應的灰度值得到物體的輻射溫度Tr，對Tr進行換算，計算物體的真實溫度Tobj。

3)每一次測溫時，必須對熱像儀進行非均勻校正，該過程由探測器處理模塊實現(xiàn)。

4)每一次測溫時，光學系統(tǒng)前的黑體均要將當前環(huán)境溫度傳送給測溫模塊處理器，處理器根據(jù)當前環(huán)境溫度查詢環(huán)境溫度反查表，計算出紅外圖像灰度補償值。

5)根據(jù)目標物體的輻射能量和黑體標定溫度查找表，按照式(3)可以計算出目標物體溫度Tobj。

6)將式(3)計算出的目標溫度與目標物體的發(fā)射率進行修正。修正后的目標物體溫度是目標物體的絕對溫度。

4 實驗驗證

為了對線性擬合法、單項查表法和雙向查表法測溫精度和測溫環(huán)境適應性作比較，設計如下實驗。

采用“標準黑體爐”對紅外探測器進行黑體標定，精確地得到在某一溫度下圖像灰度與黑體溫度關(guān)系的數(shù)據(jù)。在環(huán)境溫度為20℃的條件下測量灰度與溫度對應表，將該表作為溫度查找表，部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度測量查找表Table 1 Temperature and grayscale

將黑體爐放入高低溫箱中，黑體爐溫度設定為27℃，改變環(huán)境溫度，從-25℃到65℃變換，測定在不同環(huán)境溫度下灰度與溫度變換對應表，將該表作為環(huán)境溫度補償表。部分實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)境溫度補償表Table 2 Environment temperature compensation

根據(jù)溫度查找表和環(huán)境溫度補償表，建立溫度與灰度測溫關(guān)系;將實驗用加熱電阻恒溫器放入高低溫箱中，通過改變高低溫箱的溫度模擬環(huán)境溫度，環(huán)境溫度模擬為-20℃和50℃;改變加熱器輸入電流變換電阻器溫度，測量出電阻器的溫度。3種測溫方法測量結(jié)果如表3所示。

表3 溫度測量比較表Table 3 Temperature measurement result單位:℃

從表3可以看出，3種測溫方法在環(huán)境溫度為20℃時，測量的目標物體溫度值比較接近目標物體的實際溫度值。然而當環(huán)境溫度設定為-20℃、0℃、35℃和50℃時，線性擬合法和單項查表法測試的目標物體溫度值與目標物體的實際溫度值偏差較大，但雙向查表法測量的目標物體溫度與目標實際溫度較接近。其原因是3種方法都是在環(huán)境溫度為20℃時標定的，在20℃環(huán)境溫度下，3種測溫方法不存在環(huán)境溫度補償，都能準確測量目標物體的溫度，當環(huán)境溫度變化時，線性擬合法和單項查表法沒有進行環(huán)境溫度補償，故測量出的目標物體溫度偏差比較大，也就是說線性擬合法和單項查表法環(huán)境適應性比較差，測量精度較低。

5 結(jié)論

本文從紅外測溫原理理論基礎(chǔ)-普朗克分布定律出發(fā)，對紅外測溫的幾種方法進行了比較，針對通用測溫方法在不同環(huán)境溫度下存在測溫整體偏移問題，從輻射度量學定義出發(fā)，提出了基于雙向查表的測溫方法，通過實驗驗證，該方法提高了紅外測溫系統(tǒng)對環(huán)境溫度變化的適應性，解決了紅外測溫系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下測溫整體偏移問題。

［1］原遵東.黑體輻射源發(fā)射率對輻射測溫準確度的影響及修正方法［J］.計量學報，2007，28(3):19-22.

［2］馮林，劉爽，趙凱生.考慮紅外焦平面器件非線性響應的一種非均勻性校正方法［J］.紅外與毫米波學報，2006，25(3):221-224.

［3］代少升，閻曉輝.非線性灰度變換算法在紅外測溫系統(tǒng)中的應用［J］.半導體光電，2010，31(1):161-164.

［4］趙春暉，陳婷.數(shù)字圖像測溫系統(tǒng)溫度標定過程中的誤差分析［J］.株洲工學院學報，2004，18(2):66-69.

［5］王文革.輻射測溫技術(shù)綜述［J］.宇航計測技術(shù)，2005，25(8):20-24.

［6］張岷，張忠恒，曹伯林，等.一種新的紅外測溫儀的測溫方法［J］.計量學報，2007，29(3):209-212.

［7］李響，李冰.一種新型紅外測溫方法研究［J］.天津理工大學學報，2010，26(1):58-61.

［8］陳永甫.紅外探測與控制電路［M］.北京:人民郵電出版社，2004:290-320.

［9］辛云宏，楊萬海.基于紅外輻射信息的IRST系統(tǒng)機動目標跟蹤算法［J］.紅外技術(shù)，2004，26(3):37-40.

［10］RANINLER S,PAGLIARINI G.Data processing technique applied to the calibration of a high performance FPA infrared camera［J］.Infrared Physics ＆ Technology,2002(43):345-351.

［11］蘇紅雨，張憲量.紅外熱像儀性能參數(shù)評價［J］.中國測試，2010，36(1):14-19.