CN103808414B - 一种超远距离热源探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超远距离热源探测器，包括红外热像单元、主控处理单元、图像存储单元和图像数据显示单元，其中红外热像单元，用于获取红外热像数据，并将所获取的红外热像数据转换为数字信号通过低压差分信号LVDS接口输出；主控处理单元，用于完成图像数据的实时采集、处理，并对整个探测器进行操控；图像存储单元，用于对图像进行实时记录存储，以进行回放和分析使用；图像数据显示单元，用于显示处理后的红外视频信号和数据分析处理结果，以实现远距离、大面积立体空间的监测。

Description

一种超远距离热源探测器

技术领域

本发明涉及一种红外热像应用领域，特别涉及一种利用红外热像技术实现超远距离热源探测器。

背景技术

红外热像技术由于其卓越的红外成像和测温功能，使得在工业、民用领域得到越来越广泛的应用。红外成像是利用红外线将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布，从而实现对被监测物体的实时动态可视监视。由于自然界中的一切物体都辐射红外线，因此利用被监测对象本身和背景之间的红外线差值可以得到不同的红外线图像。

在红外成像的过程中，通常有红外探测器、光学成像物镜和光机扫描探测器，红外探测器接收被监测对象的红外辐射，并通过光敏元件将所接收到的被监测对象的红外辐射能量转换为红外辐射能量分布图，光机扫描探测器扫描红外能量分布图，红外探测器再将扫描结果转换为电信号，通过监视屏幕播放。

现有的红外成像技术，由于接收到的红外线的强弱与距离被监测物体的远近有关，距离越近接收到的红外线能量越强，因此成像效果也越逼真，而被监测物体位于较远距离时，被检测物体产生的红外能量在传输的过程中有损耗，距离越远接收到的最终红外能量越少，内此会对最终成像产生影响，最终可能形成模糊或者失真的图像，这样给监测带来了困难。

发明内容

本发明提供一种超远距离热源探测器，可以实现远距离监测，并且在监测屏幕端形成清晰的图像，是常规的探测器不可能做到的。

根据本发明的实施例，提供一种超远距离热源探测器，该探测器包括红外热像单元、主控处理单元、图像存储单元和图像数据显示单元，其中

红外热像单元，用于获取红外热像数据，并将所获取的红外热像数据转换为数字信号通过低压差分信号LVDS接口输出；

主控处理单元，用于完成图像数据的实时采集、处理，并对整个探测器进行操控；

图像存储单元，用于对图像进行实时记录存储，以进行回放和分析使用；

图像数据显示单元，用于显示处理后的红外视频信号和数据分析处理结果。

该探测器还包括LVDS数字图像分配卡，其通过红外热像单元的LVDS接口接收来自红外热像单元的数字信号，并将接收到的数字信号分别传输给图像存储单元和主控处理单元

所述主控处理单元还包括LVDS数字图像采集卡、数据处理单元和操控单元，其中数据处理单元读取图像存储单元中的数字信号，并对数字信号进行处理，将处理结果发送给图像数据显示单元；其中，所述数据处理单元将所述数字信号转换成红外视频信号；所述主控处理单元包含的操作单元用于对整个探测器的操控，所属主控处理单元使用数字图像采集卡，中间不再经过A／D和D／A转换，以保证输入数据的无损性；

所述图像存储单元记录数据时不对原始数据进行任何压缩处理，采用原始数据位方式进行存储，每像素占用2字节，记录14位数据以保证图像数据采集无损；图像按照帧方式顺序存储，并记录每帧图像的时间信息以保证图像重放时严格按照记录的顺序和速率进行；

所述图像数据显示单元接收经过处理的红外视频信号，并在显示屏上显示所述红外视频信号；所述图像数据显示单元还具有切换功能，能在黑白和伪彩两种显示模式之间切换。

所述红外热像单元包括镜头单元、光机单元、调焦单元和密封单元，其中

所述镜头单元采用二次成像结构，设定其焦距为400mm、视场角度为±0.88°，并在镜头单元的第一像面位置安装光栏，降低像面杂光照度；并采用杂散光分析软件实时跟踪分析采集到的红外热像数据，对其中的杂散光部分进行控制，再经CODE V光学设计软件进行优化，实现场曲小于0.1mm，畸变小于1％；

