一種紅外成像檢測系統設計

(北京機電工程研究所，北京 100074)

0 引言

紅外成像具有抗干擾能力強、成像距離遠、分辨率高等優點，紅外成像技術檢驗驗證需要專用的紅外儀器設備，國內普遍采用的紅外成像系統的檢驗檢測手段包括設置紅外靶標，借助熱像儀等設備對紅外目標圖像進行校準，然后利用紅外目標圖像對紅外成像系統進行靜態測試，這種方法往往局限于試驗室內，對紅外成像系統進行靜態測試和功能性測試，主要缺點是每次對目標圖像的設置需要相對專業人員完成，保障要求高，專業性強。

本文提出一種紅外成像系統檢測系統的設計，通過分析被測對象的需求，針對性的設計了紅外目標圖像，通過紅外光學鏡組的設計滿足被測紅外成像系統不同視場、不同景深的測試需求，檢測系統中設計了溫度自動監測和控制裝置，用于完成紅外目標圖像和背景溫度設置，檢測系統屬于自動控制檢測系統，能夠自動設置溫度、自動根據被測系統的需要變換目標圖像，從而完成紅外成像系統的自動化檢測。

1 檢測原理

被測紅外成像系統屬于機電一體的復雜光電設備，主要性能指標包括成像質量、分辨率等，在產品生產和出廠環節需要對其功能性能進行檢測以保證產品在各個環節的質量，原檢測設備為手動檢測，分步檢測，效率低，數據一致性差。新一代的檢測系統實現了對被測對象主要功能及性能指標檢測，檢測系統設計了滿足被測對象要求的紅外目標圖像、光學耦合組件、控制組件及機械對接系統，實現了自動化測量、數據分析處理等功能。

檢測系統的機械對接系統用于檢測系統與被測系統檢測自動對接，保證兩個系統之間的光路耦合及匹配，同時用于靶標紅外目標圖像和灰度目標圖像之間的切換以及目標運動范圍的控制與保護。

檢測系統的紅外目標圖像用于檢測被測對象的成像功能、分辨率和成像器件的維護，紅外目標圖像通過紅外光學耦合組件后能夠使被測對象觀察到清晰、亮度均勻、高成像質量的紅外景象圖像，紅外目標圖像通過光學耦合系統處理后完成短距離條件下對遠距離的紅外目標圖像的模擬，滿足被測對象對不同景深目標的成像需求；背景均勻的灰度目標圖像用于對被測系統CCD成像壞元情況進行檢查，通過灰度圖成像分析檢測被測對象成像元件的質量；檢測系統可以對設計的紅外目標圖像進行移動，通過移動的紅外目標圖像，檢測被測對象的成像視場角及對圖像的識別追蹤能力，檢測系統還可以控制紅外目標圖像及背景的溫度，用以檢測被測對象的溫度分辨率和適應范圍。

檢測系統的控制組件通過與被測對象交互可以獲得被測對象的成像參數，根據相關參數的比較判斷被測對象成像質量及成像元件的壞元情況，溫度控制部分在一定精度條件下控制紅外目標及背景的溫度，實現被測系統紅外目標成像的溫度要求，完成對被測系統溫度適應性及分辨率的檢測。控制系統運動控制部分按一定精度控制運動機構運動，保證機械系統的對接和紅外目標圖像的運動。

光學耦合組件完成紅外光路的變換，通過光學光路及焦距的設置將紅外目標圖像精確投放到被測對象的視場并模擬出被檢測系統需要的景深。

2 檢測系統設計

2.1 系統組成

圖1 檢測系統組成

結構系統包括對接、平移、支撐、運動等機構，對接結構可以保證檢測系統與被測系統快速對接，保證檢測設備光路部分與被測設備的鏡頭對準，使兩部分光路出入耦合，保證被測系統的紅外探測器通過鏡頭可探測到檢測系統產生的紅外目標圖像。運動機構用于紅外目標圖像的二維平面運動，在運動控制組件的控制下能夠使紅外目標圖像在二維平面內進行運動。

紅外光學成像系統包括紅外目標圖像產生裝置、紅外照明模塊和紅外光學耦合組件。紅外照明模塊提供紅外目標圖像的照明及背景溫度的控制，配合紅外目標圖像產生裝置生成設定的紅外目標圖像，紅外光學耦合組件將紅外目標圖像按照被測系統探測器的要求調整紅外目標圖像的光路及焦距，使其與被檢測系統的探測器鏡頭光路耦合，保證紅外成像的視距和范圍。

自動控制系統包括溫度控制裝置、運動控制裝置和系統控制裝置，溫度控制裝置負責設定和控制紅外目標圖像與背景的溫度，保證被測系統探測器能夠清晰成像，并完成探測器成像溫度范圍檢測。運動控制系統負責圖像的運動及不同目標圖像間的切換，為被測系統探測器提供不同的目標圖像和運動圖像，檢測被測系統探測器CCD的性能和系統的動態成像功能。系統控制裝置負責檢測系統與被測系統及上位控制計算機的通信，接收上位機控制命令、反饋執行狀態和結果，提供用戶接口控制，對獲取的數據進行分析處理等；根據控制需要發送控制指令到溫度控制裝置和運動控制裝置并接收反饋執行信息，完成溫度控制和運動控制。

