非制冷红外热像仪完整版
非制冷红外热像仪完整
版
IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
红外成像阵列与系统
—非制冷红外热像仪简述
2013年11月8日
非制冷红外热像仪简述
摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。
关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数
The brief description of uncooled infrared thermal imager
Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian
Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.
Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle; development status; system design; performance parameter
0 前言
红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物理的温度分布图像转换为视频图像的设备[1]。而由于焦平面阵列探测器材料及相关工艺的限制，早期的红外热像仪必须经过制冷处理来尽可能地减小误差，因此早期的红外探测器件往往会有相应的制冷剂伴随着一起工作，这样在成本和使用率方面就比较落后。但是随着红外技术的不断革新，特别是热电材料及其相关技术的日臻成熟，人们将一些热电、铁电材料逐渐代替了需要制冷方能正常工作的探测器阵列材料，如碲镉贡HgCdTe等，于是在1978年非制冷热成像技术首次研究成功。相应地，许多不同材料、不同类型的非制冷红外热像仪也相继问世。到目前为止，非制冷红外热像仪的基本工作原理，理论基础已经得到广泛地验证，在各个方面的应用也取得了比较好的效果，但是就材料、噪声、系统、性能等方面仍存在需要进行大量研究的必要性。
非制冷红外热像仪有着突出的优点。相比于普通的制冷型红外热像仪而言，非制冷红外热像仪在使用率、价格、可靠性、体积、功耗等方面都有制冷红外成像系统无可比拟的优势。非制冷热成像系统在各个领域有着广阔的应用前景。
在军事领域，与第一代成像系统相比较，非制冷红外成像系统的结构大大简化，提高了可靠性、分辨率和探测灵敏度，并降低了造价。采用红外焦平面阵列的红外侦察系统能在远距离和恶劣气候条件下有效地探测和跟踪目标；非制冷热成像系统特别适合陆军的轻武器使用，作为单兵侦查、夜间驾驶、轻武器瞄具等。AN／VAS．5型驾
驶员影像增强器(DⅦ)是战斗和战术轮式车辆驾驶员使用的一种被动非制冷热成像系统。能使车辆在昼夜和存在人工遮蔽物(如烟、雾或尘)情况下连续工作。
在商业和民用方面，可以用于工业、医学、交通、公安、消防、海关等，这是制冷型热成像系统因为其高昂的价格目前无法打入的市场。尤其在2003年春的防非典过程中，用于红外测温仪的非制冷热成像系统发挥了巨大作用。非制冷热成像系统的在商业和民用方面的需求量也在逐年增加。
同时，非制冷热成像系统也存在一定的缺点。在测试性能方面，非制冷红外热像仪的精度明显不如制冷型红外热像仪，而误差方面也不如制冷型红外热像仪，特别是非制冷红外焦平面阵列的非均匀性对测量误差的影响较大。
1 非制冷红外热像仪的发展状况
红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、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设备，是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。在军事领域，它可以突破黑夜的障碍，实施夜间行动和作战，大幅度提高武器系统的作战能力；在民用领域，红外热成像系统可以进行无损检测等，同时非制冷焦平面探测器使整个红外热成像系统省去了复杂的制冷系统，成本大大降低，使得红外热成像技术得到飞速发展。
非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面，其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展。从1978年非制冷式热成像技术首次研究成功，到目前非制冷热成像仪装备到部队，已经有20多年的发展历史。世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究，其中美国、英国、法国等国家处于领先地位。探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵，并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。
