非制冷红外热像仪

1、非制冷红外热像仪的测温原理、系统分析和性能参数简述周骁骏，杨勰，李乾，庞星摘 要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一，其通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、系统分析及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；系统分析；性能参数The brief description of temperature meas

2、uring principle,system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imagerZhou Xiao-jun, Yang xie, Li qian, Pang xingAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. It gains temperature of the detected object by the infrared r

3、adiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation.

4、We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared therma

5、l imager; temperature measuring principle; system design; performance parameter0 前言红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物理的温度分布图像转换为视频图像的设备1。而由于焦平面阵列探测器材料及相关工艺的限制，早期的红外热像仪必须经过制冷处理来尽可能地减小误差，因此早期的红外探测器件往往会有相应的制冷剂伴随着一起工作，这样在成本和使用率方面就比较落后。但是随着红外技术的不断革新，特别是热电材料及其相关技术的日臻成熟，人们将一些热电、铁电材料逐渐代替了需要制冷方能正常工作的探测器

6、阵列材料，如碲镉贡HgCdTe等，于是在1978年非制冷热成像技术首次研究成功。相应地，许多不同材料、不同类型的非制冷红外热像仪也相继问世。到目前为止，非制冷红外热像仪的基本工作原理，理论基础已经得到广泛地验证，在各个方面的应用也取得了比较好的效果，但是就材料、噪声、系统、性能等方面仍存在需要进行大量研究的必要性。1 非制冷红外热像仪的测温原理及其理论基础红外热像仪的测温方式相比于其他测温方式相比在以下两种情况下具有明显的优势4：(1温度分布不均匀的大面积目标的表面温度场的测量；(2在有限的区域内快速确定过热点或过热区域的测量。而非制冷红外热像仪更是在此基础上大量地降低了成本、提高了使用率。1

7、.1 红外热像仪的测温原理及理论基础红外热成像技术是在红外波段3m6m和8m14m两个大气窗口，利用场景中物体本身的热辐射，将热目标的红外图像转换为可见光图像。其转换过程为2：热像仪对准目标时其瞬时视场将物体的表面看作一个个像元，然后通过内部机构将含有像元温度的辐射能量汇聚到探测器上，从而探测器的输出电信号幅度与输入的辐射能量大小成正比，最后经信号处理在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图。在整个过程中，热像仪阵列的每个传感器接受对应于目标上的一个像元，每个像元对应的输入辐射在焦平面上成像，随后通过置于焦平面的光电或是热电系统将每个像元含有的辐射能转换为电信号，再经过后置电路的放大及去

8、噪显示在显示器上。红外热成像的理论基础是斯忒藩玻尔兹曼定律。该定律指出黑体表面单位面积所发射的各种波长的总辐射功率与其热力学温度的四次方成正比。即6 （1.1）式中，为黑体表面单位面积所发射的各种波长的总辐射功率，为其对应的热力学温度，为斯忒藩常数， 。而在红外波长范围内实际物体的热辐射可近似看作灰体辐射，灰体接近黑体辐射的程度被称为灰体的发射率，且该参数不随波长的改变而改变。换言之，发射率能够说明物体的辐射本领与同温度同测量条件下黑体的辐射本领之比。如果将辐射功率看成是波长和对应热力学温度的函数，那么红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率与黑体表面单位面积所发射的各波长的

9、总辐射功率可分别表示为 （1.2）和 （1.3）又根据发射率的定义，有 （1.4）而红外波长范围的物体发射率不随波长而改变，故可得到 （1.5）所以 （1.6）上述四个公式中，为红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率，为红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的单一波长的辐射功率，为黑体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率，为黑体表面单位面积所发射的单一波长的辐射功率，为被测物体的发射率，为所测量辐射对应的热力学温度，为斯忒藩常数。在实际的测量过程中，红外热像仪所接收到的辐射包括2：(1被测物体表面本身的辐射能量；(2被测物体表面反射的环境辐射能量；(3被测物体表面透射的环

