CN109959455A - 一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置及方法。包括成像窗口、成像平面和单像素红外传感器扫描成像装置。成像窗口由透光孔和红外散射玻璃组成，单像素红外传感器扫描成像装置中的红外传感器在平面移动装置的驱动下进行探测成像，在一个与红外散射玻璃平行的成像平面内二维扫描投影图像；扫描获得的图像通过散射成像的成像转换矩阵求解原二维物体平面的温度分布信息，进而得到红外静态目标的热像图。本发明用红外散射玻璃替代红外透镜镜头，并且采用单像素红外传感器来获取静态物体的温度信息，具有硬件结构简单、制作成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及静态目标红外热成像领域，特别涉及一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置及方法。
背景技术
所有高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射。红外热成像仪能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，被广泛应用在消防、警装、工业生产、监控巡逻等领域。
红外热成像仪主要包括用于接收和汇聚被测物体发射的红外辐射的红外镜头、用于将热辐射信号变成电信号的红外探测器组件、用于对电信号进行处理电子组件、用于将电信号转变成可见光图像的显示组件以及用于处理采集到的温度数据并转化成温度读数和图像的处理器。
其中最核心的部件是红外探测器，而市场上的热成像仪为了满足对动态物体的图像捕获能力，采用高像素的探测器，包含大量单位探测元，因此价格高昂。但对于那些对检测速度要求较低的静态目标而言过于浪费。
红外热成像仪中的红外镜头往往需要根据仪器进行定制且要能达到透过红外线、滤除可见光功能，因此镜头价格较高。
发明内容
为了解决背景技术中红外热成像仪价格昂贵的问题，本发明为静态红外目标的热成像检测提供了一种新型的基于无透镜成像窗口单像素扫描成像装置及方法，硬件结构简单、易获得，从而大大降低红外热成像仪成本。
本发明的技术方案如下：
一、一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置
本发明包括成像窗口、成像平面和单像素红外传感器扫描成像装置，成像窗口前方放置有物体，成像窗口后方为成像平面，物体的被测平面与成像平面均与成像窗口相平行，单像素红外传感器扫描成像装置设于成像平面后方用于扫描成像平面。
所述成像窗口主要由透光孔和红外散射玻璃组成，所述透光孔由不透光材料中间镂空后形成，不透光材料背面紧贴有红外散射玻璃且红外散射玻璃完全覆盖透光孔，红外散射玻璃用于使物体辐射的红外线发生散射。
所述不透光材料采用黑胶或黑色布料。
通过调整成像平面与成像窗口的距离以获得清晰的投影图像。
所述的单像素红外传感器扫描成像装置包括平面运动装置和红外传感器，平面运动装置主要由步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、运动导轨X、运动导轨Y和夹片组成，运动导轨X和运动导轨Y上分别安装有步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ，运动导轨Y沿成像平面的竖直轴布置且固定于成像平面的侧方，运动导轨X沿成像平面的水平轴布置且其端部通过步进电机Ⅱ的输出轴与运动导轨Y相连，运动导轨X在步进电机Ⅱ的带动下沿运动导轨Y上下移动，步进电机Ⅰ的输出轴与固定有红外传感器的夹片相连，步进电机Ⅰ通过带动夹片的左右移动来带动红外传感器的运动，从而实现红外传感器对整个成像平面的扫描。
二、一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像方法
包括以下步骤：
S1：物体被测平面辐射的红外线经过成像窗口的散射作用在成像平面上显示物体的投影图像；
