專利名稱：一種高分辨率熱像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及紅外技術(shù)，具體說就是一種高分辨率熱像儀。 背景技術(shù)：
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)(目前先進(jìn)的焦平 面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng))接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè) 器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)(焦平面熱像儀無此 機(jī)構(gòu))對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外 輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱 像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射 的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動(dòng)作 過程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng)，常采用一些輔助措施來增加儀器的實(shí)用 功能，如圖像亮度、對(duì)比度的控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)。1800年，英國物理學(xué)家 F. W.赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，從此開辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn) 中，德國人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅 外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國德克薩蘭儀器公司經(jīng)過近一年的 探索，開發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)(FLIR)，它是 利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象，經(jīng) 光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自 動(dòng)溫度分布記錄儀，后來隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展，才開始出現(xiàn)高 速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代紅外 成像裝置，它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了測(cè)溫的功能，稱之為紅外熱像儀。開始由于 保密的原因，在發(fā)達(dá)的國家中也儀限于軍用，投入應(yīng)用的熱成像裝置可在黑夜或濃厚云霧 中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)，探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國家經(jīng)費(fèi)的支撐，投入的研 制開發(fā)費(fèi)用很大，儀器的成本也很高。以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性，結(jié)合工業(yè)紅 外探測(cè)的特點(diǎn)，采取壓縮儀器造價(jià)，降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過減小掃描速度來 提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。六十年代中期，AGA公司研制出第一套工業(yè) 用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(THV)，該系統(tǒng)由液氮致冷，IlOV電源電壓供電，重約35公斤，因此使用 中便攜性很差，經(jīng)過對(duì)儀器的幾代改進(jìn)，1986年研制的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣，而 以熱電方式致冷，可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測(cè)量、修改、分析、 圖像采集、存儲(chǔ)合于一體，重量小于7公斤，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提 高。九十年代中期，美國FSI公司首先研制成功由軍用技術(shù)(FPA)轉(zhuǎn)民用并商品化的新一 紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫 時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上，即完成全部操作，各種參 數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)，最后直接得出檢測(cè)報(bào)告，由于技術(shù)的改 進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變，取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描，儀器重量已小于二公斤，使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可方便地操作。如今，紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域 得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用 單元或多元(元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多)光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè) 器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí) 時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀，如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一 代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的 趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，并且 圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大， 點(diǎn)溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過熱釋電攝像管(PEV)接受被 測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射，并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)，因 此，熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件，它是一種實(shí)時(shí)成像，寬譜成像(對(duì)3 5 μ m及 8 14 μ m有較好的頻率響應(yīng))具有中等分辨率的熱成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍 三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管， 采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。