10、境辐射能量。所以探测器接收到的温度不是真实温度，在实际测温时通常要先用高精度黑体对热像仪进行标定，找出物体表面的辐射温度与其真实温度二者之间的关系，并对此进行修正，这样才能在最终的成像显示结果中得到被测物体的真实温度。物体表面的辐射温度与其真实温度二者之间的对应关系如下2：假设被测物体表面本身的辐射能量为，被测物体表面反射的环境辐射能量为，被测物体表面透射的环境辐射能量，红外热像仪所接收到的辐射能量为，则有 （1.7）又设被测物体的发射率为，反射率为，透射率，环境辐射能量为，与被测器件表面相同的黑体辐射能量为，则有 （1.8） （1.9）和 （1.10）根据式（1.7）有 （1.11）又根据，

11、有 （1.12）设被测物体表面的辐射温度为，物体真实温度为，环境温度为，环境的发射率为则结合式（1.1）和式（1.12）可得 （1.13）即 （1.14）这样就找到了被测物体表面的辐射温度和其真实温度之间的关系，从而可根据此关系式对红外热像仪进行标定。若考虑大气与环境温度不一致，则红外热像仪的热辐射示意图如图1.1所示。图1.1 红外热像仪热辐射示意图图中，1环境，2被测物体，3大气，4红外热像仪，为物体自身辐射，为环境反射辐射，为大气透射辐射，为环境温度，为大气透过率，为物体发射率，为大气温度。从被测物体表面的辐射照度入手，一般有5 （1.15）式中，为被测物体表面的辐射照度，为最小空间张角

12、所对应的目标的可视面积，为目标到热像仪的距离，一般为常量，为某一波长下大气光谱透过率，为某一波长下被测物体的表面发射率，为对应温度的辐射亮度，为被测物体的实际温度，为被测物体在某一波长下的表面吸收率，为环境温度，为某一波长下大气的发射率，为大气温度。探测器的信号电压有相应的辐射功率和探测器光谱响应度决定，所以在某一波长下探测器的信号电压为5： （1.16）式中为探测器的光谱响应率。由于红外热像仪工作波段比较窄，所以取，为所测波段上，的平均值，则可近似认为与波长无关。则式（1.16）可写成5 （1.17）式中。1.2 非制冷红外热像仪在测温原理上的改进非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面1，

13、是利用某些物质对温度的敏感特性探测红外辐射能量的热敏元件，非制冷红外探测器探测红外辐射的基本原理包含两个过程3：(1探测器吸收辐射以后温度随之升高，伴随入射辐射功率的变化，元件的温度也在发生相应的变化；(2利用元件某种温度的敏感特性把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号，或者利用元件某种温度的敏感特性来调整电路中电流强度的大小，从而得到相应的电信号，此过程实际上就是测量物体温度变化的过程。对非制冷红外热像仪的分析均起始于红外辐射造成的敏感元件的温升，依赖于探测机构对温升的探测。如图1.2所示为非制冷红外探测器的回路示意图5。图1.2 非制冷红外探测器的回路示意图导热体具有恒定的温度，在没有辐

14、射照射时，热探测器与导热体之间满足热平衡，当探测器吸收辐射后，一部分传导出去，一部分使探测器温度升高，其中，热传导方程为7 （1.18）式中，为热容，表示探测器每升高1摄氏度的温度所要吸收的热能；为热容量；为热传导系数，表示单位时间内探测器和导热体之间交换的热量；为探测器的热导；为探测器吸收辐射后引起的温升；为探测器吸收系数；为入射辐射功率。通过热传导方程能够得到温升7 （1.19）式中，为热时间常数，。则温度响应率为 （1.20）结合式（1.20）和式（1.17），即将热探测器的响应度代入式（1.17），得到 （1.21）式中，为热探测器的探头温度。现在使得，则式（1.21）变为 （1.22