所述光机单元的透镜使用镀有多层减反膜的透镜，且单面透过率大于99％，并使用多个机械消杂光光栏来消除探测器的杂光，以达到杂光系数5％以内；

所述调焦单元采用CCD图像判读方式自动调焦，其中CCD的离焦误差被设置为探测器的半倍焦深，用以在目标距离改变或环境温度变化时通过调整目标像面位置得到清晰的红外热像图像；

所述密封单元包括在镜头的最外层玻璃与外界接触面上镀憎水膜，在最外层玻璃与壳体接触面前端做封胶倒槽，在最外层玻璃与课题接触面的中部在壳体上圆周位置加工O型圈密封槽，并在密封好的的光机舱内充入氮气使得光机舱内气压稍高于室外以保持一定的正压及防霉。

该探测器中的红外热像单元采用波段为3.7μm～4.8μm、F数为2、像元数为320×256以及像元为30μm的中波制冷探测器，并采用杂散光分析软件进行设计和检验，用于接收被测物体的红外辐射；所述红外热像单元采用了二次成像结构，并在探测器的第一像面位置安装光栏，降低像面杂光照度，并入瞳位置位于第一透镜附件，使体积小型化；其中所述红外热像单元还包括输入单元，用于输入命令和相应数据，该输入单元可以是按键输入、触摸屏幕输入或语音输入。

所述探测器具有电源过欠压保护、过流保护、反接保护、延时开机保护的功能。

所述图像数据显示单元还具有指定点灰度值显示、黑热／白热极性翻转显示、显示鼠标制定点位置坐标、增强对小目标的探测和图像增强功能；该探测器采用标准PAL制视频输出，并且能够固定在转台／平台上，由电源提供保证红外热像单元工作的稳压直流电源。

所述探测器的LVDS数字图像采集卡采用Meteor II系列，其主要性能如下：

(1)可采集RS-422／LVDS数字面阵／线阵视频信号；

(2)PCI或PC／104-Plus格式视频采集卡；

(3)采集数字面阵／线阵信号，包括多抽头配置；

(4)32-bit宽RS-422或LVDS接口；

(5)采样率RS-422下达到25MHz，LVDS下达到40MHz；

(6)可配置LUT(4个256x8-bit或2个4Kx16-bit)；

(7)触发输入，时钟输出；

(8)PCI总线主模式32-bit／33MHz；

(9)实时传输到探测器或显卡；

(10)扩展板上缓存，确保采集；

(11)支持packed or planar传输彩色或多路黑白数据流；

(12)RS-232串口；

(13)支持Microsoft Windows NT4.0，Windows2000和Windows XP和QNX。

本发明提供的超远距离热源探测器可实现远距离、大面积立体空间的监测，其具有监测距离远、面积大的、成像清晰的特点，是常规探测器做不到的，可广泛地用到森林保护、边防侦察、海洋勘探、城市交通管理、地貌测量等领域。

附图说明

参照一下的附图可以更好的理解本发明的很多方面。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。

图1是本发明实施例的超远距离热源探测器的结构的示意图；

图2是本发明实施例的探测器光路图；

图3是本发明实施例的探测器的MTF曲线的示意图；

图4是本发明实施例的中场曲和畸变曲线的示意图；

图5是本发明实施例的机械消杂光光栏示意图；

图6是本发明实施例的调焦结构图。

具体实施方式

为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明的实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。如图1所示，一种红外热像监测探测器，该探测器包括红外热像单元、主控处理单元、图像存储单元和图像数据显示单元。其中红外热像单元获取红外热像数据，并将所获取的红外热像数据转换为数字信号通过低压差分信号LVDS接口输出，红外热像单元的LVDS接口连接LVDS数字图像分配卡。LVDS数字图像分配卡接收来自红外热像单元的信号，并将信号分成两路，一路传输给图像存储单元，一路传输给主控处理单元的LVDS数字图像采集卡。主控处理单元，用于完成图像数据的实时采集、处理，并对整个探测器进行操控，其包括LVDS数字图像采集卡，串行通信、操控单元和数据处理单元；其中数据处理单元对图像存储单元中的数据进行分析处理，滤除杂光噪声等，并将信号进行转换，转换为适合图像数据显示单元播放的视频信号。其中由LVDS数字图像采集卡接收来自LVDS数字图像分配卡发送的数字信号，然后经由数据处理单元对该数字信号处理，将所述数字信号转换成红外视频信号，并将处理结果发送给图像数据显示单元，由操作单元用于对整个探测器的操控。图像存储单元，用于对图像进行实时记录存储，以进行回放和分析使用，其允许数据处理单元对其进行读取；图像数据显示单元，用于显示处理后的红外视频信号和数据分析处理结果。

