CN201653553U - 一种红外周视成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种红外周视成像装置，红外焦平面热像仪固定在转台边缘上，该装置包括光学补偿单元和控制信号产生单元，光学补偿单元位于转台中心，目标物体发出的红外辐射光线经过光学补偿单元反射后进入红外焦平面热像仪，光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动，使红外焦平面热像仪在积分时间内持续收到目标物体发出的红外辐射光线。本实用新型采用了结构相对简单的回扫反射摆镜作为光学补偿单元，延长目标物体红外辐射在探测器焦平面上的驻留时间，使红外焦平面热像仪有足够长的积分时间以成清晰的图像。
Description
技术领域
本实用新型涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种红外周视成像装置。
背景技术
红外焦平面热像仪是一种探测目标的红外辐射并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的红外辐射反映出的温度分布转换成视频图像的设备。焦平面探测器是红外焦平面热像仪的重要组件之一，其焦平面上排列着感光元件阵列。在无限远处的目标物体发射的红外辐射光线经过光学系统被采集到焦平面上的这些感光元件阵列上，焦平面探测器再将接收到的光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。
如图1所示，红外焦平面热像仪1安装于转台3之上，与转台3匀速同步顺时针转动，转台3的转速为360度/秒，目标物体发出的红外辐射需要在探测器焦平面上保持一段时间，以保证焦平面探测器有足够的积分时间将光信号转换成电信号。按照视频显示标准，转台3每转动360度，红外焦平面热像仪1需成像50帧，即每1帧的成像时间为20毫秒，其中4毫秒为焦平面探测器的积分时间。现有技术通常不能保证这4毫秒的积分时间，导致最终成像模糊。目前，还没有能够很好的解决这个问题的公知技术。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种红外周视成像装置，使目标物体发出的红外辐射能够在探测器焦平面上保持一定的时间，以保证焦平面探测器有足够的积分时间将光信号转换成电信号，从而提高成像的清晰度。
本实用新型采用的技术方案是，所述红外周视成像装置，红外焦平面热像仪固定在转台边缘上，该装置还包括光学补偿单元和控制信号产生单元，光学补偿单元位于转台中心，目标物体发出的红外辐射光线经过光学补偿单元反射后进入红外焦平面热像仪，光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动，使红外焦平面热像仪在积分时间内持续收到目标物体发出的红外辐射光线。
所述控制信号产生单元包括上位计算机、数字控制信号产生模块、数模转换模块、运算放大模块和电源模块，其中：
上位计算机将串口指令发送给数字控制信号产生模块，数字控制信号产生模块根据串口指令生成数字控制信号发送给数模转换模块，数模转换模块产生差分模拟信号发送给运算放大模块，运算放大模块根据差分模拟信号输出对应的锯齿波；
电源模块为数字控制信号产生模块、数模转换模块和运算放大模块供电。
所述串口指令包括锯齿波的斜率、起始位置、结束位置、斜率大小和方向；
所述串口指令进一步包括同步信号，数字控制信号产生模块根据同步信号使所产生的锯齿波周期与红外焦平面热像仪的成像时间相匹配，且锯齿波周期内的电压上升时间与红外焦平面热像仪的积分时间相匹配。
所述电源模块包括直流隔离电源和电荷泵反转器，直流隔离电源为数字控制信号产生模块和数模转换模块供电，直流隔离电源输出的和经过电荷泵反转器的输出电压分别作为运算放大器的输入电压。
所述数字控制信号产生模块采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现。
所述光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动包括：
所述转台以第一速度转动时，所述光学补偿单元在红外焦平面热像仪的积分时间内以第一速度的一半向相反方向同轴转动，并在一帧成像时间结束之前恢复与红外焦平面热像仪的初始相对位置。
所述光学补偿单元为回扫反射摆镜，所述回扫反射摆镜包括摆镜电机、侍服驱动电路和动态电源，其中：
