红外热像仪成像评估系统设计

江庆欢 沈林祥 石安安 周新

摘要：利用红外热像仪测温需先设定被测表面的法向发射率，该发射率通常为定值。而当热像仪处于被测点的天顶角大于50°的位置范围时，由于被测点定向发射率的变化，必造成这些点的测温误差。对于非平表面，这样的点大量存在。因此，必须对其测温结果进行修正。

关键词：红外热像仪;成像评估系统;设计

引言

红外热成像系统由光学镜头、探测器、读数电路、A/D采集电路、图像处理电路和图像显示装置等组成。其中每一部分都会对红外热成像系统的成像性能造成影响。随着红外热成像技术的高速发展，人们对系统成像的要求越来越高。因此需提出一些能客观评价红外热成像系统成像性能的合理指标，为研究系统图像的清晰度、目标探测距离和目标检测跟踪精度等指标提供重要的数据支撑。

1红外热像仪典型故障分析

红外热像仪通常由光机组件、调焦/变倍组件、内部非均匀性校正组件（以下简称内校正组件）、成像电路组件和红外探测器/制冷机组件组成。光机组件主要由红外物镜和结构件组成，红外物镜主要实现景物热辐射的汇聚成像，结构件主要用于支承和保护相关組部件;调焦/变倍组件主要由伺服机构和伺服控制电路组成，实现红外物镜的调焦、视场切换等功能;内校正组件由内校正机构和内校正控制电路组成，用于实现红外热像仪的内（非均匀）性校正功能;成像电路组件通常由探测器接口板、主处理板、制冷机驱动板和电源板等组成，协同实现上电控制、信号采集、信号传输、信号转换和接口通讯等功能。红外探测器/制冷机组件主要将经红外物镜传输汇聚的红外辐射转换为电信号。在红外热像仪研制、生产和使用过程中，常常会出现许多种故障，可见，光机组件、调焦/变倍组件、内校正组件、红外探测器/制冷机组件和成像电路组件均为红外热像仪可靠性的主要影响因素。

2红外热像仪成像评估系统设计

2.1红外热像仪成像评估系统

红外热像仪成像评估系统主要由专业图形处理工作站、图像显示器、红外视频图像专用采集卡、计算机图形操作系统、红外成像数据采集程序、红外图像数据处理程序、数学模型的调试检测程序、图像数据的显示和存储程序组成。专业图形处理工作站是整个系统的载体，提供硬件平台。本文采用高性能双GPU的专业图形处理工作站。计算机图形操作系统是所有图像处理软件的运行平台，基于WINDOWS系统工作。红外视频图像专用采集卡用于红外热像仪的视频信号的硬件采集。它可采集PAL的模拟视频，也可以采集CAMERALINK等数字视频信号。采集处理分析软件包括红外成像数据采集程序、红外图像数据处理程序、数学模型的调试检测程序、图像数据的显示和存储程序等，用于实现热成像仪的性能指标分析。

2.2软件流程

利用红外图像数据处理平台程序构造一个运行平台，无缝衔接各个模块和调用程序，实现参数传递，并提供完善的平台接口以及友好的人机运行界面。

2.2.1红外图像数据采集程序（模块）设计

利用数据采集程序驱动视频采集卡，使其将物理信号转换成数字信号。通过PCI总线将该信号传输到计算机内存中，然后将其还原为图像数据，生成红外热像图。

2.2.2红外图像数据处理程序（模块）设计

采集模块采集数据并将其放入内存，然后由数据处理程序对图像数据进行处理。首先，对数据进行有效组织，并将图像保存到硬盘，以实现历史数据分析功能。然后对数据进行预处理，取出并分析数据，生成数学模型所需的数据，以便数学模型调试检测程序对数据进行运算处理。另外，数据处理程序还对数据区域的选择进行设定，通过提供鼠标拖拉等易于操作的方式来对各种参数进行操作，并提供友好的人机操作界面。

