CN107436195A - 一种被动红外候鸟监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动红外候鸟监测设备，包括红外镜头、红外成像板、电源板、信号处理板和接口板，红外镜头固定在底座上，底座通过螺丝与红外成像板固定连接，红外成像板、电源板、信号处理板和接口板依次通过排针插口连接，电源板分别连接红外成像板、信号处理板、接口板，红外成像板双向连接信号处理板，信号处理板双向连接接口板，接口板通过以太网连接上位机，本发明采用被动红外技术，根据鸟类与背景温度差异探测出候鸟。其探测距离远，比可见光大3‑6倍，扩大了监测范围，保护了候鸟繁殖地和栖息地；还具有体积小、功能强、操作简单、便于携带等优点，适合于野外恶劣的环境工作。

Description

一种被动红外候鸟监测设备

技术领域

本发明涉及红外监测技术领域，具体为一种被动红外候鸟监测设备。

背景技术

红外热成像技术是一项前途广阔的高新技术。比0.78微米长的可见光光谱红色以外电磁波，称为红外线，又称红外辐射。其中波长为0.78～2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0-1000微米的部分称为热红外线。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图像。

同一场景的热图像和可见光图像不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是表面温度分布图像。红外热成像使人眼不能直接看到表面温度分布，变成可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体，都会不停地发出热红外线。红外线(或热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射，它还具有两个重要的特性：(1)物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产、节约能源、保护环境等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。(2)大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3-5微米和8-14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。被动地接收目标的热辐射，通过光学成像系统聚焦到探测元件上进行光电转换，放大信号，数字化后，经图像技术处理，在屏幕上以伪色显示出场景温度场——热红外图像(热图、热像)。热图像色调的明暗决定于物体表面温度及辐射率。

候鸟是那些有迁徙行为的鸟类，它们每年春秋两季沿着固定的路线往返 于繁殖地和避寒地之间。在不同的地域，根据候鸟出现的时间，可以将候鸟分为夏候鸟、冬候鸟、旅鸟、漂鸟；本发明研究了的被动非制冷长波红外候鸟监测设备，采用被动红外技术，根据鸟类与背景(树木、湿地、湖泊等)温度差异探测出候鸟。其探测距离远，比可见光大3-6倍，扩大了监测范围，保护了候鸟繁殖地和栖息地；准全天候，白天和夜间都能工作，能够克服多雾等恶劣天气；没有电磁辐射和人工光照，对候鸟没有伤害和惊吓，更有利于候鸟观测；体积小、功能强、操作简单、便于携带等优点，适合于野外恶劣的环境工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种被动红外候鸟监测设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种被动红外候鸟监测设备，包括红外镜头、红外成像板、电源板、信号处理板和接口板，所述红外镜头固定在底座上，所述底座通过螺丝与红外成像板固定连接，所述红外成像板、电源板、信号处理板和接口板依次通过排针插口连接，所述电源板分别连接红外成像板、信号处理板、接口板，所述红外成像板双向连接信号处理板，所述信号处理板双向连接接口板，所述接口板通过以太网连接上位机。

优选的，所述红外成像板包括红外探测器、偏压电源模块、有源低通滤波模块和模拟采样点路，所述红外探测器、偏压电源模块分别连接电源板，所述偏压电源模块连接有源低通滤波模块，所述有源低通滤波模块连接红外探测器，所述模拟采样电路将红外探测器模拟输出经过一级运放、二级运放连接AD转换模块，所述AD转换模块连接信号处理板；所述AD转换模块连接射频变压器，所述射频变压器连接晶振。

优选的，所述信号处理板包括FPGA芯片，所述FPGA芯片连接电源板，所述FPGA芯片分别连接SRAM模块、FLASH模块、JTAG模块，所述FPGA芯片 分别通过以太网接口模块、DAC模块连接接口板。

优选的，所述接口板上设有CON3接口、RJ45接口、SMA接口，所述CON3接口连接电源适配器；所述RJ45接口连接上位机；所述SMA接口连接监视器。

优选的，所述红外镜头采用C型安装方式，F数为1，焦距40mm。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、系统上电后，等待40秒左右，待红外探测器温度稳定后进入成像阶段；

B、在成像阶段，受以太网命令控制，首先在探测器前遮挡一个温度均匀的高温黑体，发送“高温”命令，采集高温数据；然后在探测器前遮挡一个温度均匀的低温黑体，发送“低温”命令，采集低温数据；FPGA芯片计算非均匀校正的偏置系数、增益系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正；

