非制冷红外焦平面热成像测温系统.doc

非制冷红外焦平面热成像测温系统红外技术四个主要部分：1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性-反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。 3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。 而在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心，探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得高性能必须在低温(典型的是液氮温度77K)下工作。正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统(即热电视)获得一些应用，而且一般用于要求较低的民用领域。 但90年代以后，非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像技术相比所具有的低成本，低功耗，长寿命，小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一，在军用和民用领域的应用前景将“使传感器领域发生变革”。 非致冷红外焦平面技术属于热电探测器类热成像技术。 其焦平面阵列由热探测器，如测辐射热计、热释电探测器、热电堆等，与硅多路传输器，如CCD、MOSf:EF、C协05读出电路等，通常用锢柱互连而成。 测辐射热计的工作原理是被热绝缘的金属薄膜(典型的是入膜)或半异体薄膜(典型的是氧化钒VOZ或非晶硅a一Si薄膜或多晶硅)在吸收红外辐射时会引起其电阻值的变化实现光电变换。此类探测器可全部采用Si集成电路工艺制作，与51信号处理电路之间可形成单片式结构，不需要低温制冷装置，不需要特殊材料，不需要斩波，制作工艺也成熟。以它为核心制成的红外热成像系统成像清晰度高、重量轻、功耗低、易便携，适于野外工作场所。 热释电探测器的工作原理是由具有良好热释电特性的铁电材料，如错酸铅(PZT)陶瓷、PbTIO，陶瓷、PbTIO:，薄膜和LITao，晶体制成的热探测器与51多路传输器互连而成。其中，LITaO，特性格外好，它不仅有大的热释电系数(p二2.3x1osC/cm)，还有小的介电常数(，=54)和高的居里温度(兀二618C)。以它为核心制成的红外热像系统灵敏度较高，且适合于红外成像。 本系统结合红外测温技术和非致冷焦平面热成像技术原理，开发并完成了一套非致冷红外焦平面热成像测温系统。 系统建立了非致冷红外焦平面热成像系统测温计算的数学模型;对计算中可能产生的各种误差进行了分析和计算;对系统成像的非均匀性进行了分析和校正;提出了精确测量发射率的新算法;结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了新型直方图均衡和伪彩色增强等处理。在降低了成本的同时，保证了精度。基于辐射源的方法较为常用，其中包括两点校正法，多点校正法，非线性拟合校正法，和低次插值校正法等，基于他们各自的特点，此论文中选用了精度相对比较高的一种：非线性拟合校正法。这种校正方法考虑了光敏单元的非线性响应，使得其校正效果比传统的两点校正算法具有更大的动态范围和更高的精度，同时，每个光敏单元的校正只需要3次乘法和2次加法，运算量很小，很容易实时实现 。具体的公式推导可以参考论文。 噪声去除及算法改进：采用较为常用的中值滤波法。中值滤波的特点：能有效抑制图像噪声，提高图像信噪比。它是一种邻域运算，是把邻域中的像素按灰度等级进行排序，然后选择该组的中间值作为输出像素值。它能减弱或消除傅里叶空间的高频分量，但不影响低频分量。因为高频分量对应图像中的区域边缘和灰度值具有较大较快变化的部分，因此该滤波可将这些分量滤除，使图像平滑。这里可以概括为此算法可以实现图像的平滑处理。原理：首先确定一个以某个像素为中心点的邻域，一般为方形邻域;然后将邻域中的各个像素的灰度值进行排序，取其中间值作为中心点像素灰度的新值，这里的邻域通常被称为窗口;当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法可以很好地对图像进行平滑处理。改进：图像中的边缘和噪声都使频率比较高的部分，通过改进可以减少边缘的错误改进。由于噪声都由一个特点，就是几乎都是领域像素的极值而边缘不是，因此可以利用这个特性来改进中值滤波。具体改进的原理：当处理该像素的时候，看该像素是否是滤波窗口所覆盖下邻域像素的极大或者极小值，如果是，则用正常的中值滤波处理该像素。如果不是，则不处理。灰度变换：可分为普通线性变换、分段线性变换和非线性变换。采用普通线性变换，用一个线性单值函数，对图像的每一个像素灰度作线性扩展，将有效地增强图像的对比度，改善图像视觉效果。普通的先行变换的原理是将图像中的低灰度值和高灰度值像素的灰度级通过先行变换进行了适当的归并，这种两端截取式的拉伸方法虽然在一定区域内丢失了一小部分的信息，但是却换取了图像中绝大部分像素的灰度层次感。如果我们只对图像中某些灰度级的图像感兴趣，就可以按照灰度级的变化特点，将他们分段进行先行变换，从而增强图像中感兴趣的部分，抑制不感兴趣的灰度区间。直方图均衡化属于非线性变换，它是一种比较好得图像增强算法，在实际中也比较常用。原理：直方图均衡的作用是改变图像中灰度概率分布，使其均匀化。其实质是使图像中灰度概率密度较大的像素向附近灰度级扩展，因而灰度层次拉开，而概率密度较小的像素的灰度级收缩，从而让出原来占有的部分灰度级，这样的处理使图像充分有效地利用各个灰度级，因而增强了图像对比度。伪彩色变换：对于灰度图像，我们常用灰度级彩色变换的方法进行为彩色变换。原理：将图像的灰度值通过红、绿和蓝变换函数从而生成RGB色彩空间的三个分量，或通过色彩三属性明度、色相、纯度变换函数生成色彩空间的三个分量。这样的话，只要保证变换函数是连续的，则生成的调色板彩色编码就是连续的。因而，其关键在于变换函数的构造。具体的变换函数可以参考论文中。FPGA的实现：这里没有采用dsp来进行硬件的实现，这里可以简要的说明，dsp处理数据的速度虽然最大，但相对于处理复杂的数据，不同类型的数据时要比FPGA慢，所以这里选用FPGA来实现。系统的整体框图： FPGA可以实现红外图像的灰度变换、中值滤波，以及伪彩色变换等。VGA控制器主要是实现数字信号到模拟信号的转化，转化后的图像数据可以通过配置的LCD的VGA接口进行图像显示。电源部分：LDO电源和开关电源两者都可以选用。LDO电源成本低，输出电压噪声超低，缺点是低效率，且只能用于降压的场合。开关电源在电流负载较大时，这些损耗都相对较小，所以电感式开关电源可以达到95%的效率。但是在负载较小时，这些损耗就会相对变得大起来，影响效率。本设计中选用了后者，具体电路设计可参考论文。SRAM接口电路的设计：这里要知道为什么没有选用常用的SDRAM，因为SDRAM虽然容量大、价格便宜，但是时序比较复杂，能完成一般读写功能，如果涉及到复杂的算法，读写时序很难短时间实现，且不保证效果，而SRAM的时序简单，容易控制，整个存储系统比较稳定。本设计选用IS6lLv25616AL,具体与FPGA连接可参照论文。FLASH接口电路设计：本设计选用S29ALO32DFLASH芯片，芯片特点：容量4M*8sbit，有22为地址线，8位数据线，有独立的复位信号。图像显示电路：首先需要把数字信号转换为模拟信号，这里选用ADV7123FPGA配置电路设计：由于选用的SRAM有易失性，所以每次上电要重新加载数据，这里选用AS,PS,JTAG方式进行数据配置。配置电路可以