【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，為大氣透過率，為物體發(fā)射率，為大氣溫度。從被測物體表面的輻射照度入手，一般有[6] （）式中，為被測物體表面的輻射照度，為最小空間張角所對應(yīng)的目標的可視面積，為目標到熱像儀的距離，一般為常量，為某一波長下大氣光譜透過率，為某一波長下被測物體的表面發(fā)射率，為對應(yīng)溫度的輻射亮度，為被測物體的實際溫度，為被測物體在某一波長下的表面吸收率，為環(huán)境溫度，為某一波長下大氣的發(fā)射率，為大氣溫度。探測器的信號電壓有相應(yīng)的輻射功率和探測器光譜響應(yīng)度決定，所以在某一波長下探測器的信號電壓為[5]： （）式中為探測器的光譜響應(yīng)率。由于紅外熱像儀工作波段比較窄，所以取，，為所測波段上，，的平均值，則可近似認為與波長無關(guān)。則式（）可寫成[6] （）式中。 非制冷紅外熱像儀在測溫原理上的改進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)對溫度的敏感特性探測紅外輻射能量的熱敏元件，非制冷紅外探測器探測紅外輻射的基本原理包含兩個過程[7]：(1)探測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，或者利用元件某種溫度的敏感特性來調(diào)整電路中電流強度的大小，從而得到相應(yīng)的電信號，此過程實際上就是測量物體溫度變化的過程。對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，依賴于探測機構(gòu)對溫升的探測。[6]。 非制冷紅外探測器的回路示意圖導(dǎo)熱體具有恒定的溫度，在沒有輻射照射時，熱探測器與導(dǎo)熱體之間滿足熱平衡，當探測器吸收輻射后，一部分傳導(dǎo)出去，一部分使探測器溫度升高，其中，熱傳導(dǎo)方程為[8] （）式中，為熱容，表示探測器每升高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)，表示單位時間內(nèi)探測器和導(dǎo)熱體之間交換的熱量；為探測器的熱導(dǎo)；為探測器吸收輻射后引起的溫升；為探測器吸收系數(shù)；為入射輻射功率。通過熱傳導(dǎo)方程能夠得到溫升[8] （）式中，為熱時間常數(shù)。則溫度響應(yīng)率為 （）結(jié)合式（）和式（），即將熱探測器的響應(yīng)度代入式（），得到 （）式中，為熱探測器的探頭溫度?，F(xiàn)在使得，則式（）變?yōu)? （）探測器的輸出值為，則令，有 （）在紅外波長范圍下可被測物體近似看作為灰體，則，且若對于大氣有，則被測物體表面溫度計算公式可以寫為 （）比較式（）和式（），可以看到，兩個公式雖然不同，但是對于環(huán)境的測量值和被測物體真實的測量值而言，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（）的測溫公式應(yīng)用更加廣泛。根據(jù)式（）變形可得 （）根據(jù)上述標定原理，用高精度黑體標定時，=1，=1，則有 （）可見，儀器輸出值僅與被測物體表面溫度有關(guān)[6]。3 非制冷紅外熱像儀的系統(tǒng)設(shè)計本文主要介紹了一種基于 FPGA 的紅外圖像處理系統(tǒng), 通過 NiosII 嵌入式處理器實現(xiàn)了系統(tǒng)管理。針對非制冷紅外焦平面探測器組件的成像特點,設(shè)計了一種基于流水線結(jié)構(gòu)的信號處理體系, 實現(xiàn)了實時的非均勻校正、盲元補償和自適應(yīng)圖像增強。測試結(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)簡單的優(yōu)點。 基于FPGA的模塊設(shè)計可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)是一種新的 FPGA 設(shè)計發(fā)展趨勢, 它不僅支持傳統(tǒng)的信號處理功能, 還能夠集成可編程嵌入式處理器和專用 IP 核。因此, 采用SOPC 技術(shù)是設(shè)計小型化、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 FPGA 把 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)/程序存儲器、USB 通信接口、鍵盤等 外 設(shè) 連 接 成 一 個 有 機 整 體 。FPGA 內(nèi) 部 集 成 了NiosII 嵌入式處理器、實時信號處理、直方圖處理、視頻合成、DPRAM、時序控制邏輯等模塊。 基于 FPGA 的非制冷紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FPGA為 IRFPA 提供時鐘(MC)、積分(INT)和復(fù)位 (RESET) 等 驅(qū) 動 信 號 , 而 IRFPA 的 響 應(yīng) 信 號(SORTIE)經(jīng)過放大和濾波后輸出到 A/D。A/D 采用IRFPA 相同的時鐘頻率, 經(jīng)過采集后的數(shù)字響應(yīng)信號將與 IRFPA 輸出的數(shù)據(jù)有效信號 (DATAVALID 和（LINE1) 一并送到 FPGA 進行實時處理。在 FPGA 內(nèi),DATAVALID 和 LINE1 將生成當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)過實時信號處理后的圖像數(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(BLANK)送到 D/A, 合成為符合CCIR—656制式的標準視頻。 基于流水線結(jié)構(gòu)的實時信號處理非均勻校正、盲元補償和圖像增強是紅外成像系統(tǒng)實時信號處理的3個基本內(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, 其表達式為: 為像素 (i,j)原始圖像信號。 為校正后信號。 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)為每個像素分配一個標志位 來表示該像素是否為盲元。文中采用左右像素估計盲元的正確響應(yīng)值, 其表達式為: 圖像增強基于灰度冗余技術(shù), 把表達圖像信息的區(qū)域擴展到整個直方圖動態(tài)范圍, 其表達式為: 式中: 表示冗余增強系數(shù)。 k 表示當前幀的編號。 為增強后的輸出信號 實時信號處理流水線首先進行增益校正(見圖 的①), 增益校正系數(shù)和原始圖像數(shù)據(jù) Xi,j同時進入乘法器, 其乘積經(jīng)過一級流水后到達加法器。 而偏移校正系數(shù) Oi,j經(jīng)一級流水延遲后同時到達加法器,加法器輸出結(jié)果便是公式(1)表示的校正結(jié)果。經(jīng)過非均勻校正以后, 圖像數(shù)據(jù)將進行盲元補償(見②)。加法器一直計算某一像素前后兩個像素的平均值。該平均值作為預(yù)備的補償值與該像素同時向后傳遞, 直到雙路選通開關(guān)。而盲元標志 Fi,j自從進入流水線后就逐級向后傳遞, 一直到雙路選通開關(guān)。在選通開關(guān)處, Fi,j將決定是平均值向后輸出還是真實值向后輸出, 從而實現(xiàn)了盲元補償。盲元補償結(jié)束后, 圖像