非制冷红外热成像技术发展现状
非制冷红外探测器主要有电阻型热探测器、铁电型和热释电型探测器。电阻型热探测器的敏感元是热敏电阻，使用的材料主要为氧化钒（VOx）和非晶硅（ -Si）。铁电型焦平面探测器的主要材料有锆钛酸铅（PZT），钛酸锶钡（BST）为热释电探测器的主要材料。性价比最高的非制冷系统使用的是混合式铁电探测阵列。
非制冷红外探测器的研究居世界领先水平的国家主要有美国、法国、英国、和日本。英国从事非制冷红外探测器研究的公司主要是BAE公司，发展成熟的探测器为PST和PZT混合结构的热释电陶瓷探测器，PST与PZT单片式结构探测器正处在研制中。日本从事非制冷红外探测器研制的公司主要有三菱公司和日本电气公司。
三菱公司的非制冷红外探测器正处于研发过程，主要有Si P/N结型和YbaCuO电阻型热探测器两种。探测器的规格为320X240，像素尺寸均为40μm，在f/1条件下，Si P/N结型焦平面探测器的NETD优于120mK，YbaCuO电阻型焦平面的NETD优于80mK。
日本电气公司主要从事以VOx为材料的电阻型探测器的研究，其第一个原理型探测器的NETD为150mK(256X256,50μm像素尺寸)。最新报道的320X240焦平面阵列像素尺寸为37μm。热响应时间为12ms，填充因子为72%。装备热成像系统后的NETD 为100mK（f/）。
据国际光学学会（SPIE）预测，目前红外热成像产品的世界市场规模每年合计40亿美元，美国产品占50%以上。由此看出，在红外热成像技术上，美国处于世界领先地位。图1 所示为美国非制冷红外探测器的发展过程。
图1美国非制冷红外探测器发展过程
世界上第一个非制冷红外热成像系统就是由美国的Texas Instruments研制成功的，主要红外材料为 -Si与BST。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术。应为这样可以提供较好的热隔离，并且可以降低生产成本。1990-1994年，美国很多公司从Honeywell公司得到技术转让，使以VO X为探测材料的非制冷探测器得到了快速、广泛的发展。VO X材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的探测器就是采用VO X材料制备的。
（1）BST铁电型探测器
混合结构的BST热探测器发展已经比较成熟，其中像素尺寸为50μm的320X240焦平面的NETD为47mK。生产的W1000系列为典型产品，其质量为，探测距离可达550m，可用于轻型武器热瞄具（LTWS）、驾驶员视力增强器（DVE）、手持式热像仪和车载式驾驶仪。截止到2003年9月，Raytheon已经向美国陆军交付10000只武器热瞄具，包括轻、中和重型武器热瞄具，其中以轻型武器热瞄具装备的SpecterIR就是采用320X240阵列的BST探测器制备的，装备的武器有M16、M4、M203、和M136等，可以探测并识别200m以外的行人。
薄膜铁电型探测器（TFFE）正处于研发阶段[2]，设计规格为320X240，像素大小为μm,2002年Raytheon在TFFE上取得新的突破，NETD在90-170mK之间，填充因子为55%。
（2）VOx电阻型探测器
由于VOx材料具有较高的热电阻系数，因此用此材料制备的非制冷探测器是目前性能最好的探测器，已经投入市场的焦平面阵列探测器的规格为320X240,像素尺寸为50μm，NETD为20mK，热响应时间为20ms。该型号的探测器在Raytheon vision system，BAE、Indigo、DRS等公司都有生产。DRS公司生产的U3000/U4000已经作为
武器热瞄具装备于美国陆军，焦平面像素尺寸为51μm，响应波段为8-12μm，NETD （U3000）为64-75mK，质量为。
同时，BAE公司也在陆续为部队提供MicroIRTM系列的轻型武器热瞄具，配备的武器系统有A4、A16系列和M136系列、AF4。可用在空降师、机械化步兵师等作战部队。
非制冷红外热像仪在部队轻型武器中的应用是美军用非制冷红外热像仪取代第二代FLIR迈出的第一步。
小像素尺寸的640X480焦平面阵列探测器是多家公司研制的新型产品，也是重点研究产品，它可以用来提高图像的分辨率。1999年BAE第一个报道了以640X480焦平面为核心的热像仪LTC650TM，像素尺寸为28μm，NETD<℃，质量为。