红外热像单元的机械部分使用UG、GATIA制图，保证仪器精度的前提下，注重仪器的外在美观性，操作方便性。由先进的生产制造设备进行加工，加工的产品器件及整机均需通过国家级检测中心检测，保证研发产品的质量。电子学部分拟采用Meteor II系列数字图像采集卡，由高配置工控机进行控制，为使软件具有通用性及更好的人机交互性，以便于操作，我们采用VC++6.0进行软件的开发，软件的使用环境为WINDOWS操作探测器。

该红外热像探测器的技术指标为：

波段：3.7μm～4.8μm；

视场：±0.88°；

焦距：400mm；

F数：2；

像元数：320×256；

像元30μm；

标准PAL制视频输出；

LVDS数字接口输出；

能够固定在转台、平台上，能够抗冲击能力：1g；

提供保证热像仪工作的稳压直流电源；

电源过欠压保护、过流保护、反接保护、延时开机保护。

主要功能和所达到的技术效果如下：

图像显示：

图像实时显示功能(至少两种：黑白和伪彩)；

指定点灰度值显示；

黑热／白热极性反转显示；

图像增强功能，增强对小目标的探测能力；

显示鼠标指定点位置坐标功能。

热像仪操作：

图像缩放功能；

电动调焦功能；

实时图像降噪功能，降低图像背景噪声；

开机自动单点校正。

参数设置：

积分时间可设；

帧频可设；

手动设置亮度和手动设置增益功能；

自动设置亮度和自设置增益功能。

数据输出／读入：

图像记录、保存、调入、输出功能；

动态图像的记录、保存、重放、输出功能；

图像数据的无损采集功能。

依据任务指标要求、红外热成像自身的特点，本探测器拟采用波段为3.7μm～4.8μm、F数为2、像元数为320×256、像元30μm的中波制冷探测器，根据几何光学的物像关系，经计算本探测器的光学探测器的焦距为400mm，视场角为±0.88°。

红外成像探测器中，杂散光是影响成像性能的一个重要因素。为了更好地消除杂散光对探测器的影响，我们采用了二次成像结构，并在探测器的第一像面位置安装光栏，从而有效地降低像面杂光照度。探测器的入瞳位置位于第一透镜附件，实现探测器体积小型化。

镜头设计过程中，我们使用了专门研发的杂散光分析软件，对设计进行实时跟踪分析，对带来杂散光部分进行改进控制，直至实现完善设计。镜头设计结果如图2所示。

探测器的MTF曲线如图3所示。在探测器截止频率33lp／mm处，MTF设计值都在0.5以上。经CODE V光学设计软件的优化，本探测器的场曲小于0.1mm；畸变小于1％，完全能够满足技术指标的要求，如图4所示。

光学探测器的透过率对作用距离是很重要的，杂光亦然。为此，透镜要镀多层减反膜，单面透过率大于99％，为了减小杂光，光学探测器的整体结构要进行消杂光处理，并尽可能放置消杂光光栏，杂光系数为5％左右。机械消杂光光栏如图5所示。

如图6所示调焦结构图，调焦机构用于在目标距离改变或者环境温度变化时，调整目标像面位置，保证红外电视所看到的图像清晰。CCD允许的离焦误差是探测器的半倍焦深，这样才能够保证图像清晰。探测器采用CCD图像判读方式自动调焦；调焦机构用直线运动精密定位机构，用导向杆导向，精密微动丝杆传动：主要由精密丝杆付、饺链、电位计、直流电机等组成实现距离、温度调焦。