15、）探测器的输出值为，则令，有 （1.23）在红外波长范围下可被测物体近似看作为灰体，则，且若对于大气有，则被测物体表面温度计算公式可以写为 （1.24）比较式（1.14）和式（1.24），可以看到，两个公式虽然不同，但是对于环境的测量值和被测物体真实的测量值而言，形式相近，但式（1.24）不仅考虑到大气的因素，还将输出具体到相应电压，故式（1.24）的测温公式应用更加广泛。根据式（1.24）变形可得 （1.25）根据上述标定原理，用高精度黑体标定时，=1，=1，则有 （1.26）可见，仪器输出值仅与被测物体表面温度有关5。2 非制冷红外热像仪的系统设计分析非制冷红外热像仪的系统结构一般分为硬件

16、电路系统和软件处理系统两个部分。硬件电路系统能够在数据段传输、使用效率方面起关键的作用，并且决定成像过程能否实现。而软件处理系统则是将热像仪更加实用化，提高其对目标或被测物体的识别以及细节上的分析能力，二者对于非制冷红外热像仪的系统都缺一不可。2.1 基于FPGA的非制冷红外热像仪的硬件电路系统简述在硬件电路中，目前的非制冷红外热像仪大多采用DSP+FPGA架构，但是在能够实现数据运算、通信、系统管理以及非均匀校正、盲元补偿、视频合成等功能的同时，DSP+FPGA架构也减小了相应的数据传输效率，而且不便于仪器的小型化。南京理工大学引入了一种基于FPGA的可编程单芯片系统（SOPC），该系统不仅

17、能够支持信号处理，还能够集成可编程嵌入式处理器和专用IP核，使得非制冷红外热像仪的系统设计小型化、低功耗。该基于FPGA的非制冷红外热成像系统主要由红外光学系统、非制冷红外焦平面探测器组件、电路系统和显示设备构成，如图2.1所示8。图2.1 基于FPGA的非制冷红外热成像系统结构从图2.1中可见，该系统通过FPGA把A/D、D/A转换器，数据/程序存储器，USB接口和键盘等外设连接到了一起，且FPGA内部集成有NiosII嵌入式处理器、实时信号处理、直方图处理、视频合成、DPRAM、时序控制逻辑等模块。其中NiosII嵌入式处理器实现整个系统的管理功能。NiosII是Altera公司开发的一种

18、基于FPGA的可配置单指令流的32位RISC嵌入式处理器。在上述系统结构中，NiosII通过Avalon总线与SDRAM、Flash、USB控制器、键盘等外设相连，通过时序控制逻辑发出中断请求实现与DPRAM、直方图处理模块的数据通信。NiosII规定了系统的两种工作模式：标定模式和校正模式。其中，在标定模式下，NiosII计算每个像素的增益和偏移校正系数，确定盲元的位置；在校正模式下，NiosII主要更新校正系数。系统程序采用多任务管理，其结构如图2.2所示8。图2.2 系统的程序结构系统在开机以后首先初始化内部寄存器和外设的状态参数，然后实行校正/标定模式、键盘管理和USB通信3个线程，其

19、中校正/标定模式的优先级最高。在校正/标定模式下，信号处理模块和NiosII的数据交换是通过DPRAM完成的，DPRAM是一个FPGA内部定义的双向双端口的存储器。其中，在标定模式下，信号处理模块直接将来自于A/D的原始图像数据存储到DPRAM中，当完整的两帧高温和低温黑体数据存储结束后，NiosII将会计算每个像素的增益和偏移校正系数以及确定盲元的位置，并存储于Flash内。信号处理模块也可以在时序逻辑控制下将处理好的图像数据存储到DPRAM内，最后经过USB接口传输到PC机终端，以此来提高数据的传输效率。在此系统中FPGA实时信号处理的结构使用的是流水线结构，流水线结构相比于乒乓结构而言降