所述的步骤S1具体为：将物体的被测平面划分为均匀网格，每个网格代表一个系统可分辨的最小尺寸单源，物体的最终投影图像来源于每个最小尺寸单源辐射的红外线在成像平面处得到的投影图像的线性组合。
S2：使用红外传感器逐像素扫描成像平面上的投影图像，获得投影图像中各个像素点的温度值信息，温度值信息通过与红外传感器相连的数字处理电路传输至PC端并记录每个像素点的数据；
S3：PC端根据温度值信息及成像转换矩阵求解物体被测平面的强度值，从而绘制出物体的热像图。
所述步骤S3具体为：根据投影图像中各个像素点的温度值信息以及成像转换矩阵求解被测平面上所有最小尺寸单源的红外线强度值，从而绘制出物体的热像图；所述的求解被测平面上所有最小尺寸单源的红外线强度值的计算公式如下：
||B||＝H||A||
其中，H为成像转换矩阵，向量B为投影图像中所有像素点的温度值，向量A为物体的被测平面上所有最小尺寸单源辐射的红外线强度值。
所述成像转换矩阵为被测平面上所有单位校准点源在成像平面上的点扩散函数的线性组合；所述单位校准点源为已知温度的系统可分辨的最小尺寸单源；所述的成像转换矩阵的获取方法如下：设定被测平面中心的单位校准点源为标定源，测量标定源在成像平面上的点扩散函数，根据移动不变性原则，通过网格中其余单位校准点源与标定源的位置关系即得网格中其余单位校准点源的点扩散函数，将被测平面上所有单位校准点源的点扩散函数组合后得到成像转换矩阵。
所述移动不变性原则为：当单位校准点源在深度相同的被测平面上移动时，在通过相同成像窗口散射后得到的投影图像仅在成像平面上发生平移，投影图像内容保持不变，且投影图像在成像平面上平移的距离与被测平面上单位校准点源移动的距离成正比。
本发明的有益效果是：
本发明不同于传统的红外热成像仪采用红外透镜汇聚成像，而是采用普通的红外散射玻璃使红外线发生散射，并通过构建散射的成像转换矩阵，将获得的数据转换回被测二维物体的温度分布信息，通过该算法简化硬件的复杂度，降低制作成本，并使结构更加紧凑。
本发明针对静态红外目标成像，因此采用单像素扫描的方式替代高像素、多单元探测器结构，在满足测量时间需求的情况下降低成本。
附图说明
图1是本发明装置中各部件的相对位置示意图。
图2是本发明的无透镜成像窗口示意图。
图3是本发明单像素红外传感器扫描成像装置示意图。
图4是本发明红外传感器运动轨迹示意图。
图5是移动不变性原理示意图。
图中：物体(1)、红外散射玻璃(2)、不透光材料(3)、投影图像(4)、成像平面(5)、单像素红外传感器扫描成像装置(6)、运动导轨X(7)、运动导轨Y(8)、步进电机Ⅰ(9)、步进电机Ⅱ(10)、红外传感器(11)、夹片(12)、单位校准点源(13)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括成像窗口、成像平面5和单像素红外传感器扫描成像装置6，成像窗口前方放置有物体1，成像窗口后方为成像平面5，物体1的被测平面与成像平面5均与成像窗口相平行，单像素红外传感器扫描成像装置6设于成像平面5后方用于扫描成像平面5。
如图2所示，无透镜成像窗口由红外散射玻璃2和透光孔组成，透光孔由挡光多层黑胶中间镂空后形成，黑胶背面紧贴有红外散射玻璃2且红外散射玻璃2完全覆盖透光孔。成像窗口与成像平面5之间的距离d可通过多次成像实验进行调整，使得成像最清晰，为提高仪器适用范围，可选定较平均的d值，在d值固定的情况下，实际测量过程中通过调整被测物体1与成像窗口的距离来获得较清晰图像。
如图3所示，单像素红外传感器扫描成像装置6包括平面运动装置和红外传感器11，平面运动装置主要由步进电机Ⅰ9、步进电机Ⅱ10、运动导轨X7、运动导轨Y8和夹片12组成，运动导轨X7和运动导轨Y8上分别安装有步进电机Ⅰ9和型号SM1069的微型两相四线步进电机Ⅱ10，运动导轨Y8沿成像平面5的竖直轴布置且固定于成像平面5的侧方，运动导轨X7沿成像平面5的水平轴布置且其端部通过步进电机Ⅱ10的输出轴与运动导轨Y8相连，运动导轨X7在步进电机Ⅱ10的带动下沿运动导轨Y8上下移动，步进电机Ⅰ9的输出轴与固定有型号为GY-906的红外传感器11的夹片12相连，步进电机Ⅰ9通过带动夹片12的左右移动来带动红外传感器11的运动，从而实现红外传感器11对整个成像平面5的扫描；红外传感器11单步运动的距离取决于步进电机Ⅰ9转动的角度，红外传感器每移动一个位置，读取成像平面上一个像素的值，红外传感器扫描路径如图4所示。