紅外熱像儀是通過吸收目 標(biāo)物體的能量輻射生成紅外圖像和溫度測(cè)量的儀器。紅外能量是一種肉眼看不見的能量， 它的波長很長，無法被肉眼探測(cè)到。它是電磁波譜中的一部分，人類將它感知為熱量。與可 見光不同，在紅外領(lǐng)域里，凡是溫度在絕對(duì)零度以上的物體都能夠散發(fā)熱量。即使如冰塊這 樣表面非常寒冷的物體，同樣能夠發(fā)射紅外能量。物體的溫度越高，它所輻射的紅外能量就 越強(qiáng)。紅外熱像儀能夠幫助我們看見肉眼無法看見的情況。紅外熱像儀能夠生成紅外圖像 或熱輻射圖像，并且能夠提供精確的非接觸溫度測(cè)量功能。幾乎所有物體在發(fā)生故障之前， 溫度都會(huì)隨之升高，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)，紅外熱像儀絕對(duì)是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)工具。由于 很多行業(yè)都將高效生產(chǎn)、能源管理、提高產(chǎn)量和生產(chǎn)安全作為企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，因此紅 外熱像儀正在被不斷的應(yīng)用在各種行業(yè)和各種應(yīng)用領(lǐng)域中。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用非制冷焦平面探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)紅外 熱成像、解決動(dòng)態(tài)溫場(chǎng)的動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)熱成像的高分辨率熱像儀。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是由焦平面探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)電路、圖像預(yù)處理 電路、USB數(shù)據(jù)接口、控制電路、LVDS輸出電路和液晶顯示器組成的，焦平面探測(cè)器連接驅(qū) 動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路連接圖像預(yù)處理電路，圖像預(yù)處理電路連接控制電路，控制電路分別連接 USB數(shù)據(jù)接口和LVDS輸出電路，LVDS輸出電路連接液晶顯示器。本實(shí)用新型一種高分辨率熱像儀，基于非制冷紅外探測(cè)器，采用嵌入式微處理器 實(shí)現(xiàn)高分辨率熱成像。廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、熱能排放等領(lǐng)域。本實(shí)用新型對(duì)熱 成像的分辨率、熱場(chǎng)的動(dòng)態(tài)采集、溫度標(biāo)定的技術(shù)進(jìn)行深入研究。通過研究和探索熱成像技 術(shù)的閉環(huán)溫度標(biāo)定技術(shù)，解決熱成像過程中溫度數(shù)據(jù)的絕對(duì)值對(duì)探測(cè)器完全依賴性和受測(cè) 試環(huán)境和方法的影響。為熱成像技術(shù)在工業(yè)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供有效的解決方案。

圖1為本實(shí)用新型的實(shí)時(shí)溫度反饋標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型的算法調(diào)試流程圖之一；圖3為本實(shí)用新型的算法調(diào)試流程圖之二 ；圖4為本實(shí)用新型的圖像算法分析效果圖；圖5為本實(shí)用新型的主要開發(fā)軟件構(gòu)成示意圖；圖6為本實(shí)用新型的系統(tǒng)軟件界面；圖7為本實(shí)用新型的.核心硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 結(jié)合圖7，本實(shí)用新型一種高分辨率熱像儀，它是由焦平面探測(cè)器(1)、 驅(qū)動(dòng)電路(2)、圖像預(yù)處理電路(3)、USB數(shù)據(jù)接口(4)、控制電路(5)、LVDS輸出電路(6)和 液晶顯示器(7)組成的，焦平面探測(cè)器(1)連接驅(qū)動(dòng)電路(2)，驅(qū)動(dòng)電路(2)連接圖像預(yù)處 理電路(3)，圖像預(yù)處理電路(3)連接控制電路(5)，控制電路(5)分別連接USB數(shù)據(jù)接口 (4)和LVDS輸出電路(6)，LVDS輸出電路(6)連接液晶顯示器(7)。實(shí)施例2 本實(shí)用新型的技術(shù)參數(shù)如下(1)采用晶硅材料的探測(cè)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)成 像熱響應(yīng)時(shí)間IOmS ；熱成像分辨率為:320X240 ；響應(yīng)波段8 14μ m ；響應(yīng)率> 4mV/ Ki30°C ；工作溫度-40°C 60°C。(2)溫度標(biāo)定技術(shù)探測(cè)器非均勻性校正；動(dòng)態(tài)定點(diǎn)溫度 同步測(cè)量；溫度標(biāo)定算法和溫度精度。實(shí)施例3 結(jié)合圖1-圖6，本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)(1)采用非制冷探測(cè)器實(shí)現(xiàn)紅外熱成像，紅外熱成像探測(cè)器采用非制冷焦平面探 測(cè)器。以嵌入式系統(tǒng)為控制核心，對(duì)探測(cè)器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。實(shí)現(xiàn)分辨率為320X240 的熱場(chǎng)圖像的采集。(2)實(shí)現(xiàn)反饋式溫度在線標(biāo)定技術(shù)通過反饋方式將目標(biāo)環(huán)境場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)溫度測(cè)量 與熱圖像采集結(jié)合起來。通過研究定點(diǎn)溫度與兩維熱場(chǎng)圖像溫度數(shù)據(jù)的比較和關(guān)聯(lián)關(guān)系， 建立整個(gè)熱圖像數(shù)據(jù)的溫度標(biāo)定模型。(3)嵌入式熱成像單元設(shè)計(jì)對(duì)熱成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——紅外熱成像的數(shù)據(jù)采 集實(shí)現(xiàn)單元模塊化設(shè)計(jì)。主要解決的問題是針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域中設(shè)備的使用環(huán)境對(duì)測(cè)量控制裝 置的影響。在單元設(shè)計(jì)中，要考慮電磁兼容、背景熱場(chǎng)輻射對(duì)探測(cè)的干擾、動(dòng)態(tài)溫度反饋的 同步問題等相關(guān)技術(shù)研究。通過集成的數(shù)字化熱成像技術(shù)的研究，推動(dòng)熱成像技術(shù)發(fā)展并 形成通用性模塊化產(chǎn)品。