2.2.3红外图像数据回放显示程序（模块）设计

图像采集模块把采集到的数据保存到内存（硬盘）后，由红外图像数据回放显示程序对图像数据进行处理，并将图像显示到显示器中。这里支持图像数据的图形化显示，可提供图形缩放、区域选取显示、特定区域的放大或缩小、滑动窗口（可通过鼠标拖拉滑动窗口）、时间的定位显示、灰度值（温度值）提取等功能以及友好的人机操作界面。

2.3红外图像评估参数模型的建立与处理

2.3.1SiTF

SiTF是指被测系统对准一个方形或圆形测试靶标时，系统的输出亮度（发光率）与输入的目标背景等效黑体温差之间的关系。它反映了热像仪可调节的动态范围，其大小会影响热成像系统探测强弱目标的能力。对于弱小目标的探测，热成像系统需要具有大增益功能，否则就会因目标信号太弱而探测不到。信号传递函数处理流程具体步骤如下：

（1）采集有温差的半圆黑体耙标（2度、1度、0度、-1度、-2度等）的图像数据;

（2）用鼠标分别选取目标和背景区域，求出目标和背景区域均值的差值;

（3）采集一幅均匀场景的图像，并选择一定区域，求出其均方根差;

（4）以温度值为横坐标，以算得的均值差为纵坐标，画出一条曲线，并利用这些数据拟合出一条直线，其中直线的斜率即为SiTF。

2.3.2NETD

NETD是一个用于描述红外热成像系统探测灵敏度的物理量。被测物体的温度变化会引起辐射到热像仪探测器上的辐射功率发生变化。当此辐射变化所引起的系统输出电压与由系统噪声引起的信号输出电压相等时，该温度变化被定义为NETD。此时，热成像系统输出电压信号的信噪比为1。NETD也可用NEΔT表示。NETD处理流程具体步骤如下：

（1）采集有温差的半圆黑体耙标（2度、1度、0度、-1度、-2度等）的图像数据;

（2）用鼠标分别选取目标和背景区域，求出目标和背景区域均值的差值;

（3）采集一幅均匀场景的图像，并选择一定区域，求出其均方根差;

（4）以温度值为横坐标，以算得的均值差为纵坐标，画出一条曲线，并得用这些数据拟合出一条直线，其中直线的斜率为SiTF;

（5）均方根差VB与所求出的SiTF的比值即为NETD：

2.3.3角线性度

利用角线性度和成像定位角误差可评估图像的分辨及几何特性。角线性度的处理流程具体步骤如下：

（1）水平方向上以8度为周期读入一组亮点图像（fx1、fx2、fx3……）数据，然后依次处理这些数据。

（2）求出图像矩阵数据的最大值序列，并将坐标值序列的中值视为亮点附近位置。

（3）选择以该位置为中心的方框，计算出该方框的质心。为减少背景噪声的影响，将此方框的矩阵数据都减去一个背景均值。该背景均值可通过将与15×15同中心的19×19框去除15×15框部分剩下的灰度值均值求出。

结语

红外热像仪成像评估系统可以采集和分析各型号红外热像仪的视频，在红外热像仪的研制生产过程中起到不可或缺的作用。通过处理NU、SiTF、NETD、AL和TIPAE等参数，可以评估红外成像系统的性能，进而在分析和计算该系统的空间分辨率、探测距离、成像质量、视觉效果等方面提供有效的数据支持，同时也可用于对该系统的探测器、读出电路、光学设计、机械加工精度、图像处理等方面进行优化。经航天科工某重点型号任务测试应用后，该系统达到了非常好的分析效果，因此可成为红外热像系统研制的必备工具。

参考文献

[1]杨立，杨桢.红外热成像测温原理与技术[M].北京：科学出版社，2016.

[2]刘慧开，杨立.太阳辐射对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术，2002，24（1）：34-37.

[3]廖盼盼，张佳民.红外测温精度的影响因素及补偿方法的研究[J].红外技术，2017，39（2）：173-177.

1.杭州水尧科技有限公司，浙江省杭州市 310000;2.杭州图谱电力技术有限公司，浙江省 杭州市 310000