探测器在采用CODE V光学设计软件完成设计后，采用Lighttools软件进行了轴上点和轴外点光学探测器镜片间杂散光分析，在设定镜面反射率1％，镜筒99％吸收，冷光栏100％匹配的情况下，仿真结果表明，无论轴上点还是轴外点的信号光能量相对于杂散光能量高达每平方毫米1014w以上，远高于杂散光能量，说明该套探测器几乎完全抑制了杂散光的二次及以上反射。采用自编杂散光软件对探测器进行进一步分析表明，探测器杂散光确实在1014量级对整个探测器影响非常小，能够确保探测器高清晰成像。

镜头光机结构，其单元技术成熟，光机加工及装调有很好的技术基础，完全能够满足客户的需求。

目前在光机零件三防方面有一定的技术、工艺基础，且已在多种环境下有了很好的应用。因此只要采用已有的成功经验，根据具体仪器采取相应方法即可。

密封对镜头来说其关键在于光机舱保护玻璃与壳体的密封。镜头的第一块玻璃即是成像玻璃也是保护玻璃，它直接暴露在外部的光学部件，对其要求是即要有良好的密封，在不影响透过滤的条件下又要有一定的憎水性，同时要有易维修性，如果上述工作做不好，则外界腐蚀气体很容易从这个部位进入光机内部，造成一些部件腐蚀，以致影响工作。这里采取的措施是组合密封方式，一步步隔离镜头与外部接触，其中以端面静密封为主。

保护玻璃与外界接触面涂覆憎水膜；所述憎水膜通过涂覆透明树脂组合物形成，厚度为5～50μm；其中所述透明树脂组合物是通过螺杆挤出机在225～230℃反应制备得到的，所述原料，按照重量份数，包括：32-35份的MDI、28-32份的1，4-丁二醇、18-20份的甲基丙烯酸酯、12-15份的双酚F环氧树脂、8～10份的纳米二氧化硅、2.5-3.5份的苯甲酸改性醇酸树脂、0.5-0.8份的2，3-环氧丙基苯醚和0.5-0.8份的N-乙基吗啉。所述憎水膜对水蒸气透过率≤10^-3gm^-2day^-1，具有极佳的憎水性和阻水性。

保护玻璃与壳体接触面前端做封胶倒槽；

保护玻璃与壳体接触面的中部，在壳体上圆周加工O型圈密封槽；

要在密封好的光机舱内充入氮气，使光机舱内气压稍高于室外，即保持一定的正压又可防霉。

按照技术指标和功能要求，该红外热像处理软件中集成了以下功能：

1)图像显示功能：可选图像的灰度和伪彩显示方式，指定点灰度值显示，图像增强处理。显示鼠标指定点位置坐标等功能。

2)温度测量功能：实现指定点测温。

3)测量数据的多种显示方式：以三维方式显示当前图像的温度分布信息，使温度测量更加直观，并可对某点或区域温度测量值以时间轴方式显示，便于观察温度随时间变化情况，另外设置了数据表显示方式。

4)图像数据读入和处理：可以单帧或序列方式调入已存储的图像数据，并进行各种数据和测量处理，输出处理结果。

5)红外热像控制功能：通过串口与红外热像单元通信，控制红外热像单元参数。

选用红外热像仪可由计算机通过串口进行各种参数设置，包括相机积分时间、输出帧频等。可设置红外热像仪工作在亮度和增益的自动／手动状态，手动状态下可随时手动设置相机输出视频的亮度和增益；可通过相机控制软件进行相机的非均匀校正处理。

数字图像采集卡采用加拿大Matrox公司的Meteor II系列数字图像采集卡。其主要性能如下：

可采集RS-422／LVDS数字面阵／线阵视频信号；

PCI或PC／104-Plus格式视频采集卡；

采集数字面阵／线阵信号，包括多抽头配置；

32-bit宽RS-422或LVDS接口；

采样率RS-422下达到25MHz，LVDS下达到40MHz；

可配置LUT(4个256x8-bit或2个4Kx16-bit)；

触发输入，时钟输出；

PCI总线主模式32-bit／33MHz；

实时传输到探测器或显卡；

扩展板上缓存，确保采集；

支持packed or planar传输彩色或多路黑白数据流；

RS-232串口；

支持Microsoft Windows NT4.0，Windows2000和Windows XP和QNX。

图像数据显示设备可根据需要采用大屏幕显示设备，投影仪等，提高显示效果。另外为了实现图像数据的无损采集，红外热像单元数字图像输出，通过数字图像采集卡采集，中间不再经过A／D和D／A的转换，因此可保证输入数据的无损性。进行数据记录时，不对原始数据进行任何压缩处理，采用原始数据位方式进行存储，每像素占用2字节，记录14位数据，可保证图像数据的无损采集。同时，图像按照帧方式顺序存储，并记录每帧图像的时间信息，可保证图像重放时严格按照记录的顺序和速率进行。专门设计图像存储控制软件，完成图像的记录、调入、重放等功能。

