CN201680912U

CN201680912U - 一种高分辨率热像仪

Info

Publication number: CN201680912U
Application number: CN2009202445127U
Authority: CN
Inventors: 王宏民
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2019-12-30

Abstract

本实用新型提供一种采用非制冷焦平面探测器实现高精度动态红外热成像的高分辨率热像仪。它是由焦平面探测器、驱动电路、图像预处理电路、USB数据接口、控制电路、LVDS输出电路和液晶显示器组成的，焦平面探测器连接驱动电路，驱动电路连接图像预处理电路，图像预处理电路连接控制电路，控制电路分别连接USB数据接口和LVDS输出电路，LVDS输出电路连接液晶显示器。本实用新型广泛应用在工业检测、环境监测、热能排放等领域。对热成像的分辨率、热场的动态采集、温度标定的技术进行深入研究，为热成像技术在工业和其他领域的应用提供有效的解决方案。

Description

一种高分辨率热像仪

(一)技术领域

本实用新型涉及红外技术，具体说就是一种高分辨率热像仪。

(二)背景技术

红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管作为光电转换器件，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础。二次世界大战后，首先由美国德克萨兰仪器公司经过近一年的探索，开发研制的第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统(FLIR)，它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描。由光子探测器接收两维红外辐射迹象，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像信号。这种系统、原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录仪，后来随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，才开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置，它是在红外寻视系统的基础上增加了测温的功能，称之为红外热像仪。开始由于保密的原因，在发达的国家中也仪限于军用，投入应用的热成像装置可在黑夜或浓厚云雾中探测对方的目标，探测伪装的目标和高速运动的目标。由于有国家经费的支撑，投入的研制开发费用很大，仪器的成本也很高。以后考虑到在工业生产发展中的实用性，结合工业红外探测的特点，采取压缩仪器造价，降低生产成本并根据民用的要求，通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施逐渐发展到民用领域。六十年代中期，AGA公司研制出第一套工业用的实时成像系统(THV)，该系统由液氮致冷，110V电源电压供电，重约35公斤，因此使用中便携性很差，经过对仪器的几代改进，1986年研制的红外热像仪已无需液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电；1988年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7公斤，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用技术(FPA)转民用并商品化的新一红外热像仪(CCD)属焦平面阵列式结构的一种凝成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告，由于技术的改进和结构的改变，取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于二公斤，使用中如同手持摄像机一样，单手即可方便地操作。如今，红外热成像系统已经在电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用。红外热像仪在世界经济的发展中正发挥着举足轻重的作用。

红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统。光机扫描成像系统采用单元或多元(元数有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多)光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。非扫描成像的热像仪，如近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。其关键技术是探测器由单片集成电路组成，被测目标的整个视野都聚焦在上面，并且图像更加清晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结，连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像等功能，仪器采用PC卡，存储容量可高达500幅图像。

红外热电视是红外热像仪的一种。红外热电视是通过热释电摄像管(PEV)接受被测目标物体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号，因此，热释电摄像管是红外热电视的光键器件，它是一种实时成像，宽谱成像(对3～5μm及8～14μm有较好的频率响应)具有中等分辨率的热成像器件，主要由透镜、靶面和电子枪三部分组成。其技术功能是将被测目标的红外辐射线通过透镜聚焦成像到热释电摄像管，采用常温热电视探测器和电子束扫描及靶面成像技术来实现的。红外热像仪是通过吸收目标物体的能量辐射生成红外图像和温度测量的仪器。红外能量是一种肉眼看不见的能量，它的波长很长，无法被肉眼探测到。它是电磁波谱中的一部分，人类将它感知为热量。与可见光不同，在红外领域里，凡是温度在绝对零度以上的物体都能够散发热量。即使如冰块这样表面非常寒冷的物体，同样能够发射红外能量。物体的温度越高，它所辐射的红外能量就越强。红外热像仪能够帮助我们看见肉眼无法看见的情况。红外热像仪能够生成红外图像或热辐射图像，并且能够提供精确的非接触温度测量功能。几乎所有物体在发生故障之前，温度都会随之升高，因此在很多领域内，红外热像仪绝对是一种经济有效的检测工具。由于很多行业都将高效生产、能源管理、提高产量和生产安全作为企业发展的重要目标，因此红外热像仪正在被不断的应用在各种行业和各种应用领域中。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种采用非制冷焦平面探测器实现高精度动态红外热成像、解决动态温场的动态采集、实时数据处理和实时热成像的高分辨率热像仪。

本实用新型的目的是这样实现的：它是由焦平面探测器、驱动电路、图像预处理电路、USB数据接口、控制电路、LVDS输出电路和液晶显示器组成的，焦平面探测器连接驱动电路，驱动电路连接图像预处理电路，图像预处理电路连接控制电路，控制电路分别连接USB数据接口和LVDS输出电路，LVDS输出电路连接液晶显示器。

本实用新型一种高分辨率热像仪，基于非制冷红外探测器，采用嵌入式微处理器实现高分辨率热成像。广泛应用在工业检测、环境监测、热能排放等领域。本实用新型对热成像的分辨率、热场的动态采集、温度标定的技术进行深入研究。通过研究和探索热成像技术的闭环温度标定技术，解决热成像过程中温度数据的绝对值对探测器完全依赖性和受测试环境和方法的影响。为热成像技术在工业和其他领域的应用提供有效的解决方案。