為紅外熱成像單元配置USB接口，并配置現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)總線接口。在 線溫度標(biāo)定技術(shù)的研究作為工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)，是本實(shí)用新型的主要技術(shù)研究內(nèi)容之一。(4)動(dòng)態(tài)熱成像采集控制及算法研究動(dòng)態(tài)熱成像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、非均勻性校 正、標(biāo)定溫度數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算算法(標(biāo)定算法或模式)、動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量過程中數(shù)據(jù)記 錄標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的數(shù)據(jù)處理問題研究；1.紅外圖像調(diào)試與分析先以灰度紅外圖像為例，受紅外攝像機(jī)特點(diǎn)始然，其圖 像可定義為熱度圖，它所顯示的是溫度的對(duì)比，但是當(dāng)你在對(duì)圖像調(diào)試其實(shí)他與可見光圖像的調(diào)試是一樣，此實(shí)它與溫度無關(guān)。同樣的是針對(duì)它的像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試。2.輸入與輸出的位圖處理在紅外圖像處理過程中，人們往往會(huì)忽略最基本的數(shù) 據(jù)處理輸入輸出問題，本次研究是針對(duì)紅外14位像機(jī)輸出的圖像進(jìn)行處理，之所以要考慮 它的數(shù)據(jù)位，是因?yàn)楫?dāng)把設(shè)計(jì)好的算法加入已有程序時(shí)所產(chǎn)生的效果有很大差異。像機(jī)處 理一般程序中默認(rèn)輸入輸出數(shù)據(jù)是兩字節(jié)，就是因?yàn)檫@樣也很容易有溢出現(xiàn)象，也就是說， 輸入的是數(shù)據(jù)是輸出的數(shù)據(jù)無法滿足的，之間沒有達(dá)到很好的匹配處理。所以，本次研究過 程中，以輸入為兩字節(jié)，輸出為四個(gè)字節(jié)的空間來容納數(shù)據(jù)的處理，讓其在出口處可以達(dá)到 不溢出的效果。這樣一來，來應(yīng)用的算法的法方就更廣了。3.紅外圖像算法分析由于紅外圖像的對(duì)比度與亮度不如可見光圖像那樣清楚，然而基于它的紅外熱圖 的特點(diǎn)對(duì)它的調(diào)試往往比可見光圖像來的效果明顯。首先考慮一種線性的算法，如圖1 這
種算法的普遍性在于它在亮度上的調(diào)節(jié)很明顯。其次是一種非線性的算法y = X"如圖
2 這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于人的肉眼比較適合的亮度1/Y = 0. 28，但是人們可以根據(jù)需要來 調(diào)動(dòng)Y值。這為對(duì)紅外設(shè)備的使用者提供了一個(gè)很方便的使用方法。但是它的對(duì)比度與 亮度是相互的，所以在調(diào)試對(duì)比的度的同時(shí)針對(duì)其索的亮度值，往往圖像就不清楚了。還有
一種算法是基于上述非線性的算法的一種改良;; = αχχ+?？梢运鞫╕ =0. 28，而對(duì)于其亮
度與對(duì)比度的可以同時(shí)隨a值的變化而調(diào)試。如圖3。由于紅外圖像受其紅外硬件設(shè)備與周圍環(huán)境物體影響以上三種方法其中非線性 的算法在紅外圖像處理中有一定的局限性。而線性算法所承現(xiàn)出的效果可以得到一定要求 的效果。紅外熱成像技術(shù)是一種通過檢測(cè)物體所釋放的紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)生成物體的熱輻射圖像的技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)使人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫 度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。采用先進(jìn)的非制冷焦平面 探測(cè)器材料(多晶硅)探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)高分辨率的熱圖像采集，針對(duì)纊14um波段實(shí)現(xiàn)紅外熱 成像。該項(xiàng)目是基于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外熱成像，并在溫度在線標(biāo)定方面提出全新的解決 方案。通過反饋式在線溫度標(biāo)定，為紅外探測(cè)技術(shù)在工業(yè)監(jiān)測(cè)中提供可判定的溫度數(shù)據(jù)。由 于采用了反饋式標(biāo)定方法，解決了紅外探測(cè)器的溫度基準(zhǔn)漂移問題，也為應(yīng)用系統(tǒng)在克服 環(huán)境擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性影響。
權(quán)利要求一種高分辨率熱像儀，它是由焦平面探測(cè)器(1)、驅(qū)動(dòng)電路(2)、圖像預(yù)處理電路(3)、USB數(shù)據(jù)接口(4)、控制電路(5)、LVDS輸出電路(6)和液晶顯示器(7)組成的，其特征在于焦平面探測(cè)器(1)連接驅(qū)動(dòng)電路(2)，驅(qū)動(dòng)電路(2)連接圖像預(yù)處理電路(3)，圖像預(yù)處理電路(3)連接控制電路(5)，控制電路(5)分別連接USB數(shù)據(jù)接口(4)和LVDS輸出電路(6)，LVDS輸出電路(6)連接液晶顯示器(7)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種采用非制冷焦平面探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)紅外熱成像的高分辨率熱像儀。它是由焦平面探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)電路、圖像預(yù)處理電路、USB數(shù)據(jù)接口、控制電路、LVDS輸出電路和液晶顯示器組成的，焦平面探測(cè)器連接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路連接圖像預(yù)處理電路，圖像預(yù)處理電路連接控制電路，控制電路分別連接USB數(shù)據(jù)接口和LVDS輸出電路，LVDS輸出電路連接液晶顯示器。本實(shí)用新型廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、熱能排放等領(lǐng)域。對(duì)熱成像的分辨率、熱場(chǎng)的動(dòng)態(tài)采集、溫度標(biāo)定的技術(shù)進(jìn)行深入研究，為熱成像技術(shù)在工業(yè)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供有效的解決方案。
文檔編號(hào)G01J5/00GK201680912SQ20092024451
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者王宏民 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)