【正文】 物體自身輻射，為環(huán)境反射輻射，為大氣透射輻射，為環(huán)境溫度，為大氣透過(guò)率，為物體發(fā)射率，為大氣溫度。從被測(cè)物體表面的輻射照度入手，一般有[6] （）式中，為被測(cè)物體表面的輻射照度，為最小空間張角所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積，為目標(biāo)到熱像儀的距離，一般為常量，為某一波長(zhǎng)下大氣光譜透過(guò)率，為某一波長(zhǎng)下被測(cè)物體的表面發(fā)射率，為對(duì)應(yīng)溫度的輻射亮度，為被測(cè)物體的實(shí)際溫度，為被測(cè)物體在某一波長(zhǎng)下的表面吸收率，為環(huán)境溫度，為某一波長(zhǎng)下大氣的發(fā)射率，為大氣溫度。探測(cè)器的信號(hào)電壓有相應(yīng)的輻射功率和探測(cè)器光譜響應(yīng)度決定，所以在某一波長(zhǎng)下探測(cè)器的信號(hào)電壓為[5]： （）式中為探測(cè)器的光譜響應(yīng)率。由于紅外熱像儀工作波段比較窄，所以取，，為所測(cè)波段上，，的平均值，則可近似認(rèn)為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。則式（）可寫(xiě)成[6] （）式中。 非制冷紅外熱像儀在測(cè)溫原理上的改進(jìn)非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心是非制冷焦平面[1]，是利用某些物質(zhì)對(duì)溫度的敏感特性探測(cè)紅外輻射能量的熱敏元件，非制冷紅外探測(cè)器探測(cè)紅外輻射的基本原理包含兩個(gè)過(guò)程[7]：(1)探測(cè)器吸收輻射以后溫度隨之升高，伴隨入射輻射功率的變化，元件的溫度也在發(fā)生相應(yīng)的變化；(2)利用元件某種溫度的敏感特性把輻射能引起的溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，或者利用元件某種溫度的敏感特性來(lái)調(diào)整電路中電流強(qiáng)度的大小，從而得到相應(yīng)的電信號(hào)，此過(guò)程實(shí)際上就是測(cè)量物體溫度變化的過(guò)程。對(duì)非制冷紅外熱像儀的分析均起始于紅外輻射造成的敏感元件的溫升，依賴(lài)于探測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)溫升的探測(cè)。[6]。 非制冷紅外探測(cè)器的回路示意圖導(dǎo)熱體具有恒定的溫度，在沒(méi)有輻射照射時(shí)，熱探測(cè)器與導(dǎo)熱體之間滿足熱平衡，當(dāng)探測(cè)器吸收輻射后，一部分傳導(dǎo)出去，一部分使探測(cè)器溫度升高，其中，熱傳導(dǎo)方程為[8] （）式中，為熱容，表示探測(cè)器每升高1攝氏度的溫度所要吸收的熱能；為熱容量；為熱傳導(dǎo)系數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器和導(dǎo)熱體之間交換的熱量；為探測(cè)器的熱導(dǎo)；為探測(cè)器吸收輻射后引起的溫升；為探測(cè)器吸收系數(shù)；為入射輻射功率。通過(guò)熱傳導(dǎo)方程能夠得到溫升[8] （）式中，為熱時(shí)間常數(shù)。則溫度響應(yīng)率為 （）結(jié)合式（）和式（），即將熱探測(cè)器的響應(yīng)度代入式（），得到 （）式中，為熱探測(cè)器的探頭溫度?，F(xiàn)在使得，則式（）變?yōu)? （）探測(cè)器的輸出值為，則令，有 （）在紅外波長(zhǎng)范圍下可被測(cè)物體近似看作為灰體，則，且若對(duì)于大氣有，則被測(cè)物體表面溫度計(jì)算公式可以寫(xiě)為 （）比較式（）和式（），可以看到，兩個(gè)公式雖然不同，但是對(duì)于環(huán)境的測(cè)量值和被測(cè)物體真實(shí)的測(cè)量值而言，形式相近，但式（）不僅考慮到大氣的因素，還將輸出具體到相應(yīng)電壓，故式（）的測(cè)溫公式應(yīng)用更加廣泛。根據(jù)式（）變形可得 （）根據(jù)上述標(biāo)定原理，用高精度黑體標(biāo)定時(shí)，=1，=1，則有 （）可見(jiàn)，儀器輸出值僅與被測(cè)物體表面溫度有關(guān)[6]。3 非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文主要介紹了一種基于 FPGA 的紅外圖像處理系統(tǒng), 通過(guò) NiosII 嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)管理。針對(duì)非制冷紅外焦平面探測(cè)器組件的成像特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于流水線結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理體系, 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的非均勻校正、盲元補(bǔ)償和自適應(yīng)圖像增強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果表明, 這種系統(tǒng)不僅具有穩(wěn)定可靠的成像質(zhì)量, 還具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。 