DRS公司在2001年报道了第一个研制的以640X480焦平面为核心的热像仪
U6000，像素尺寸为μm，2002年5月对该热像仪进行了演示。
Raytheon的25μm像素的640X480焦平面性能最高：热响应时间10ms，NETD平均只有35mk填充因子大于70%，代表了目前电阻型微测辐射热计发展的最高水平，但距其NETD为5mk的目标还有一定的差距[4,5]。
以640X480焦平面为组件的热成像系统在LTWS和DVE等轻武器上的应用目前还未见报道。
（3）α-Si电阻型探测器
α-Si电阻型探测器的主要在商业和民用上，Raytheon公司生产的160X120芯片，其像素尺寸为μm，NETD<100mK，目前已经大批量生产，在世界范围都有销售。
法国的Sofradir和LETI/GEA公司在非制冷微测辐射热计上的发展打破了美国在这方面的垄断。
LETI/GEA公司从1992年开始从事α-Si微测辐射热计的研究，取得了较好的成果，2000年Sofradir从LETI/GEA公司得到技术转让，开始α-Si微测辐射热计的研究。目前真正从事非制冷红外探测器生产的是Sofradir的子公司ULIS公司。该公司的主要产型号有两种：UL 01 01 1 型（2001年）和UL 01 02 1 E型（2002年），其焦平面阵列均为320X240、像素尺寸为45μm的阵列，填充因子均大于80%，NETD 分别为90mk和100mk。与UL 01 01 1 型相比UL 01 02 1 E型内部增加了温度稳定装置，使探测器的温度动态范围大大增加，其工作性能受外界环境温度的影响明显减小。
处于研发过程的产品有：35μm像素的160X120、320X240焦平面阵列和25μm 像素的640X480、320X240焦平面阵列。
这两种产品为该公司正在开发的两种新型产品。2003年报道的最新资料显示，35μm像素的320X240焦平面阵列NETD为36mk（50Hz，f/1），热响应时间为
12ms，热阻抗为W。
25μm像素的640X480、320X240焦平面阵列要求达到35μm像素的焦平面性能。2002年LETI/CEA给出的资料显示，25μm像素的320X240焦平面阵列NETD值为35μm像素320X240焦平面阵列的倍，个别产品达到与35μm相同的性能。
我国在非制冷焦平面阵列技术上起步较晚，近年来国家投入了大量人力物力用于非制冷焦平面阵列的研究，目前已经取得初步发展。1995年，中国科学院长春光学精密机械研究所利用微机械加工技术研制成功了低成本线列32元、128元硅微测热辐射计阵列，NETD为300mk，存储时间为1ms。由中国科学院上海技术物理研究所所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定。该项目采用新工艺制备的钛酸锶钡铁薄膜材料性能达到国际领先水平。与美国TI公
司演示的第一代非制冷探测器所使用的材料相同。这表明我国在非制冷热成像技术研究上还有很大潜力。
我国在非制冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发软件的业务上，最核心的机芯部分都是从国外进口。
国内具有较强研发实力、拥有自主知识产权、能够独立开发红外热像仪后续电路和图像处理软件的民用企业主要为武汉德高红外股份有限公司，浙江大立科技和广州飒特电力红外技术有限公司等。这三家公司占据了60%的中国民用市场份额，产业集聚现象比较明显。
近日，中国航天科技集团公司九院771所非制冷红外热像仪产品化技术研究项目顺利通过结题验收，标志着该所从技术、工艺可实现性方面掌握了便携式红外热像仪系统设计方法。该所组织研发团队通过所内立项的方式进行非制冷红外热像仪产品化关键技术攻关。该项目此次通过验收为今后以传感器为核心的光电系统研发奠定了坚实的基础，也为后续相关产品的开发开拓了更广阔的天地。
非制冷红外热成像技术发展趋势
根据非制冷红外热像仪的市场需求，未来非制冷红外热成像技术的主要发展方向为：
（1）发展高性能的非制冷红外焦平面阵列。主要用于满足军事装备的需要。其性能要求如下：
1)相同性能条件下进一步减小像素的尺寸；
2）响应时间短，满足目标搜索的需要；
3）低功耗；
4）高分辨率；
5）发展大阵列；
6）进一步缩小系统体积；
（2）发展低成本的非制冷红外焦平面阵列。适用于对分辨率要求不太高的场合，主要市场在民用领域。其性能要求如下：
1)提高探测器的灵敏度，采用新的光学材料；
2)发展小阵列；
3）要易于操作；
4）在封装上，采用集成干胶片技术。
2 非制冷红外热像仪的测温原理及其理论基础
红外热像仪的测温方式相比于其他测温方式相比在以下两种情况下具有明显的优势[3]：(1)温度分布不均匀的大面积目标的表面温度场的测量；(2)在有限的区域内快速确定过热点或过热区域的测量。而非制冷红外热像仪更是在此基础上大量地降低了成本、提高了使用率。