本项目将结合用户的指标要求、具体使用环境，采用先进的设计方法、加工工艺以及检测手段，最终研发出结构紧凑，操作方便，性能优良，持久耐用的中波红外热像仪。此技术可以成功作用到30KM以外的物体，形成清晰图像，是常规的算法不可能做到的。尤其适用于远距离观察，林地防火、海防等场所。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超远距离热源探测器，该探测器包括红外热像单元、主控处理单元、图像存储单元和图像数据显示单元，其中红外热像单元，用于获取红外热像数据，并将所获取的红外热像数据转换为数字信号通过低压差分信号LVDS接口输出；主控处理单元，用于完成图像数据的实时采集、处理，并对整个探测器进行操控；图像存储单元，用于对图像进行实时记录存储，以进行回放和分析使用；图像数据显示单元，用于显示处理后的红外视频信号和数据分析处理结果；该探测器还包括LVDS数字图像分配卡，其接收经由红外热像单元的LVDS接口发送来的数字信号，并将接收到的数字信号分别传输给图像存储单元和主控处理单元；所述主控处理单元还包括LVDS数字图像采集卡、数据处理单元和操控单元，其中数据处理单元读取图像存储单元中的数字信号，并对数字信号进行处理，将处理结果发送给图像数据显示单元；其中，所述数据处理单元将所述数字信号转换成红外视频信号；所述主控处理单元包含的操控单元用于对整个探测器的操控，所属主控处理单元使用数字图像采集卡，中间不再经过A/D和D/A转换，以保证输入数据的无损性；所述图像存储单元记录数据时不对原始数据进行任何压缩处理，采用原始数据位方式进行存储，每像素占用2字节，记录14位数据以保证图像数据采集无损；图像按照帧方式顺序存储，并记录每帧图像的时间信息以保证图像重放时严格按照记录的顺序和速率进行；所述图像数据显示单元接收经过处理的红外视频信号，并在显示屏上显示所述红外视频信号；所述图像数据显示单元还具有切换功能，能在黑白和伪彩两种显示模式之间切换。

2.如权利要求1所述的探测器，所述红外热像单元包括镜头单元、光机单元、调焦单元和密封单元，其中所述镜头单元采用二次成像结构，设定其焦距为400mm、视场角度为±0.88°，并在镜头单元的第一像面位置安装光栏，降低像面杂光照度；并采用杂散光分析软件实时跟踪分析采集到的红外热像数据，对其中的杂散光部分进行控制，再经CODE V光学设计软件进行优化，实现场曲小于0.1mm，畸变小于1％；所述光机单元的透镜使用镀有多层减反膜的透镜，且单面透过率大于99％，并使用多个机械消杂光光栏来消除探测器的杂光，以达到杂光系数5％以内；所述调焦单元采用CCD图像判读方式自动调焦，其中CCD的离焦误差被设置为探测器的半倍焦深，用以在目标距离改变或环境温度变化时通过调整目标像面位置得到清晰的红外热像图像；所述密封单元包括在镜头的最外层玻璃与外界接触面上镀憎水膜，在最外层玻璃与壳体接触面前端做封胶倒槽，在最外层玻璃与壳体触面的中部在壳体上圆周位置加工O型圈密封槽，并在密封好的的光机舱内充入氮气使得光机舱内气压稍高于室外以保持一定的正压及防霉。

3.如权利要求1所述的探测器，该探测器具有电源过欠压保护、过流保护、反接保护、延时开机保护的功能。

4.如权利要求1所述的探测器，所述图像数据显示单元还具有指定点灰度值显示、黑热/白热极性翻转显示、显示鼠标制定点位置坐标、增强对小目标的探测和图像增强功能；该探测器采用标准PAL制视频输出，并且能够固定在转台/平台上，由电源提供保证红外热像单元工作的稳压直流电源。