基于FPGA的模塊設(shè)計(jì)可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)是一種新的 FPGA 設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì), 它不僅支持傳統(tǒng)的信號(hào)處理功能, 還能夠集成可編程嵌入式處理器和專(zhuān)用 IP 核。因此, 采用SOPC 技術(shù)是設(shè)計(jì)小型化、低功耗非制冷紅外成像系統(tǒng)的理想選擇。電路系統(tǒng)以 FPGA 為核心, 通過(guò) FPGA 把 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器、USB 通信接口、鍵盤(pán)等 外 設(shè) 連 接 成 一 個(gè) 有 機(jī) 整 體 。FPGA 內(nèi) 部 集 成 了NiosII 嵌入式處理器、實(shí)時(shí)信號(hào)處理、直方圖處理、視頻合成、DPRAM、時(shí)序控制邏輯等模塊。 基于 FPGA 的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FPGA為 IRFPA 提供時(shí)鐘(MC)、積分(INT)和復(fù)位 (RESET) 等 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) , 而 IRFPA 的 響 應(yīng) 信 號(hào)(SORTIE)經(jīng)過(guò)放大和濾波后輸出到 A/D。A/D 采用IRFPA 相同的時(shí)鐘頻率, 經(jīng)過(guò)采集后的數(shù)字響應(yīng)信號(hào)將與 IRFPA 輸出的數(shù)據(jù)有效信號(hào) (DATAVALID 和（LINE1) 一并送到 FPGA 進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。在 FPGA 內(nèi),DATAVALID 和 LINE1 將生成當(dāng)前像素的空間位置信息, 用于讀取該像素的校正系數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)處理后的圖像數(shù)據(jù)將被送到視頻合成模塊, 該模塊將圖像數(shù)據(jù)、視頻同步(SYN)和消隱信號(hào)(BLANK)送到 D/A, 合成為符合CCIR—656制式的標(biāo)準(zhǔn)視頻。 基于流水線結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理非均勻校正、盲元補(bǔ)償和圖像增強(qiáng)是紅外成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的3個(gè)基本內(nèi)容。非均勻校正用于消除 IRFPA 的非均勻性導(dǎo)致的固定圖案噪聲, 通常采用線性方式, 其表達(dá)式為: 為像素 (i,j)原始圖像信號(hào)。 為校正后信號(hào)。 和 分別為增益校正系數(shù)和偏移校正系數(shù)。為了適合于流水線操作, 系統(tǒng)為每個(gè)像素分配一個(gè)標(biāo)志位 來(lái)表示該像素是否為盲元。文中采用左右像素估計(jì)盲元的正確響應(yīng)值, 其表達(dá)式為: 圖像增強(qiáng)基于灰度冗余技術(shù), 把表達(dá)圖像信息的區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)直方圖動(dòng)態(tài)范圍, 其表達(dá)式為: 式中: 表示冗余增強(qiáng)系數(shù)。 k 表示當(dāng)前幀的編號(hào)。 為增強(qiáng)后的輸出信號(hào) 實(shí)時(shí)信號(hào)處理流水線首先進(jìn)行增益校正(見(jiàn)圖 的①), 增益校正系數(shù)和原始圖像數(shù)據(jù) Xi,j同時(shí)進(jìn)入乘法器, 其乘積經(jīng)過(guò)一級(jí)流水后到達(dá)加法器。 而偏移校正系數(shù) Oi,j經(jīng)一級(jí)流水延遲后同時(shí)到達(dá)加法器,加法器輸出結(jié)果便是公式(1)表示的校正結(jié)果。經(jīng)過(guò)非均勻校正以后, 圖像數(shù)據(jù)將進(jìn)行盲元補(bǔ)償(見(jiàn)②)。加法器一直計(jì)算某一像素前后兩個(gè)像素的平均值。該平均值作為預(yù)備的補(bǔ)償值與該像素同時(shí)向后傳遞, 直到雙路選通開(kāi)關(guān)。而盲元標(biāo)志 Fi,j自從進(jìn)入流水線后就逐級(jí)向后傳遞, 一直到雙路選通開(kāi)關(guān)。在選通開(kāi)關(guān)處, Fi,j將決定是平均值向后輸出還是真實(shí)值向后輸出, 從而實(shí)現(xiàn)了盲元補(bǔ)償。盲元補(bǔ)償結(jié)束后, 圖像