2.2 紅外光學成像系統設計

紅外光學系統是檢測系統的關鍵組成部分，由紅外光學耦合系統、紅外目標圖像產生裝置、紅外照明模塊組成。紅外光學成像系統的主要功能性能參數如下：

可以調節光強變化，能夠模擬產生目標圖像，紅外目標圖像能夠在靶標圖和灰度圖之間進行切換，目標圖像能夠在二維平面內進行運動；

目標圖形的工作波段滿足被測對象要求，溫度分辨率不大于0.2℃，圖像最大相對畸變不大于2%；視場角不小于8°，目標運動范圍不大于15°，速度精度不大于0.01°/s，響應時間不大于20 ms。

紅外紅外光學成像系統設計時受以下因素約束：

試驗地位于河南林業職業學院東林場(34.68°N、112.50°E)，海拔132.10 m。屬暖溫帶地帶，全年四季分明，熱量、降水量隨時間分布具有顯著的季節性特點，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量603 mm，全年日照時間2141.7 h，年無霜期217 d，試驗地地勢平坦，土壤為褐土，pH值7～8。

1)滿足被測對象較大視場口徑要求；

2)紅外圖像高像質，小畸變；

3)消除紅外光學系統成像時溫度影響。

根據上述要求和參數進行光學系統設計，結構組成如圖2所示。

圖2 紅外光學成像系統示意圖

紅外照明模塊負責紅外圖像及背景的紅外照明；紅外圖像產生裝置用于生成功能檢測圖像、灰度圖象及分辨率檢測圖像，分別用于不同的檢測環節；耦合系統對紅外目標圖像光路進行控制以保證被測系統探測器成像的視距和范圍。經光學結構優化設計，紅外光學耦合系統最終由數片透鏡組成。檢測系統的紅外光學成像系統形成了一個完整的紅外光學投射系統，紅外光學投射系統的設計依據光學特征進行設計并根據工程化需要對光學系統中影響成像質量的因素進行了針對性的設計處理，保證了紅外目標圖像穩定度、清晰度和質量。

檢測系統的成像系統設計可由光學傳遞函數H(v)=m(v)exp[iφ(v)]表征。

通過系統后像的光強分布為1+m(v)cos[2πvx+φ(v)]，其中m(v)為調制傳遞函數(MTF)，表征系統對于空間頻率為V的余弦信號俄調制度的衰減，是光學傳遞函數的模。φ(v)為相位傳遞函數，表示余弦光柵亮條紋的位置向暗條紋位置的相對移動。本檢測系統屬于有限孔徑的光學成像系統，空間頻率過高的余弦光柵的衍射光離軸角過大，不能進入系統，因此存在截止頻率Vc=1/λF=2N·A/λ，F為成像系統的F數(焦距/孔徑)，λ為紅外光波長，N·A為數值孔徑。評價系統成像質量同時考察子午MTF和弧矢MTF，為了快速判別成像質量，本系統使用空間頻率V0=Vc/2的調制傳遞函數m(v0)與閾值額比較來作為鏡頭像質是否合格的判據。通過計算及仿真，模擬20℃時檢測系統光學系統的MTF曲線如圖3所示。

圖3 20℃時MTF曲線

20℃時的場曲和畸變曲線如圖4所示。

圖4 20℃時的場曲和畸變曲線

經過上述仿真及計算可知，整個光學系統輸出的圖像質量在軸外視場對于水平方向余弦光柵和垂直方向光柵的MTF并不相同，系統的成像質量還需要繼續改進，經過分析及試驗，證明光學系統成像質量主要受到系統內部各成像部件溫度的影響，溫度不一致為主要干擾因素，因此在設計中先采用幾個空間頻率V0的調制傳遞函數m(V0)與閾值的比較來作為鏡頭像質設計的依據，在調試完成后選取一個空間頻率V0作為特征頻率，取V0=Vc/2。為了得到點光的像強度分布，系統采用了光的衍射理論研究點光源至透鏡、至像平面的整個的光波的傳播過程，得出像平面上強度分布的點擴展函數，利用點擴展函數對光學系統的分辨率進行判斷。引入正弦光柵經光學系統成像后，比原物相比反襯度降低，最高強度降低，最低輕度升高，設備空間頻率V的函數T(V)滿足0≤T(V)≤1條件，改變V可測得T(V)的變化曲線。系統設計中根據上述依據和試驗對紅外光學耦合系統的熱分布及影響進行了無熱化設計并對設計進行了仿真分析。

檢測系統工作溫度為-20～+60 ℃，紅外光學成像質量受溫度變化影響較大，檢測系統利用材料隨溫度變化的形變和紅外材料隨溫度變化發生的折射率變化進行光學被動補償，使檢測系統在環境溫度變化時，成像質量保持不變。