红外热像仪的测温原理及理论基础
红外热成像技术是在红外波段3μm~6μm和8μm~14μm两个大气窗口，利用场景中物体本身的热辐射，将热目标的红外图像转换为可见光图像。其转换过程为[4]：热像仪对准目标时其瞬时视场将物体的表面看作一个个像元，然后通过内部机构将含有像元温度的辐射能量汇聚到探测器上，从而探测器的输出电信号幅度与输入的辐射能量大小成正比，最后经信号处理在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图。
在整个过程中，热像仪阵列的每个传感器接受对应于目标上的一个像元，每个像元对应的输入辐射在焦平面上成像，随后通过置于焦平面的光电或是热电系统将每个像元含有的辐射能转换为电信号，再经过后置电路的放大及去噪显示在显示器上。
红外热成像的理论基础是斯忒藩——玻尔兹曼定律。该定律指出黑体表面单位面积所发射的各种波长的总辐射功率与其热力学温度的四次方成正比。即[5]
4b M T σ= （）
式中，b M 为黑体表面单位面积所发射的各种波长的总辐射功率，T 为其对应的热力学温度，σ为斯忒藩常数，8245.6710()W m K σ---=??? 。
而在红外波长范围内实际物体的热辐射可近似看作灰体辐射，灰体接近黑体辐射的程度被称为灰体的发射率，且该参数不随波长的改变而改变。换言之，发射率能够说明物体的辐射本领与同温度同测量条件下黑体的辐射本领之比。如果将辐射功率看成是波长和对应热力学温度的函数，那么红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率与黑体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率可分别表示为
()(,)M T M T d λλ∞
=? （）
和 0
()(,)b b M T M T d λλ∞
=? （）
又根据发射率的定义，有
(,)()(,)
b M T M T λελλ= （） 而红外波长范围的物体发射率不随波长而改变，故可得到
()()b M T M T ε= （）
所以
4()M T T εσ= （）
上述四个公式中，()M T 为红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率，(,)M T λ为红外波长范围下的物体表面单位面积所发射的单一波长λ的辐射功率，()b M T 为黑体表面单位面积所发射的各波长的总辐射功率，(,)b M T λ为黑体表面单位面积所发射的单一波长λ的辐射功率，ε为被测物体的发射率，T 为所测量辐射对应的热力学温度，σ为斯忒藩常数。
在实际的测量过程中，红外热像仪所接收到的辐射包括[4]：(1)被测物体表面本身的辐射能量；(2)被测物体表面反射的环境辐射能量；(3)被测物体表面透射的环境辐射能量。所以探测器接收到的温度不是真实温度，在实际测温时通常要先用高精度黑体对热像仪进行标定，找出物体表面的辐射温度与其真实温度二者之间的关系，并对此进行修正，这样才能在最终的成像显示结果中得到被测物体的真实温度。
物体表面的辐射温度与其真实温度二者之间的对应关系如下[5]。
假设被测物体表面本身的辐射能量为1E ，被测物体表面反射的环境辐射能量为
2E ，被测物体表面透射的环境辐射能量3E ，红外热像仪所接收到的辐射能量为E ，则有
123E E E E =++ （）
又设被测物体的发射率为ε，反射率为ρ，透射率τ，环境辐射能量为s E ，与被测器件表面相同的黑体辐射能量为o E ，则有
1o E E ε= （）
2s E E ρ= （）
和 3s E E τ= （）
根据式（）有
o s s E E E E ερτ=++ （）
又根据1ερτ++=，有
(1)o s E E E εε=+- （）
设被测物体表面的辐射温度为r T ，物体真实温度为o T ，环境温度为s T ，环境的发射率为*ε则结合式（）和式（）可得
44*4(1)r o s T T T σεσεεσ=+- （）
即 44*4(1)r o s T T T εεε=+- （）
这样就找到了被测物体表面的辐射温度r T 和其真实温度o T 之间的关系，从而可根据此关系式对红外热像仪进行标定。
若考虑大气与环境温度不一致，则红外热像仪的热辐射示意图如图所示。
图 红外热像仪热辐射示意图
图中，1—环境，2—被测物体，3—大气，4—红外热像仪，obj W ετ为物体自身辐射，(1)refl W ετ-为环境反射辐射，(1)atm W τ-为大气透射辐射，refl T 为环境温度，τ为大气透过率，ε为物体发射率，atm T 为大气温度。