20、低的整个结构的复杂性，同时减小了输出延时。实时信号处理在红外成像系统中有三个基本内容：非均匀校正、盲元补偿和图像增强。非均匀校正通常采用线性方式消除红外焦平面阵列的非均匀性导致的固定图案噪声；盲元的位置估计使用左右像素估计响应值的方法；图像增强则给予图像冗余技术，将表达图像信息的区域扩展到整个直方图的动态范围。实时信号处理的流水线结构如图2.3所示8。图2.3 实时信号处理流水线从图2.3可以看到8，整个流水线结构首先进行增益校正，其增益校正系数同原始图像数据一起输入乘法器中，然后到达加法器，而偏移校正系数经过一级流水线延时后同样到达加法器，加法器输出后便完成了非均匀校正的过程（见）；然后进入

21、盲元补偿过程（见图），在此过程中加法器始终在计算某个像素前后两个像素的均值，该均值与像素值一同向后转移，直至双路选通开关，而盲元标志F始终在向后转移直至双路选通开关，当双路选通开关处，由盲元标志决定是传输均值还是像素值，即若此像素为盲元，则传输均值，若不是，则传输原来的像素值，从而实现了盲元补偿；随后，数据分两路，一路进入直方图处理模块（见），另一路进入图像增强模块（见），经过两级模块增强运算后，图像数据最后被传输到视频合成模块（见）。2.2 非制冷红外热像仪的软件处理系统简述目前，通用型非制冷红外热像仪的输出图像一般为数字图像，故软件处理图像的过程一般基于数字图像处理过程，软件平台也同样基于

22、数字图像处理系统，由于本文作者未对相关软件进行开发和实验，故对非制冷红外热像仪的软件处理系统仅做一个概念性的介绍。非制冷红外热像仪的软件处理系统一般集合了数字图像处理中常用的增强算法和分割算法，而这类算法的仿真实现可以使用MATLAB来完成，但是实际处理红外热图像的过程中，MATLAB软件存在语句不严格、可移植性差、使用性弱等缺点，故此类软件开发一般使用C语言或是C+语言来编写，鉴于C+语言语句更加接近对象化思考的模式，故PC终端上对图像的处理窗口一般使用MFC来编写，开发平台为Microsoft Visual C+。红外图像具有很多缺点，例如分辨率低、空间相关性强、信噪比低、空间立体感差、对

23、比度低、图像模糊等，所以在使用红外图像进行分析之前一般需要对红外图像进行图像处理。整个图像处理系统的流程分为三个阶段9：(1图像处理阶段；(2图像分析阶段；(3图像理解阶段。图像处理阶段主要对像素进行处理，在校正红外焦平面阵列非均匀性、补偿盲元像素等处理后使用软件再次优化图像像素质量，例如进行图像的灰度变换处理、噪声平滑处理、边界锐化处理等；图像分析阶段主要对红外图像中有用信息的区域进行检测、分割、特征提取等；图像理解阶段主要利用人类的思维方式去研究图像各目标的性质及相关关系，从而把有用信息给出。综上所述，一幅优质的红外热图像的产生同时依赖于高效的硬件系统和良好的软件系统，而对于非制冷红外热像

24、仪而言，硬件系统的设计更为重要，因为如果要求得到相同的图像，要在热像仪生成红外热图像之后对图像进行处理往往要比在接受红外热辐射个过程中处理噪声难得多，而且通常得不到比较理想的效果。也正因为如此，不管是在探测器材料方面的研究方面，还是在硬件电路的设计方面，对于仪器本身的价值而言要比后期的图像处理更为关键，所遇到的难度和瓶颈自然也比较多。当然，后期的软件处理平台是必不可少的，毕竟夜视仪器的成像效果还不会在短时间内被人类的视觉所适应，只有通过适当的图像处理，才有助于人们更好、更方便地去分析红外图像。3 非制冷红外热像仪的性能参数非制冷红外热像仪的性能参数主要包含以下几个个方面：(1噪声等效温差（NE

