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1、红外热像仪是用来探测目标物体的红外辐射，再通过光电转换、电信号处理 等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。红外热像仪 产品的研制、生产涉及到光学、机械、微电子、计算机、软件、图像处理等多门 学科，具有较高的技术门槛。核心技术主要为红外热像仪整机研制技术和以红外 热像仪为核心的综合光电系统研制技术。红外热像仪是一个光、机、电一体化系统，主要由红外光学系统，红外探测 器，信号处理电路和图像显示设备构成。目标辐射红外光学系统红外探测器信号处理电路图像显示设备下面分别予以阐述。1. 红外光学系统 红外光学系统主要是负责接收物体辐射能量，并把它传送给探测器。目前常 用的红外光学系统
2、主要有反射式、折射式和全透式等。其透过材料主要有锗、硅 和氟化镁等。其中红外光学系统的焦距和F#是影响热像仪性能的重要参数，必 须考虑。2. 红外探测器 红外探测器是红外热像仪的核心部件，它能够将红外辐射信号转变为可测量 的电信号。主要分为制冷型和非制冷型。目前随着 MEMS 表面加工技术应用于非 制冷探测器的制造，非制冷红外探测器的某些性能已经可以和制冷相媲美，而且 成本更低，这将促使红外热像仪的应用领域进一步拓展。ULIS 公司作为全球知名探测器生产企业，市场占有率均居于世界前列，特别 是在美国以外的红外探测器市场居主导地位，产品品质一贯得到全球市场的认 可。下图为ULIS公司320x24
3、0阵列红外焦平面UL01011：3. 信号处理电路 高质量的信号处理电路是红外热像仪成像质量和可靠性的保证，是热成像装 置中的重要组成部分。信号处理电路的主要功能就是为探测器提供所需的高质量电源、模拟电压信 号以及标准的时需驱动信号，并把探测器输出的模拟信号进行AD转换，并对转 换后的数字信号进行相关的图像处理和视频处理。基于FPGA的信号处理电路， 其原理如下：电源板电源模拟信号数字信号VGA 控 制驱动板fpgA言号处理板电源调节和分配红外探测器显示设备偏置电压DAC1模拟输出ADC1 驱动信号图像数据图像校正 图像拉伸 时域滤波 视频处理信号处理电路主要由电源板、FPGA信号处理板和驱动
4、板组成，实物如下:1/3.1 电源分配和管理 电源分配和管理电路主要是为满足热像仪的各个模块不同工作电压和电 流的要求，并为各模块中的数字和模拟部分采取不同的供电策略。部分信号 的要求如下表：Electrical fimction nameBias typeOptimum value 300KRange valueMaximum currentMaximum RMS noiseVdda (analog supply)Fixed3.3 r25mlr50 mA2fiV(l Hz tol kHz) 5pV(l Hz to 10 kHz) 100pV(l Hzto 10MHz)Vddl (digita
5、l supply)Fixed3.3 V300mV5 mA10 mV(1 Hz to 10 MHz)咕as sly icro bolometer biasing)Fixed2.05 V25 mV1mA100uV(lHzto 10 MHz)FID (microholometer biasing)TunableGiven in Acceptance Test Report0.5 to 3.3 Vttol. 5m V0.01 mA2pV(l Hz tol kHz)5 戒(1 HztolOkHz)100 yV (1 Hz to 10 MHz)Vebasage (blind m icrobo lom et
6、er biasing)TunableGiven in Acceptance Test Report2.5 to 4.0 V, tol. 5m V1 mA2uV(l Hz to 1 kHz) 5uV(l Hz to 10 kHz) 100uV(l Hzto 10MHz)Vssa (analog electrical ground)Fixed0 V (ground)50 mA17ssl (digital electrical ground)Fixed0 V (ground)5 mAVdet(nicrobolometer biasing)Fixed = VssA0 V (ground)I mAVeb