所述侍服驱动电路一方面接收所述控制信号产生单元发来的控制信号，另一方面计算出回扫反射摆镜相对于初始位置的角度位移对应的电压，由所述控制信号电压与所述角度位移对应的电压相减确定出电压差；
所述侍服驱动电路通过驱动摆镜电机旋转将所述电压差降为零；
所述动态电源为摆镜电机和侍服驱动电路供电。
所述回扫反射摆镜采用汉华环球公司的HC系列高速光学扫描系统。
采用上述技术方案，本实用新型至少具有下列优点：
本实用新型所述红外周视成像装置，红外焦平面热像仪固定在转台边缘上，该装置包括光学补偿单元和控制信号产生单元，光学补偿单元位于转台中心，目标物体发出的红外辐射光线经过光学补偿单元反射后进入红外焦平面热像仪，光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动，使红外焦平面热像仪在积分时间内持续收到目标物体发出的红外辐射光线。本实用新型采用了结构相对简单的回扫反射摆镜作为光学补偿单元，延长目标物体红外辐射在探测器焦平面上的驻留时间，使红外焦平面热像仪有足够长的积分时间以成清晰的图像。
附图说明
图1为现有技术中红外焦平面热像仪使用状态示意图；
图2为本实用新型所述红外周视成像装置组成及使用状态示意图；
图3为本实用新型所述控制信号产生单元组成示意图；
图4为本实用新型所述回扫反射摆镜电路组成示意图；
图5(a)、(b)分别为本实用新型所述锯齿波控制信号周期、红外焦平面热像仪成像周期示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型提出的所述红外周视成像装置，详细说明如后。
本实用新型的一个具体施例，如图2所示，一种红外周视成像装置，红外焦平面热像仪1固定在转台3边缘上，该装置还包括回扫反射摆镜2和控制信号产生单元，回扫反射摆镜2位于转台3中心，目标物体发出的红外辐射光线经过回扫反射摆镜2反射后进入红外焦平面热像仪1。
如图3所示，控制信号产生单元包括上位计算机、数字控制信号产生模块、数模转换器、运算放大器、直流隔离电源和电荷泵反转器，其中：上位计算机将串口指令发送给数字控制信号产生模块，该串口指令协议格式如表1所示：
表1 串口指令协议格式
| 名称 | 字节数 | 内容 |
| 报头 | 2字节 | 同步信号，使锯齿波周期与热像仪成像周期同步，且锯齿波周期内的电压上升时间与红外焦平面热像仪的积分时间相匹配 |
| 指令位 | 1字节 | 代表该串口指令种类，包括控制锯齿波起始位置、结束位置、斜率大小和斜率方向的串口指令 |
| 数据位 | 1字节 | 配合指令位使用，填写锯齿波起始位置、结束位置、斜率大小、斜率方向的具体数值 |
| 校验位 | 1字节 | 前面所有数据的和取低8位，用于校验该串口指令的有效性 |
注：协议中所使用的数据均为16进制，且1个字母代表16进制的1个数字。
数字控制信号产生模块根据串口指令生成数字控制信号发送给数模转换器，数模转换器产生差分模拟信号发送给运算放大器，运算放大器根据差分模拟信号输出所需的锯齿波控制信号。锯齿波的波形示意图如图5(a)所示，红外焦平面热像仪成像周期示意图如图5(b)所示，从两幅图中还能看出锯齿波周期与红外焦平面热像仪成像周期之间的关系。
数字控制信号产生模块可以采用FPGA实现。
回扫反射摆镜2在控制信号产生单元生成的锯齿波控制信号的作用下与转台3以不同的速度和方向同轴转动，具体的，当转台3以360度/秒逆时针转动时，回扫反射摆镜2在红外焦平面热像仪1在积分时间内以180度/秒顺时针转动，按照视频显示标准，转台3每转动360度，红外焦平面热像仪1需成像50帧，即每1帧的成像时间为20毫秒，其中4毫秒为探测器的积分时间。在锯齿波上升沿的起点回扫反射摆镜2开始回扫，由于反射光线转过的角度为法线转过角度的2倍，所以回扫反射摆镜2的速度大小只需设为转台3速度的1/2，即可通过光学补偿，使同一目标物体发出的红外辐射在探测器的积分时间4毫秒内相对固定的入射到探测器焦平面上，从而使红外焦平面热像仪1有足够的积分时间可以完成清晰成像。
如图5(a)所示，在锯齿波一个周期内的上升沿终点即电压为0.36V时，回扫反射摆镜2停止回扫并开始复位，速度方向为逆时针，速度大小为180度×4/16＝45度/秒。复位过程中对回扫反射摆镜2的速度没有严格要求，但为了便于控制，将其设置为匀速过程。
回扫反射摆镜2可以采用汉华环球公司的HC系列高速光学扫描系统，如图4所示，该系统包括摆镜电机、侍服驱动电路和动态电源，其工作原理如下：