經過無熱化設計后，-20℃時的MTF曲線見圖5，60℃時的MTF曲線見圖6。通過仿真分析及試驗評價，紅外光學成像系統成像質量滿足設計要求。

圖5 -20℃時的MTF曲線

圖6 60℃時的MTF曲線

2.3 自動控制系統設計

控制系統由運動控制裝置、溫度控制裝置和系統控制器組成。

控制系統工作過程：系統控制器接收上位機發送的控制指令，解析指令代碼并按照固化在FLASHROM內的程序通過系統控制器的接口輸出運動控制指令或溫度控制指令，如果收到的指令為運動指令則系統控制器IO接口輸出脈沖信號，信號經放大后帶動方位、俯仰步進電機執行相應的運動指令。如果為溫度控制指令，系統控制器將溫度控制指令發送到溫度控制器并接收其返回的執行狀態，溫度控制裝置采用高精度溫控儀、繼電器、感溫探頭組成溫度及熱輻射閉環控制系統，保證紅外目標圖像波長能夠在一定波段范圍內。系統控制器還可以利用閉環控制方式校驗測試系統的傳遞函數、運動精度等參數等。控制系統同時將控制信息及參數反饋到上位機，用戶通過上位機人機界面了解測試設備的工作情況，或利用參數進行控制計算。控制系統結構及流程簡圖見圖7所示。

圖7 檢測系統控制流程框圖

2.3.1 運動控制裝置設計

運動控制裝置主控核心部件采用可編程邏輯控制器(PLC)，可編程邏輯控制器內部有兩個脈沖輸出通道，通過上位機輸送控制代碼經系統控制器轉換成符合可編程邏輯控制器通信協議指令代碼，通過PLC兩個高速脈沖輸出端口分別給兩臺控制驅動器提供相應的運動參數，驅動器進行處理并最終驅動兩臺步進微步電機，微步電機驅動運動結構部件，使依托在運動框架的紅外圖像生成裝置沿“X”軸及“Y”軸兩自由度方向上按上位機發送的指令代碼做出相應的運動，運動控制原理框圖如圖8所示。運動控制裝置可以設置目標圖像的運動方式，可以進行勻速、變速、點位、余弦等運動方式，滿足對被測對象測試需要。

圖8 運動控制原理框圖

2.3.2 溫度控制裝置設計

根據溫度控制系統抽象出溫度控制部件的數學模型，并設計了溫度控制裝置的溫度控制數學模型，溫度控制方案如圖9所示。控制系統根據環境溫度及控制對象反饋溫度計算作為控制執行機構信號的輸入，根據執行機構信號的控制規律得出信號特征，通過溫度控制規律及設定的溫度目標計算得出溫度調節裝置的輸入信息，溫控調節裝置按設定的控制及補償規律完成對照明系統的照明溫度控制。

圖9 溫度控制方案框圖

溫度控制裝置的控制核心為數字式溫度控制器，具有PID數字調節功能，溫度控制器接收系統控制器發送的溫度控制指令并將指令轉化為脈寬可調的脈沖信號，該脈沖信號驅動溫控繼電器工作，同時接收高精度溫度傳感器反饋的溫度信號，通過溫度調節閉環控制系統使被加溫熱輻射單元溫度保持在設定溫度。溫度控制過程如下：設定溫控裝置的內部參數(溫度上下限、PID參數設定、輸出方式設定等)，使溫控裝置的輸出控制端口能夠按照設定的程序輸出脈動的+5 V直流電壓，使其驅動溫控繼電器，這時高精度溫度傳感探頭監控紅外照明系統的溫度同時反饋溫度信號，通過溫控裝置內部電路與設定溫度參數的數字量進行比較，進一步確定溫控繼電器輸出電壓的頻率從而形成溫度閉環控制。溫控裝置控制框圖如圖10所示。

圖10 溫度控制原理框圖

3 實現結果與分析

該紅外檢測裝置在某紅外成像系統生產及出廠檢測中得到應用，通過上位機配置本檢測系統的測量參數，并控制檢測系統工作流程，實現了對被測紅外成像系統的自動檢測，包括對紅外圖像的檢測、識別和跟蹤功能，并能夠獲得被測系統成像范圍、像素分辨率、溫度分辨率、成像景深、成像CCD壞元數等性能的檢測。本檢測系統能夠提供的一種模擬圖像如圖11所示。

圖11 檢測系統模擬的紅外成像圖

4 結束語

本設計服務于紅外成像系統的功能和性能檢測，檢測系統設計了紅外光學系統與被測紅外成像系統匹配，能夠檢測被測系統成像的性能和功能，為了適應動態成像需求設計了目標圖像的運動控制電路，為適應檢測系統的自動化，設計了溫度控制系統，測量控制系統，通過工程應用，證明了本系統設計的有效性和正確性，并進一步完善了該系統對工業現場的適應性。