25、TD）；(2最小可分辨温差（MRTD）；(3最小可探测温差（MDTD）；(4非均匀性（NU）；(5信号传递函数（SiTF）；(6调制传递函数（MTF）。非制冷红外热像仪还有其它一些性能参数，比如焦平面阵列噪声、视场角FOV与焦距f、系统分辨率、系统畸变以及系统光学同轴度等等。3.1 噪声等效温差（NETD）噪声等效温差是假定测量源为黑体、大气传输系数为1的情况下定义的实验测量值。其定义为系统基准电子滤波器输出的信号峰值与噪声信号的均方根之比为1时黑体目标与背景的温差，即10 （3.1）式中，为靶标与背景黑体源之间的温差，为目标信号的响应电平，为背景信号的响应电平。然而在红外热像仪中，单个像元的

26、NETD的给出需要用到信号传递函数（SiTF）的值，让黑体源稳定在某一温度，通过采集一定帧数的红外焦平面阵列组件的输出来计算时域的NETD值，其计算公式如下11： （3.2） （3.3）式中，为第帧图像内点的输出值，为采集图像的帧数，为像点的标准偏差。3.2 信号传递函数（SiTF）在3.1中提到使用信号传递函数（SiTF）来计算噪声等效温差（NETD），SiTF是典型的S型响应度函数线性部分的斜率10，其表达式为10： （3.4）式中，采集卡接收到的电压信号输出，为平行光管与大气光谱的有效透过率的加权平均值，为靶标与背景黑体源之间的温差。3.3 最小可分辨温差（MRTD）MRTD是像质的一个

27、主观度量，是实验室内对视觉灵敏度和分辨率的综合度量10。MRTD是在某一频率下四条纹刚好被热像仪能够分辨的差分温度，其结果取决于观察者的决策，是一个比较主观的参数。MRTD与调制传递函数（MTF）相反，其渐近线的低频段取决于非制冷红外焦平面的非均匀性。一般测定MRTD的方法如下11：首先，把直条纹及其互补图像之间的温度设为零摄氏度，逐渐增加，直至观察者正好能够分辨出四条直条纹，此时观察者选择的最小正温度差为，临界温差即为；然后将直条纹及其互补图像之间的温度重置为零摄氏度，逐渐减小，直至观察者正好能够分辨出四条直条纹，此时观察者选择的最小负温度差为，临界温差即为。通过这些值和平行光管的透过率，目

28、标空间频率的MRTD值计算公式如下11： （3.5）式中，为平行光管的红外透过率。3.4 调制传递函数（MTF）在3.3中提到最小可分辨温差（MRTD）与调制传递函数（MTF）相反。MTF是用于系统设计、分析和性能说明的基本参数，它表示系统或系统元件对一个正弦波输入的振幅响应。一般确定MTF的方法分为直接法和间接法两种，其中直接法是测量不同正弦信号的响应，而间接法则是通过线扩展函数的傅里叶变换得到一维MTF。但是在红外波长范围内不容易获得正弦信号，可以用方块目标或是条纹目标先得到对比度传递函数，然后采用一系列数学近似将其转换成MTF。3.5 最小可探测温差（MDTD）最小可探测温差（MDTD）是热系统灵敏度的实验室测量，其中包含人的作用。它可以用前视红外（FLIR）观察一个方形或是圆形目标和均匀背景之间的温差来得到10。3.6 非均匀性（NU）在3.3中提到最小可分辨温差（MRTD）的渐近线的低频段取决于非制冷红外焦平面的非均匀性，因此非均匀性是低频数据集结果的标准差与平均值的比率11： （3.6）式中，为像点在水平和垂直方向的校准偏差分量，为信号传递函数SiTF。关于非制冷红外热像仪的其它一些性能参数在这里就不再一一介绍了。性能参数除了作为非制冷红外热像仪的生产指标，更重要是它能体现该仪器在使用范围内的价值，是非制冷红外热像仪在设