侍服驱动电路一方面接收控制信号产生单元发来的锯齿波控制信号，
侍服驱动电路另一方面需要计算出回扫反射摆镜2相对于初始位置的角度位移对应的电压，由控制信号电压与该角度位移对应的电压相减得到输入电压差，侍服驱动电路通过驱动摆镜电机旋转将输入电压差降为零。动态电源为摆镜电机和侍服驱动电路供电。
假设目标物体固定位于转台的正下方，回扫反射摆镜2的初始位置为与反射的红外辐射光线呈45度的位置，如图2所示，此时该位置称为中心，输入电压差与回扫反射摆镜位置的关系如下：
输入电压差＝-10V，位置＝逆时针满角度；
输入电压差＝0V，位置＝中心；
输入电压差＝+10V，位置＝顺时针满角度。
电压角度输出比例因子为：0.5V/度，即，当回扫反射摆镜2在中心位置时，锯齿波振幅为0.5V时，回扫反射摆镜2应顺时针转过1度。
直流隔离电源为数字控制信号产生模块和数模转换器提供+3.3V的工作电压，直流隔离电源输出的+3.3V和经过电荷泵反转器的输出电压-3.3V分别作为运算放大器的输入电压。
本实用新型所述装置能够对红外焦平面热像仪在做360度水平转动成像进行光学补偿，以使热像仪有足够的积分时间成清晰图像，解决了凝视型热像仪周视成像过程中由于运动造成的图像模糊问题。采用了结构相对简单的回扫反射摆镜并为其设计了一套简易的控制电路，实现成本较低。
通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。
Claims (8)
1.一种红外周视成像装置，红外焦平面热像仪固定在转台边缘上，其特征在于，该装置还包括光学补偿单元和控制信号产生单元，光学补偿单元位于转台中心，目标物体发出的红外辐射光线经过光学补偿单元反射后进入红外焦平面热像仪，光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动，使红外焦平面热像仪在积分时间内持续收到目标物体发出的红外辐射光线。
2.根据权利要求1所述红外周视成像装置，其特征在于，所述控制信号产生单元包括上位计算机、数字控制信号产生模块、数模转换模块、运算放大模块和电源模块，其中：
上位计算机将串口指令发送给数字控制信号产生模块，数字控制信号产生模块根据串口指令生成数字控制信号发送给数模转换模块，数模转换模块产生差分模拟信号发送给运算放大模块，运算放大模块根据差分模拟信号输出对应的锯齿波；
电源模块为数字控制信号产生模块、数模转换模块和运算放大模块供电。
3.根据权利要求2所述红外周视成像装置，其特征在于，所述串口指令包括锯齿波的斜率、起始位置、结束位置、斜率大小和方向；
所述串口指令进一步包括同步信号，数字控制信号产生模块根据同步信号使所产生的锯齿波周期与红外焦平面热像仪的成像时间相匹配，且锯齿波周期内的电压上升时间与红外焦平面热像仪的积分时间相匹配。
4.根据权利要求1或2或3所述红外周视成像装置，其特征在于，所述电源模块包括直流隔离电源和电荷泵反转器，直流隔离电源为数字控制信号产生模块和数模转换模块供电，直流隔离电源输出的和经过电荷泵反转器的输出电压分别作为运算放大器的输入电压。
5.根据权利要求2或3所述红外周视成像装置，其特征在于，所述数字控制信号产生模块采用现场可编程门阵列FPGA实现。
6.根据权利要求1所述红外周视成像装置，其特征在于，所述光学补偿单元在控制信号产生单元生成的控制信号的作用下与转台以不同的速度和方向同轴转动包括：
所述转台以第一速度转动时，所述光学补偿单元在红外焦平面热像仪的积分时间内以第一速度的一半向相反方向同轴转动，并在一帧成像时间结束之前恢复与红外焦平面热像仪的初始相对位置。
7.根据权利要求1或2或3或6所述红外周视成像装置，其特征在于，所述光学补偿单元为回扫反射摆镜，所述回扫反射摆镜包括摆镜电机、侍服驱动电路和动态电源，其中：
所述侍服驱动电路一方面接收所述控制信号产生单元发来的控制信号，另一方面计算出回扫反射摆镜相对于初始位置的角度位移对应的电压，由所述控制信号电压与所述角度位移对应的电压相减确定出电压差；
所述侍服驱动电路通过驱动摆镜电机旋转将所述电压差降为零；
所述动态电源为摆镜电机和侍服驱动电路供电。
8.根据权利要求7所述红外周视成像装置，其特征在于，所述回扫反射摆镜采用汉华环球公司的HC系列高速光学扫描系统。
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