C、两点非均匀校正后，随着时间的推移，红外探测器偏移越来越严重，此时可使用的单点修正，在探测器前遮挡一个温度均匀的黑体，发送“单点”命令，采集数据，FPGA芯片计算新的偏置系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用被动红外技术，根据鸟类与背景(树木、湿地、湖泊等)温度差异探测出候鸟。其探测距离远，比可见光大3-6倍，扩大了监测范围，保护了候鸟繁殖地和栖息地；准全天候，白天和夜间都能工作，能够克服多雾等恶劣天气；没有电磁辐射和人工光照，对候鸟没有伤害和惊吓，更有利于候鸟观测；同时还具有体积小、功能强、操作简单、便于携带等优点，适合于野外恶劣的环境工作。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的红外成像板原理框图；

图4为本发明的信号处理板原理框图；

图5为本发明的监控流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种被动红外候鸟监测设备，包括红外镜头1、红外成像板2、电源板3、信号处理板4和接口板5，红外镜头采用C型安装方式，F数为1，焦距40mm；所述红外镜头1固定在底座6上，所述底座6通过螺丝7与红外成像板2固定连接，所述红外成像板2、电源板3、信号处理板4和接口板5依次通过排针插口连接，所述电源板3分别连接红外成像板2、信号处理板4、接口板5，所述红外成像板2双向连接信号处理板4，所述信号处理板4双向连接接口板5，所述接口板5通过以太网连接上位机8；其中电源板为整个红外成像系统提供多种种类直流电压，并能为红外探测器提供温控能力；红外成像板：安装红外探测器，负责为红外探测器提供多路偏压信号，放大红外信号，红外模拟转化为数字信号；信号处理板：负责控制红外探测器工作状态，采集红外图像，进行非均匀校正、图像增强后，通过以太网发送红外图像至上位机，同时接收以太网命令；接口板：包含电源接口、以太网接口和视频接口等。

本实施例中，红外成像板2包括红外探测器9、偏压电源模块10、有源低通滤波模块11和模拟采样电路，所述红外探测器9、偏压电源模块10分别连接电源板3，所述偏压电源模块10连接有源低通滤波模块11，所述有源低通滤波模块11连接红外探测器9，所述模拟采样电路将红外探测器9模拟输出经过一 级运放12、二级运放13连接AD转换模块14，所述AD转换模块14连接信号处理板4，所述AD转换模块14连接射频变压器15，所述射频变压器15连接晶振16，其中，一级运放是高输入阻抗的射随运放，二级运放是可变增益的全差分运放，ADC芯片是一款输入2Vpp，16位，40MSPS高性能模数转换芯片；二级运放选用ADI公司的ADA4930。ADA4930是超低噪声、低失真、高速差分放大器，非常适合驱动分辨率最高16位、DC至70MHz的1.8V高性能ADC。可调输出共模电平使ADA4930能够与ADC的输入相匹配。

本实施例中，信号处理板4包括FPGA芯片17，所述FPGA芯片17连接电源板3，所述FPGA芯片17分别连接SRAM模块18、FLASH模块19、JTAG模块20，所述FPGA芯片17分别通过以太网接口模块21、DAC模块22连接接口板5；信号处理板主要控制红外探测器工作状态，采集红外图像，再经过非均匀校正、图像增强后，通过以太网发送红外图像至上位机，同时接收以太网命令；信号处理板中FPGA芯片接收到数字红外图像，经过内部非均匀校正、图像增强之后，红外图像才能清晰可见，处理后的图像按照PAL制式时序经过DAC生成模拟视频输出，同时处理后的图像经W5300实现以太网输出。通过以太网控制红外成像仪状态。SRAM是静态随机存储器，用于存储非均匀校正系数。

本实施例中，接口板5上设有CON3接口23、RJ45接口24、SMA接口25，所述CON3接口23连接电源适配器；所述RJ45接口24连接上位机；所述SMA接口25连接监视器。

本发明中的关键算法包括红外成像过程中的非均匀校正和图像增强，这些算法均在信号处理板处理器FPGA中实现。

非均匀校正的温度定标校正算法：

红外探测器焦平面的各单元对辐射有一定的热响应，但它们之间的响应没有一定的关系，且这些单元的响应率为非线性的。当采集的图像温度相差不大时，通常的校正方法假定焦平面单元的响应为线性的，即