本发明的静态红外目标扫描成像方法的具体实施方式如下：
S1：将物体1的被测平面划分成m(m为q*q)个均匀网格，每个网格代表一个系统可分辨的最小尺寸单源，物体1发出的红外线经过成像窗口的散射，在成像平面5上可获得对应的投影图像4。
投影图像4上的这组数据并非能直接反映被测物体1的热分布，而需要通过一种点光源校验的方法获得成像窗口的散射关系，从而构建出成像转换矩阵来重建被测二维物体的热分布信息。
其中，被测物体1辐射的红外线的散射程度取决于红外散射玻璃3和透光孔的共同作用。
S2：使用红外传感器11逐像素扫描成像平面5上的投影图像4，获得投影图像4中各个像素点的温度值信息，温度值信息通过与红外传感器11相连的AVR单片机传回PC端，待读取完成后即可获得矩阵B；
S3：根据矩阵B及校准过程中已建立的成像转换矩阵H恢复出矩阵A，从而绘制出被测物体的表面温度分布图。
通过矩阵运算得到A的计算公式如下：
|B|＝H|A|
其中，B为在成像平面上通过红外传感器扫描获得的温度值的矢量，记传感器扫描平面被分为n个单元(n为p*p)，则B的维度为n*1；A为被测平面上m个点对于校准过程中最小尺寸单源温度的相对强度，矩阵A的维度m*1；H为成像矩阵，维度为n*m，每列代表一个最小尺寸单源的点扩散函数信息，行数代表被测平面被分割的区域数m。
其中，要获得成像转换矩阵H，理论上需要在校准过程中对被测平面上m个点处分别单独放置的相同温度的单位校准点源分别进行点扩散函数的测量，单位校准点源为已知温度的系统可分辨的最小尺寸单源。
每个最小尺寸单源发出的红外线都会在成像平面6处获得一组特定的数据，该数据为最小尺寸单源对应的成像平面6上的投影图像4中的所有像素点的温度值，该对应关系称为点扩散函数；假设划分后被测平面上的各个最小尺寸单源不相干，则成像平面5上最终获得的投影图像4可表示为被测平面上所有最小尺寸单源对应的点扩散函数的线性组合。
记h(x′,y′；x,y)为空间传递函数，计算公式如下：
h(x′,y′；x,y)为被测平面上(x,y)位置处的单位校准点源在成像平面上(x′,y′)位置处的温度值；(x,y)表示单位校准点源在被测平面坐标系上的坐标，被测平面坐标系为以被测平面中心点(0,0)为原点建立的坐标系；(x′,y′)表示单位校准点源在成像平面上所对应的像素点在成像平面坐标系上的坐标，成像平面坐标系为以成像平面的中心点(0,0)为原点建立的坐标系；一旦(x,y)值被确定为(x0,y0)，则h(x',y'；x0,y0)即为(x0,y0)的点扩散函数；b(x′,y′)表示被测物体辐射出的红外线经散射后在成像平面的(x′,y′)处所测温度值，a(x,y)表示被测物体(x,y)位置处温度较校准时单位校准点源辐射红外线的相对强度。
测量每一个h(x′,y′；x,y)操作过于复杂。因此，如图5所示，基于移动不变性原理：当单位校准点源13在深度不变的平面上移动时，其通过相同成像窗口散射后得到的投影图像4仅在成像平面5上发生平移，而保持投影图像4内容不变，投影图像4在成像平面5上平移的距离与被测平面上单位校准点源13移动的距离成正比：被测平面上移动(Δx,Δy)，将导致成像平面5上投影图像4整体移动(pΔx,pΔy)。记h(x′,y′；0,0)是中间轴上的单位校准点源13的点扩散函数，则由前可知，非中间轴上的单位校准点源13的点扩散函数可表示为h(x′,y′；x,y)＝h(x′+px,y′+py；0,0)。因此，在校准过程中我们只需要测量中心轴上单位校准点源13的点扩散函数h(x′,y′；0,0)即可拓展出其他单位校准点源13的点扩散函数，从而得到整个矩阵H:H＝[h1,h2,h3,……hm]。
Claims (7)