从被测物体表面的辐射照度入手，一般有[6]
20[()(1)()()]a b o a b s a b a E A d L T a L T L T λλλλλλλλλτετε-=+-+ （）
式中，E λ为被测物体表面的辐射照度，0A 为最小空间张角所对应的目标的可视面积，d 为目标到热像仪的距离，一般20A d -为常量，a λτ为某一波长下大气光谱透过率，λε为某一波长下被测物体的表面发射率，b L λ为对应温度的辐射亮度，o T 为被测物体的实际温度，a λ为被测物体在某一波长下的表面吸收率，s T 为环境温度，a λε为某一波长下大气的发射率，a T 为大气温度。
探测器的信号电压有相应的辐射功率和探测器光谱响应度决定，所以在某一波长下探测器的信号电压为[5]：
R V A E R d λλλ
λ?=? （）
式中R λ为探测器的光谱响应率。
由于红外热像仪工作波段比较窄，所以取0ε，0a ，0a τ，0a ε为所测波段上λε，a λ，a λτ，a λε的平均值，则可近似认为与波长λ无关。则式（）可写成[6]
0000{[()(1)()]()}a b o b s a b a V K R L T d a R L T d R L T d λλλλλλλλλ
τελλελ???=+-+??? （）
式中20R K A A d -=。
非制冷红外热像仪在测温原理上的改进
非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面[1]，是利用某些物质对温度的敏感特性探测红外辐射能量的热敏元件，非制冷红外探测器探测红外辐射的基本原理包含两个过程[7]：(1)探测器吸收辐射以后温度随之升高，伴随入射辐射功率的变化，元件的温度也在发生相应的变化；(2)利用元件某种温度的敏感特性把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号，或者利用元件某种温度的敏感特性来调整电路中电流强度的大小，从而得到相应的电信号，此过程实际上就是测量物体温度变化的过程。对非制冷红外热像仪的分析均起始于红外辐射造成的敏感元件的温升，依赖于探测机构对温升的探测。如图所示为非制冷红外探测器的回路示意图[6]。
图 非制冷红外探测器的回路示意图
导热体具有恒定的温度，在没有辐射照射时，热探测器与导热体之间满足热平
衡，当探测器吸收辐射后，一部分传导出去，一部分使探测器温度升高，其中，热传导方程为[8]
()()d Q H T P t dt d T C G T P t dt
αα?+?=?+?= （） 式中，C 为热容，表示探测器每升高1摄氏度的温度所要吸收的热能；Q ?为热容量；H 为热传导系数，表示单位时间内探测器和导热体之间交换的热量；G 为探测器的热导；T ?为探测器吸收辐射后引起的温升；α为探测器吸收系数；()P t 为入射辐射功率。
通过热传导方程能够得到温升()T t ?[8]
00221/22221/2
|()|(1)()T T P P T t H H ααωτωτ?==++ （） 式中，T τ为热时间常数，/T C H τ=。
则温度响应率为
2221/2
0|()|()T T T t R P H αωτ?==+ （） 结合式（）和式（），即将热探测器的响应度代入式（），得到
0000(){[()(1)()]()}a b o b s a b a V KR T L T d a L T d L T d λλλλλλ
τελλελ???=+-+??? （）
式中，T 为热探测器的探头温度。
现在使得()b
I L T d λλλ?=
?，则式（）变为 0000(){[(1)]}a o s a a V KR T I a I I τεε=+-+ （） 探测器的输出值为()V KR T ，则令()
r V I KR T =，有 0000[(1)]r a o s a a I I a I I τεε=+-+ （）
在红外波长范围下可被测物体近似看作为灰体，则00a ε=，且若对于大气有
001a a ετ=-，则被测物体表面温度计算公式可以写为
0000[(1)](1)r a o s a a I I I I τεετ=+-+- （）
比较式（）和式（），可以看到，两个公式虽然不同，但是对于环境的测量值和被测物体真实的测量值而言，形式相近，但式（）不仅考虑到大气的因素，还将输出具体到相应电压，故式（）的测温公式应用更加广泛。
根据式（）变形可得
00000
11(1)(1)a
r
o s a a I I I I εεττε=-++-
（） 根据上述标定原理，用高精度黑体标定时，0a τ=1，0ε=1，则有
()o r b I I L T d λλ
λ?==?