Y_ij＝G_ijX_ij+Q_ij

式中X_ij为第(i，j)个焦平面单元的输入信号，G_ij、Q_ij为校正系数，Y_ij为第(i，j)点校正后图像。

单点校正(修正)算法

设在某一黑体温度下，测得探测器第(i，j)单元的响应为X_ij。首先，对焦平面所有单元的输出信号X_ij进行平均，得

X^p _ij＝∑X_ij/N

式中N为焦平面单元总数。

然后，任一焦平面单元的信号输出与焦平面单元的平均输出信号的差值为

ΔX_ij＝X_ij-X^p _ij

最后，校正后的任一单元的信号输出

X’_ij＝X_ij-ΔX_ij

该算法实质上只对探测元偏差作了补偿，未对增益作校正，因而当目标的辐射照度偏离定标点时，空间噪声很大，校正范围很小，经常用在克服“温漂”现象上。

两点校正算法：

两点法的定标是在光路中插入一均匀辐射的黑体，根据系统的动态范围，取两个不同温度的均匀黑体，通过各阵列元对高温和低温下均匀黑体辐射的响应计算出校正增益和偏移量和，从而实现非均匀性校正。

两点校正方法具体如下：

A、在黑体温度为T₁时，测得探测器各单元的响应。采集M帧的图像数据，第m帧(i，j)单元的响应记为X^T1 _ijm，X^T1 _ij＝∑X^T1 _ijm/M，即为单元T₁的响应。

B、在黑体温度为T₂时，测得探测器各单元的响应X^T2 _ij。

C、计算各单元的校正系数。

在考虑动态范围的情况下，为T₁和T₂制定两个标准响应值Y^T1、Y^T2。在这里用图像的均值来作为Y^T1、Y^T2，即当图像大小为m×n时，Y^T1＝∑X^T1 _ij/(m×n)，同样可以得到Y^T2。然后，计算各单元的校正系数。

Y^T1＝G_ijX^T1 _ij+Q_ij

Y^T2＝G_ijX^T2 _ij+Q_ij

根据方程即可计算出系数：

G_ij＝[Y^T2-Y^T1]/[∑X^T2 _ij-∑X^T1 _ij]

Q_ij＝Y^T1-G_ijX^T1 _ij

D、在系统工作时进行实时校正

Y_ij＝G_ijX_ij+Q_ij

多点定标分段校正算法：

多点定标分段校正算法的提出是为了更好地逼近实际的辐射计的响应情况，它将其响应分成许多段，在每一段内采用两点定标分段校正算法，因此它对辐射计的响应的非线性进行补偿，能够更好的改善图像的质量。

公式中G_ij、Q_ij都是浮点数，由于在硬件系统中使用的处理芯片只支持定点运算，所以要将浮点数ΔX_ij、G_ij、Q_ij转化为定点数ΔX’_ij、G’_ij、Q’_ij。采用一个尺度变换的方法，把浮点G_ij线性映射为16位的定点G’_ij(位数越多，精度越高)。ΔX_ij的处理手段同G_ij的处理方法。由于Q_ij对结果影响不大，这里直接取它的整数部分，得到Q_ij。

对于一个固定的红外焦平面，校正系数都可以通过计算并确定下来，在以后的运算过程中，校正参数都不会改变。“两点校正+单点修正”算法是适合系统环境的，而且运算量不大，能够实时处理。校正后，基本上能够校掉空间噪声或固定图案噪声。由此作为算法分割的依据。

A、系统上电后，等待40秒左右，待红外探测器温度稳定后进入成像阶段；

B、在成像阶段，受以太网命令控制，首先在探测器前遮挡一个温度均匀的高温黑体，发送“高温”命令，采集高温数据；然后在探测器前遮挡一个温度均匀的低温黑体，发送“低温”命令，采集低温数据；FPGA芯片计算非均匀校正的偏置系数、增益系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正；

C、两点非均匀校正后，随着时间的推移，红外探测器偏移越来越严重，此时可使用的单点修正，在探测器前遮挡一个温度均匀的黑体，发送“单点”命令，采集数据，FPGA芯片计算新的偏置系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正。

图像增强算法：

图像的直方图反映了一幅图像中每个灰度值出现的概率。假设数字图像f，其图像灰度范围为i∈[0.M]，则它的直方图为：

式中N_i表示在f图像中灰度为i的像素个数，∑N_i为图像f总的像素个数。不难得出：

图像的直方图可以反映出自身的特点。对比度较小的图像的灰度直方图在灰度轴上较小的一段区间上非零；较暗的图像在直方图上主体分布在低灰度值区间，在高灰度区间上的幅度很小或为零；较亮的图像恰好相反，其灰度主要分布在高灰度区间；看起来清晰柔和的图像的直方图分布比较均匀。