7、 (blind m icrobolom eter biasing)Fixed = Vssa0 V (ground)0.01 mAVqgouticrobolometer biasing)Not connected (1)Vpol (constant microholometer biasing)0 V (ground)3.2 驱动信号产生 红外探测器需要外部提供必须的驱动信号（如下图），探测器才会正常工 作。驱动信号包括时序控制信号，以及电压可调的低噪声模拟直流偏置信号。IRESETPeriodXH+18)TMCIntegration of row 1Integration of row 2In
8、tegrationof row3VIDEO、Readout of row V from imageN-1IIIIIi2i5TMCRow readout duration=H TMC 215TMCReadoutofrow1,fromimageNReadout of row 215*TMCIntegration tim*Period-18 TMC3.3 AD 转换红外探测器的输出信号是一模拟信号，必须经过 ADC 转换成数字信号， 才能进行后续的数据处理。ADC的速度和精度的选择则跟探测器的工作速度 和性能决定。3.4 数据处理数据经采集后，在FPGA进行大部分的处理，其中包括图像的校正、拉伸、
9、滤波以及其他视频处理。3.4.1 图像校正 红外图像的特征，根据相关理论，相对具有对比度低、信噪比低、分辨 率低、均匀性差等特点。因此必须进行校正，常用的校正方法有一点校正和 两点校正。a、 一点校正 一点校正假定所有像元的响应率在感兴趣的温度范围内近似为相同，背 景噪声在一定的时间内是不变的，此时，响应简化为目标信号加上一个固定 的背景噪声。一点校正的算法模型如下：公式如下：V即）二 VmnQ） 4n即）mnV（申）为图像中位置（m, /7）处校正后的信号电压，V （申）为该处校正前的信mnm n号电压，人 3 ）为该点处的一点校正参数。校正参数的计算方法如下： mnA ） =V仲）送另V仲
10、）mnmn R X Lmn mnb、 两点校正 两点校正算法是目前应用最为成熟的算法之一。假定每个像元的响应呈 线性的，则校正方程为：V （9） = G X V （9） + Omnmn mnmn式中Gmn和Omn分别为两点校正算法的增益校正系数和偏置校正系数； Vm（9）为校正后的输出。选定高低两个温度T、T2，得到两个辐照度92 作为定标，计算得到：V(9 )=-徂V(9 )RX Lmn m-1 m-1V(92)-江.V(9 )2 RX Lmn 2m -1 m -1将Vmn（9丿、Vm（92）和V9丿、V（92）分别作为输入代入下式中，得到校正增益因子和校正 偏置因子如下：,V (9 ) -
11、 V (9 )21mn V (9 ) -V (9 )mn 2 mn 1OmnV(9 一)V (9 ) - V (9 )V (9)mn21mn 12V (9 ) -V (9 )mn 2mn 1最后将上的结果代入到校正方程中，完成对红外焦平面探测器的两点校正。两点校正算 法不仅补偿了像元的偏移因子，还对像元的增益因子做了修正。在红外探测器的线性响应范围内，两点校正算法对都可以很好的对非均匀性作出处理，其算法模型如下图所示。osuodsu#osuodsu#RadianceRadianceRadiance3.4.2图像拉伸ba. G+b 拉伸假设经过校正后的图像各个像元值为Ff表示，G+b变换通过下面
12、的公式表示为:八；卜表示变换后的灰度值，G和b是两个可以调的数。b. 线性拉伸假定源图像f (x,y)的灰度范围为a,b，希望变换后的图像g(x,y)的动态范围为c,d,则可用下述变换来实现：(d - c) f (x,严)b 一 aa+ c如果已知图像的大部分像素的灰度级分布在区间a,b,小部分像素灰度级不在此区间内, 则可采用下列变换改善图像的效果。a f (x, y) bf (x, y) b(d - c) f (x，y) - a + c b - a g (x, y)彳cd3.4.3 时域滤波假定f (x,y)表示第n帧源图像的灰度值，则经均值滤波后的图像输出为: ng (x, y) = -1 弋 f (x, y)nNn-ii=0经过均值滤波后，象元的时域噪声将降为滤波前的 1/N。3.4.4 视频处理 视频处理包括目标识别、目标跟踪以及视频压缩等数据处理。4. 图像显示设备 目前常用的显示设备主要是液晶显示设备，现在多为彩色显示。需要说明的 是，这里的彩色图像并不代表目标的真实颜色，而只反映不同的温度分布，即伪 彩色热像。通常用红、黄等暖色表示较高的温度，而用紫、蓝等颜色表示较低的 温度。