（）
可见，仪器输出值仅与被测物体表面温度有关[6]。
3 非制冷红外热像仪的系统设计
本文主要介绍了一种基于 FPGA 的红外图像处理系统, 通过 NiosII 嵌入式处理器实现了系统管理。针对非制冷红外焦平面探测器组件的成像特点,设计了一种基于流水线结构的信号处理体系, 实现了实时的非均匀校正、盲元补偿和自适应图像增强。测试结果表明, 这种系统不仅具有稳定可靠的成像质量, 还具有体积小、质量轻、结构简单的优点。
基于FPGA的模块设计
可编程单芯片系统(SOPC)是一种新的 FPGA 设计发展趋势, 它不仅支持传统的信号处理功能, 还能够集成可编程嵌入式处理器和专用 IP 核。因此, 采用
SOPC 技术是设计小型化、低功耗非制冷红外成像系统的理想选择。
电路系统以 FPGA 为核心, 通过 FPGA 把 A/D 转换器、D/A 转换器、数据/程序存储器、USB 通信接口、键盘等外设连接成一个有机整体。FPGA 内部集成了NiosII 嵌入式处理器、实时信号处理、直方图处理、视
频合成、DPRAM、时序控制逻辑等模块。
图基于 FPGA 的非制冷红外热成像系统结构
FPGA为 IRFPA 提供时钟(MC)、积分(INT)和复位 (RESET) 等驱动信号 , 而 IRFPA 的响应信号(SORTIE)经过放大和滤波后输出到 A/D。A/D 采用IRFPA 相同的时钟频率, 经过采集后的数字响应信号将与 IRFPA 输出的数据有效信号(DATAVALID 和（LINE1) 一并送到 FPGA 进行实时处理。在 FPGA 内,DATAVALID 和LINE1 将生成当前像素的空间位置信息, 用于读取该像素的校正系数。经过实时信号处理后的图像数据将被送到视频合成模块, 该模块将图像数据、视频同步(SYN)和消隐信号(BLANK)送到 D/A, 合成为符合CCIR—656制式的标准视频。
基于流水线结构的实时信号处理
非均匀校正、盲元补偿和图像增强是红外成像系统实时信号处理的3个基本内
容。非均匀校正用于消除 IRFPA 的非均匀性导致的固定图案噪声, 通常采用线性方式, 其表达式为:
为像素 (i,j)原始图像信号; 为校正后信号; 和 分别为增益校正系数和偏移校正系数。
为了适合于流水线操作, 系统为每个像素分配一个标志位 ,i j F 来表示该像素是否为盲元。文中采用左右像素估计盲元的正确响应值, 其表达式为:
图像增强基于灰度冗余技术, 把表达图像信息的区域扩展到整个直方图动态范围, 其表达式为:
式中:
表示冗余增强系数; k 表示当前帧的编号;
,C i j Y 为增强后的输出信号
图 实时信号处理流水线
首先进行增益校正(见图 的①), 增益校正系数和原始图像数据 Xi,j 同时进入乘法器, 其乘积经过一级流水后到达加法器; 而偏移校正系数 Oi,j 经一级流水延迟后同时到达加法器,加法器输出结果便是公式(1)表示的校正结果。经过非均匀校正以后, 图像数据将进行盲元补偿(见②)。加法器一直计算某一像素前后两个像素的平均值。该平均值作为预备的补偿值与该像素同时向后传递, 直到双路选通开关。而盲元标志 Fi,j 自从进入流水线后就逐级向后传递, 一直到双路选通开关。在选通开关处, Fi,j 将决定是平均值向后输出还是真实值向后输出, 从而实现了盲元补偿。盲元补偿结束后, 图像数据,i j X ,i j Y ,i j G ,i j O K K A B 和