(四)附图说明

图1为本实用新型的实时温度反馈标定系统结构图；

图2为本实用新型的算法调试流程图之一；

图3为本实用新型的算法调试流程图之二；

图4为本实用新型的图像算法分析效果图；

图5为本实用新型的主要开发软件构成示意图；

图6为本实用新型的系统软件界面；

图7为本实用新型的.核心硬件系统结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做进一步说明。

实施例1：结合图7，本实用新型一种高分辨率热像仪，它是由焦平面探测器(1)、驱动电路(2)、图像预处理电路(3)、USB数据接口(4)、控制电路(5)、LVDS输出电路(6)和液晶显示器(7)组成的，焦平面探测器(1)连接驱动电路(2)，驱动电路(2)连接图像预处理电路(3)，图像预处理电路(3)连接控制电路(5)，控制电路(5)分别连接USB数据接口(4)和LVDS输出电路(6)，LVDS输出电路(6)连接液晶显示器(7)。

实施例2：本实用新型的技术参数如下：(1)采用晶硅材料的探测器实现动态成像：热响应时间10mS；热成像分辨率为：320×240；响应波段：8～14μm；响应率：＞4mV/K@30℃；

工作温度-40℃～60℃。(2)温度标定技术：探测器非均匀性校正；动态定点温度同步测量；温度标定算法和温度精度。

实施例3：结合图1-图6，本实用新型具有如下特点：

(1)采用非制冷探测器实现红外热成像，红外热成像探测器采用非制冷焦平面探测器。以嵌入式系统为控制核心，对探测器进行控制和数据采集。实现分辨率为320×240的热场图像的采集。

(2)实现反馈式温度在线标定技术：通过反馈方式将目标环境场内的点温度测量与热图像采集结合起来。通过研究定点温度与两维热场图像温度数据的比较和关联关系，建立整个热图像数据的温度标定模型。

(3)嵌入式热成像单元设计：对热成像系统的关键部件——红外热成像的数据采集实现单元模块化设计。主要解决的问题是针对工业领域中设备的使用环境对测量控制装置的影响。在单元设计中，要考虑电磁兼容、背景热场辐射对探测的干扰、动态温度反馈的同步问题等相关技术研究。通过集成的数字化热成像技术的研究，推动热成像技术发展并形成通用性模块化产品。为红外热成像单元配置USB接口，并配置现场标准总线接口。在线温度标定技术的研究作为工业化应用的基础，是本实用新型的主要技术研究内容之一。

(4)动态热成像采集控制及算法研究：动态热成像数据的实时处理、非均匀性校正、标定温度数据与采集数据的运算算法(标定算法或模式)、动态温度测量过程中数据记录标准等相关的数据处理问题研究；

1.红外图像调试与分析：先以灰度红外图像为例，受红外摄像机特点始然，其图像可定义为热度图，它所显示的是温度的对比，但是当你在对图像调试其实他与可见光图像的调试是一样，此实它与温度无关。同样的是针对它的像数据进行调试。

2.输入与输出的位图处理：在红外图像处理过程中，人们往往会忽略最基本的数据处理输入输出问题，本次研究是针对红外14位像机输出的图像进行处理，之所以要考虑它的数据位，是因为当把设计好的算法加入已有程序时所产生的效果有很大差异。像机处理一般程序中默认输入输出数据是两字节，就是因为这样也很容易有溢出现象，也就是说，输入的是数据是输出的数据无法满足的，之间没有达到很好的匹配处理。所以，本次研究过程中，以输入为两字节，输出为四个字节的空间来容纳数据的处理，让其在出口处可以达到不溢出的效果。这样一来，来应用的算法的法方就更广了。

3.红外图像算法分析：

由于红外图像的对比度与亮度不如可见光图像那样清楚，然而基于它的红外热图的特点对它的调试往往比可见光图像来的效果明显。首先考虑一种线性的算法，如图1：这种算法的普遍性在于它在亮度上的调节很明显。其次是一种非线性的算法

y = x^{\frac{1}{γ}},

如图2：这种算法的优点在于人的肉眼比较适合的亮度1/γ＝0.28，但是人们可以根据需要来调动γ值。这为对红外设备的使用者提供了一个很方便的使用方法。但是它的对比度与亮度是相互的，所以在调试对比的度的同时针对其索的亮度值，往往图像就不清楚了。还有一种算法是基于上述非线性的算法的一种改良

y = a \times x^{\frac{1}{γ}} .

可以索定γ＝0.28，而对于其亮度与对比度的可以同时随a值的变化而调试。如图3。

由于红外图像受其红外硬件设备与周围环境物体影响以上三种方法其中非线性的算法在红外图像处理中有一定的局限性。而线性算法所承现出的效果可以得到一定要求的效果。

红外热成像技术是一种通过检测物体所释放的红外能量(热量)，并将其转换为电信号生成物体的热辐射图像的技术。红外热成像技术使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。采用先进的非制冷焦平面探测器材料(多晶硅)探测器来实现高分辨率的热图像采集，针对8~14um波段实现红外热成像。该项目是基于嵌入式系统实现红外热成像，并在温度在线标定方面提出全新的解决方案。通过反馈式在线温度标定，为红外探测技术在工业监测中提供可判定的温度数据。由于采用了反馈式标定方法，解决了红外探测器的温度基准漂移问题，也为应用系统在克服环境扰动对系统准确性和稳定性影响。

Claims

1.一种高分辨率热像仪，它是由焦平面探测器(1)、驱动电路(2)、图像预处理电路(3)、USB数据接口(4)、控制电路(5)、LVDS输出电路(6)和液晶显示器(7)组成的，其特征在于：焦平面探测器(1)连接驱动电路(2)，驱动电路(2)连接图像预处理电路(3)，图像预处理电路(3)连接控制电路(5)，控制电路(5)分别连接USB数据接口(4)和LVDS输出电路(6)，LVDS输出电路(6)连接液晶显示器(7)。