1.一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置，其特征在于：包括成像窗口、成像平面(5)和单像素红外传感器扫描成像装置(6)，成像窗口前方放置有物体(1)，成像窗口后方为成像平面(5)，物体(1)的被测平面与成像平面(5)均与成像窗口相平行，单像素红外传感器扫描成像装置(6)设于成像平面(5)后方用于扫描成像平面(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置，其特征在于：所述成像窗口主要由透光孔和红外散射玻璃(2)组成，所述透光孔由不透光材料(3)中间镂空后形成，不透光材料(3)背面紧贴有红外散射玻璃(2)且红外散射玻璃(2)完全覆盖透光孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像装置，其特征在于：所述的单像素红外传感器扫描成像装置(6)包括平面运动装置和红外传感器(11)，平面运动装置主要由步进电机Ⅰ(9)、步进电机Ⅱ(10)、运动导轨X(7)、运动导轨Y(8)和夹片(12)组成，运动导轨X(7)和运动导轨Y(8)上分别安装有步进电机Ⅰ(9)和步进电机Ⅱ(10)，运动导轨Y(8)沿成像平面(5)的竖直轴布置且固定于成像平面(5)的侧方，运动导轨X(7)沿成像平面(5)的水平轴布置且其端部通过步进电机Ⅱ(10)的输出轴与运动导轨Y(8)相连，运动导轨X(7)在步进电机Ⅱ(10)的带动下沿运动导轨Y(8)上下移动，步进电机Ⅰ(9)的输出轴与固定有红外传感器(11)的夹片(12)相连，步进电机Ⅰ(9)通过带动夹片(12)的左右移动来带动红外传感器(11)的运动，从而实现红外传感器(11)对整个成像平面(5)的扫描。
4.采用权利要求1～3任一所述装置的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：物体(1)被测平面辐射的红外线经过成像窗口的散射作用在成像平面(5)上显示物体(1)的投影图像(4)；
S2：使用红外传感器(11)逐像素扫描成像平面(5)上的投影图像(4)，获得投影图像(4)中各个像素点的温度值信息，温度值信息通过与红外传感器(11)相连的数字处理电路传输至PC端；
S3：PC端根据温度值信息及成像转换矩阵求解物体(1)被测平面的强度值，从而绘制出物体(1)的热像图。
5.根据权利要求4所述的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像方法，其特征在于：所述的步骤S1具体为：将物体(1)的被测平面划分为均匀网格，每个网格代表一个系统可分辨的最小尺寸单源，物体(1)的最终投影图像来源于每个最小尺寸单源辐射的红外线在成像平面(6)处得到的投影图像(4)的线性组合。
6.根据权利要求5所述的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：根据投影图像(4)中各个像素点的温度值信息以及成像转换矩阵求解被测平面上所有最小尺寸单源的红外线强度值，从而绘制出物体(1)的热像图；
所述的求解被测平面上所有最小尺寸单源的红外线强度值的计算公式如下：
||B||＝H||A||
其中，H为成像转换矩阵，向量B为投影图像(4)中所有像素点的温度值，向量A为物体(1)的被测平面上所有最小尺寸单源辐射的红外线强度值。
7.根据权利要求5和6所述的一种基于无透镜的静态红外目标扫描成像方法，其特征在于：所述成像转换矩阵为被测平面上所有单位校准点源在成像平面(5)上的点扩散函数的线性组合，所述单位校准点源为已知温度的系统可分辨的最小尺寸单源；
所述的成像转换矩阵的获取方法如下：设定被测平面中心的单位校准点源为标定源，测量标定源在成像平面(5)上的点扩散函数，根据移动不变性原则，通过网格中其余单位校准点源与标定源的位置关系即得网格中其余单位校准点源的点扩散函数，将被测平面上所有单位校准点源的点扩散函数组合后得到成像转换矩阵。
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