一路进入直方图处理模块(见③), 另一路进入图像增强级(见④)。经过两级增强运算后, 图像数据最后被输出到视频合成模块。
基于 NiosII 的系统管理
NiosII 是 Altera 公司开发的一种基于 FPGA 的可配置单指令流的 32 位 RISC 嵌入式处理器, 它支持DMA 数据传输, 支持用户定制指令, 运算速度可达250 DMIPS。 NiosII 通过 Avalon 总线与 SDRAM、Flash、USB 控制器、键盘等外设相连, 通过时序控制逻辑发出的中断请求实现与 DPRAM、直方图处理模块的数据通信。系统程序采用多任务管理，开机以后, 系统会首先初始化内部的寄存器和外设的状态参数, 然后开启校正/标定、键盘管理和 USB 通信等 3 个线程。为了保证系数更新的实时性, 校正/标定线程具有最高的优先级。
图系统结构图
在校正/标定线程, 信号处理模块与 NiosII 的数据交换是通过 DPRAM 完成的。DPRAM 是在 FPGA内部定制的双向双端口存储器, 它一侧与 NiosII 的Avalon 总线
相连, 另一侧与信号处理模块相连。在标定模式下, 信号处理模块直接将来自于 AD 的原始图像数据存储到 DPRAM 内。当完整的两帧高温和低温黑体数据存储结束后, NiosII 将会计算每个像素的增益和偏移校正系数, 确定盲元的位置, 并将这些参数
存储于 Flash 内。信号处理模块也可以在时序控制逻辑的控制下将处理好的图像数
据存储到 DPRAM 内,然后由 USB 通信接口传输到 PC 机。由于 DPRAM 每侧的读写操作都是独立的, 因此避免了信号处理模块与 NiosII 对 DPRAM 访问权的来回切换,
从而提高了数据的传输效率。经过盲元补偿后, 图像数据将在直方图处理模块内完成直方图统计。在一帧统计结束后, NiosII 将按照灰度冗余增强技术对直方图进行处
理计算出下一帧的冗余增强系数 Ak+1和 Bk+1, 并在下一帧到来前传递给信号处理模块。
4 非制冷红外热像仪的性能参数
非制冷红外热像仪的性能参数主要包含以下几个个方面：(1)噪声等效温差
（NETD ）；(2)最小可分辨温差（MRTD ）；(3)最小可探测温差（MDTD ）；(4)非均匀性（NU ）；(5)信号传递函数（SiTF ）；(6)调制传递函数（MTF ）。非制冷红外热像仪还有其它一些性能参数，比如焦平面阵列噪声、视场角FOV 与焦距f 、系统分辨率、系统畸变以及系统光学同轴度等等。
噪声等效温差（NETD ）
噪声等效温差是假定测量源为黑体、大气传输系数为1的情况下定义的实验测量值。其定义为系统基准电子滤波器输出的信号峰值与噪声信号的均方根之比为1时黑体目标与背景的温差，即
/S N
T NETD V V ?= （） 式中，T ?为靶标与背景黑体源之间的温差，S V 为目标信号的响应电平，N V 为背景信号的响应电平。
然而在红外热像仪中，单个像元的NETD 的给出需要用到信号传递函数（SiTF ）的值，让黑体源稳定在某一温度，通过采集一定帧数的红外焦平面阵列组件的输出来计算时域的NETD 值，其计算公式如下：
xy σ= （）
xy
xy NETD SiTF σ= （）