由图可见，红外热图像直方图具有以下特点：

红外图像相对于可见光图像有以下特点：

a)像素灰度值动态范围不大，很少充满整个灰度级空间。

b)绝大部分像素集中在某些相邻的灰度级范围，之外的灰度只有很少的像素。

c)红外图像直方图有明显的单峰或者双峰出现。

为了改善红外成像的视觉效果，需要在系统中加入AGC，能够增强图像中的有用信息、抑制无用信息。

红外图像的目标灰度往往集中在整个图像动态范围内较窄的区间，而其他灰度区间则不包含有效信息。所以可以采用分段线性变换实现对比度增强。

分段线性变换的表达式为

式中k、f₁和f₂称为自动增益控制系数。

可以看出，灰度区间[f₁，f₂]被拉伸，对比度得到了增强；而剩下的区间被压缩成0或者1。线性变换的本质就是通过把较窄的目标灰度区间展宽，同时图像对比度加大，图像中的线和边缘特征也得到了加强。

分段线性变换的关键在于灰度分段区间的选择，分段区间的选择直接决定了图像增强和削弱的区域。最简单的方法就是利用红外图像的直方图分布特点，选取固定的比例点作为分段点。

本发明采用被动红外技术，根据鸟类与背景(树木、湿地、湖泊等)温度差异探测出候鸟。其探测距离远，比可见光大3-6倍，扩大了监测范围，保护了候鸟繁殖地和栖息地；准全天候，白天和夜间都能工作，能够克服多雾等恶劣天气；没有电磁辐射和人工光照，对候鸟没有伤害和惊吓，更有利于候鸟观测；同时还具有体积小、功能强、操作简单、便于携带等优点，适合于野外恶劣的环境工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种被动红外候鸟监测设备，包括红外镜头、红外成像板、电源板、信号处理板和接口板，其特征在于：所述红外镜头固定在底座上，所述底座通过螺丝与红外成像板固定连接，所述红外成像板、电源板、信号处理板和接口板依次通过排针插口连接，所述电源板分别连接红外成像板、信号处理板、接口板，所述红外成像板双向连接信号处理板，所述信号处理板双向连接接口板，所述接口板通过以太网连接上位机。

2.根据权利要求1所述的一种被动红外候鸟监测设备，其特征在于：所述红外成像板包括红外探测器、偏压电源模块、有源低通滤波模块和模拟采样点路，所述红外探测器、偏压电源模块分别连接电源板，所述偏压电源模块连接有源低通滤波模块，所述有源低通滤波模块连接红外探测器，所述模拟采样电路将红外探测器模拟输出经过一级运放、二级运放连接AD转换模块，所述AD转换模块连接信号处理板；所述AD转换模块连接射频变压器，所述射频变压器连接晶振。

3.根据权利要求1所述的一种被动红外候鸟监测设备，其特征在于：所述信号处理板包括FPGA芯片，所述FPGA芯片连接电源板，所述FPGA芯片分别连接SRAM模块、FLASH模块、JTAG模块，所述FPGA芯片分别通过以太网接口模块、DAC模块连接接口板。

4.根据权利要求1所述的一种被动红外候鸟监测设备，其特征在于：所述接口板上设有CON3接口、RJ45接口、SMA接口，所述CON3接口连接电源适配器；所述RJ45接口连接上位机；所述SMA接口连接监视器。

5.根据权利要求1所述的一种被动红外候鸟监测设备，其特征在于：所述红外镜头采用C型安装方式，F数为1，焦距40mm。

6.实现权利要求1所述的一种被动红外候鸟监测设备的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

A、系统上电后，等待40秒左右，待红外探测器温度稳定后进入成像阶段；

B、在成像阶段，受以太网命令控制，首先在探测器前遮挡一个温度均匀的高温黑体，发送“高温”命令，采集高温数据；然后在探测器前遮挡一个温度均匀的低温黑体，发送“低温”命令，采集低温数据；FPGA芯片计算非均匀校正的偏置系数、增益系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正；

C、两点非均匀校正后，随着时间的推移，红外探测器偏移越来越严重，此时可使用的单点修正，在探测器前遮挡一个温度均匀的黑体，发送“单点”命令，采集数据，FPGA芯片计算新的偏置系数，存入SRAM模块；最后从SRAM读取系统，对实时图像进行非均匀校正。