紅外熱像儀成像評估系統設計

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定被測表面的法向發射率，該發射率通常為定值。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，必須對其測溫結果進行修正。

關鍵詞：紅外熱像儀;成像評估系統;設計

引言

紅外熱成像系統由光學鏡頭、探測器、讀數電路、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的成像性能造成影響。隨著紅外熱成像技術的高速發展，人們對系統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成像性能的合理指標，為研究系統圖像的清晰度、目標探測距離和目標檢測跟蹤精度等指標提供重要的數據支撐。

1紅外熱像儀典型故障分析

紅外熱像儀通常由光機組件、調焦/變倍組件、內部非均勻性校正組件（以下簡稱內校正組件）、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構件組成，紅外物鏡主要實現景物熱輻射的匯聚成像，結構件主要用于支承和保護相關組部件;調焦/變倍組件主要由伺服機構和伺服控制電路組成，實現紅外物鏡的調焦、視場切換等功能;內校正組件由內校正機構和內校正控制電路組成，用于實現紅外熱像儀的內（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、制冷機驅動板和電源板等組成，協同實現上電控制、信號采集、信號傳輸、信號轉換和接口通訊等功能。紅外探測器/制冷機組件主要將經紅外物鏡傳輸匯聚的紅外輻射轉換為電信號。在紅外熱像儀研制、生產和使用過程中，常常會出現許多種故障，可見，光機組件、調焦/變倍組件、內校正組件、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設計

2.1紅外熱像儀成像評估系統

紅外熱像儀成像評估系統主要由專業圖形處理工作站、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、紅外成像數據采集程序、紅外圖像數據處理程序、數學模型的調試檢測程序、圖像數據的顯示和存儲程序組成。專業圖形處理工作站是整個系統的載體，提供硬件平臺。本文采用高性能雙GPU的專業圖形處理工作站。計算機圖形操作系統是所有圖像處理軟件的運行平臺，基于WINDOWS系統工作。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等數字視頻信號。采集處理分析軟件包括紅外成像數據采集程序、紅外圖像數據處理程序、數學模型的調試檢測程序、圖像數據的顯示和存儲程序等，用于實現熱成像儀的性能指標分析。

2.2軟件流程

利用紅外圖像數據處理平臺程序構造一個運行平臺，無縫銜接各個模塊和調用程序，實現參數傳遞，并提供完善的平臺接口以及友好的人機運行界面。

2.2.1紅外圖像數據采集程序（模塊）設計

利用數據采集程序驅動視頻采集卡，使其將物理信號轉換成數字信號。通過PCI總線將該信號傳輸到計算機內存中，然后將其還原為圖像數據，生成紅外熱像圖。

2.2.2紅外圖像數據處理程序（模塊）設計

采集模塊采集數據并將其放入內存，然后由數據處理程序對圖像數據進行處理。首先，對數據進行有效組織，并將圖像保存到硬盤，以實現歷史數據分析功能。然后對數據進行預處理，取出并分析數據，生成數學模型所需的數據，以便數學模型調試檢測程序對數據進行運算處理。另外，數據處理程序還對數據區域的選擇進行設定，通過提供鼠標拖拉等易于操作的方式來對各種參數進行操作，并提供友好的人機操作界面。

2.2.3紅外圖像數據回放顯示程序（模塊）設計

圖像采集模塊把采集到的數據保存到內存（硬盤）后，由紅外圖像數據回放顯示程序對圖像數據進行處理，并將圖像顯示到顯示器中。這里支持圖像數據的圖形化顯示，可提供圖形縮放、區域選取顯示、特定區域的放大或縮小、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紅外圖像評估參數模型的建立與處理

2.3.1SiTF

SiTF是指被測系統對準一個方形或圓形測試靶標時，系統的輸出亮度（發光率）與輸入的目標背景等效黑體溫差之間的關系。它反映了熱像儀可調節的動態范圍，其大小會影響熱成像系統探測強弱目標的能力。對于弱小目標的探測，熱成像系統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）的圖像數據;

（2）用鼠標分別選取目標和背景區域，求出目標和背景區域均值的差值;

（3）采集一幅均勻場景的圖像，并選擇一定區域，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，并利用這些數據擬合出一條直線，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生變化。當此輻射變化所引起的系統輸出電壓與由系統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）的圖像數據;

（2）用鼠標分別選取目標和背景區域，求出目標和背景區域均值的差值;

（3）采集一幅均勻場景的圖像，并選擇一定區域，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，并得用這些數據擬合出一條直線，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……）數據，然后依次處理這些數據。

（2）求出圖像矩陣數據的最大值序列，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，計算出該方框的質心。為減少背景噪聲的影響，將此方框的矩陣數據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。

結語

紅外熱像儀成像評估系統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，可以評估紅外成像系統的性能，進而在分析和計算該系統的空間分辨率、探測距離、成像質量、視覺效果等方面提供有效的數據支持，同時也可用于對該系統的探測器、讀出電路、光學設計、機械加工精度、圖像處理等方面進行優化。經航天科工某重點型號任務測試應用后，該系統達到了非常好的分析效果，因此可成為紅外熱像系統研制的必備工具。

參考文獻

[1]楊立，楊楨.紅外熱成像測溫原理與技術[M].北京：科學出版社，2016.

[2]劉慧開，楊立.太陽輻射對紅外熱像儀測溫誤差的影響[J].紅外技術，2002，24（1）：34-37.

[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，2017，39（2）：173-177.

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