基于DSP处理器的红外测温系统的设计

曾庆永， 郑世峰

(1.中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471009;2.中国人民解放军91576部队，浙江 宁波 315000)

0 引言

用红外热像仪对电力设施温度异常检测，判断电力设施是否故障，是无人机电力巡检系统中一项重要检测手段。电力设施故障红外诊断最核心的问题是要求准确地获得被测设施的温度分布或故障相关部位温度值与温升值。因此，对被测设施故障相关部位温度的计算与合理修正，将是提高检测设施表面温度准确性的关键环节。然而在现场进行电力设施红外检测时，由于检测条件和环境的影响变化，可能导致同一设施因检测条件不同，而得到不同的结果。因此，提高红外检测的准确度，必须提高红外热像仪测温精度和测温环境的适应能力。

传统红外测温的方法有多种，其中单项查表法和线性拟合法是两种主要的方法;两种测温方法在测温环境相对稳定的条件下，测温测量值相对准确。但是在测温环境变换比较大时，往往会出现测温整体偏移现象，测量精度较差。分析其原因是上述两种测温算法都是针对某一环境温度下定标的，没有考虑到环境温度补偿。为了满足电力巡线系统中红外测温要求，提出了一种新的测温方法——双向查表法，该方法也是基于查表处理的，但与单项查表法相比，它需要查询测温表和环境补偿查表，利用环境补偿表，补偿了不同环境温度下的温度偏差，提高了环境温度变化的适应性和测温精度，解决了传统测温系统在不同环境温度下存在测温整体偏移问题。

1 系统的组成及工作原理

红外测温系统主要由FPGA、DSP处理器、SDRAM存储器、FLASH存储器、视频字符叠加模块及电源转换模块等，系统框图如图1所示。

图1 红外测温系统框图Fig.1 Block diagram of infrared temperature measurement system

红外测温系统理论依据是普朗克定律。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就是红外热成像测温理论基础［10］。红外探测器可获取景物大视场的红外辐射图像，当红外热像仪对物体测试时，热像仪的瞬时视场将物体表面分解成一个个像元，然后由内部机构将代表各像元温度的辐射能量按一定规律会聚到探测器上，探测器输出电信号的幅度与输入辐射能量的大小成正比，信号经过模数转换后送DSP处理器处理，在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图，以黑体为标准，根据探测器输出热像图灰度值G与温度T的关系，测定样本点，建立G与T的映射关系，则可以得到整个系统的温度标定查找表TB［T］，测量温度时，以G为索引，找出相应的温度。这样就实现了红外热成像测温系统。

2 测温算法及其策略

2.1 测温算法

要通过红外图像灰度值测量对应目标物体温度值，必须要通过黑体标定。黑体标定是通过人为设定改变黑体炉温度，得到不同温度黑体在焦平面上图像灰度值，得到当前环境温度下测得的测温表，将当前环境温度称为定标时的环境温度Tref。现场使用时测温过程如下:将与黑体等效温差正相关的图像灰度差，加上现场环境温度与定标环境温度温差对应的灰度差(补偿值)，查找定标环境温度下测得的测温表，查到现场温度下图像灰度差对应的黑体等效温差，最后将温差加上现场的环境温度，经发射率修正后转换为目标温度。这也是环境温度补偿过程，红外测温的过程即环境温度补偿过程，补偿的方法就是查表。

标定过程本质上是建立了黑体温差与红外图像的灰度差之间的关系，设此关系为G=M(Tobj，Tref)，其中G为灰度差，Tobj为标定时目标黑体温度，Tref为标定时环境温度(参考温度)，测温时根据灰度差G查表得到Tobj。由斯蒂芬-玻耳兹曼定律，黑体的全辐出度与温度成四次方关系，对发射率为з的目标，如果不考虑大气传递及光学系统的损耗，则探测器输出电压与入射的辐射照度成正比关系，且图像灰度值G满足下式

式中:E为探测器接收的辐射照度;S为探测器灵敏度(增益);K为一经验常数;Tobj为目标温度;Tenv为当前环境温度;Φ为视角。由于式中S，K均为常数，当目标充满探测器视野后，上式中G为温度的二元函数(自变量分别为Tobj和Tenv)，而除温度外其余参数均为常数，将这些常数合并为Kall，以上过程即为测温查表算法。

2.2 三种测温算法比较

1)线性拟合法。

根据黑体标定测试的大量数据，利用曲线拟合的最小二乘法函数f(X)∈［a，b］最佳平均逼近拟合出一条曲线，求出测温关系函数y=ah3+ah2+c。测温时依据红外图像灰度值可计算出对应温度值［7］。线性拟合法拟合参数在实验时确定，在测温处理器中应用拟合测温公式即可。但由于目标物体温度值与灰度值不完全线性化，因此，测温精度较差。对此文献［12］提出了分段线性拟合的方法，测温精度得到了一定的提高。

2)单向查表法。

单向查表法，定标时只得到了关系G=M(Tobj，Tref)，当测温系统工作环境温度改变时(设此时环境温度为Tenv)，首先将Tenv作为 Tobj查找关系M，得到的灰度G'作为补偿值，测温时加上G'进行查表，这个G'的实际意义是Tenv和Tref之间黑体温差对应的灰度差，这样测温算式为

但上式中的灰度差G'是在环境温度为Tref时测得的，而当前现场环境温度为Tenv，在不同环境温度下，补偿灰度差G'未必相同。这样测出的温度误差比较大。

3)双向查表法。

采用双向查表法是除前述的G=M(Tobj，Tref)外，增加反映环境温度与灰度补偿值关系的表Gcomp=Mr(Tenv，Tref)，并定义前一个表M为测温表，后一个表Mr为环境温度反查表。

双向查表法的环境温度补偿算式为

双向查表法的测温算法为:1)根据Tenv查反查表得到环境温度对应的灰度补偿值Gcomp;2)由图像灰度值加上灰度补偿值得到测温档中的查表灰度值G/Kall+Gcomp;3)由查表灰度值查找测温表，经发射率修正后得到Tobj。

从以上3种测温方法比较中可以看出，线性拟合法由于目标温度与图像灰度值不完全线性化，测温精度较低;单项查表法没有考虑到环境温度对测温精度的影响，因此对于不同的环境温度下，目标物体的测温精度受到了影响，故测出的目标物体温度与实际温度偏差较大，而双向查表法考虑了对环境温度的补偿，因此测量出的目标温度与实际温度偏差相对较小，测温精度较前两种方法高。

3 测温过程实现

红外测温系统测温流程如图2所示。

图2 测温流程图Fig.2 Flow chart of temperature measurement

实现步骤如下所述。

1)将测温系统放入高低温箱中，通过高低温箱调节温度，模拟环境温度变化，利用高精度的黑体进行温度标定，得到能反映红外热辐射能量大小的图像灰度与温度的对应关系Tref=f(G)，测试出一组反映在某温度下，环境温度变换与图像灰度值的对应关系表，也成为环境温度补偿表。

2)在某一环境温度下，实际测温时，利用高精度的黑体进行温度标定，得到能反映红外热辐射能量大小的图像灰度与温度的对应关系Tr=f(G)，测出一组反映某环境温度下温度值与图像灰度值的对应关系表，也称温度查找表。利用上述对应关系，根据目标物体辐射能对应的灰度值得到物体的辐射温度Tr，对Tr进行换算，计算物体的真实温度Tobj。

3)每一次测温时，必须对热像仪进行非均匀校正，该过程由探测器处理模块实现。

4)每一次测温时，光学系统前的黑体均要将当前环境温度传送给测温模块处理器，处理器根据当前环境温度查询环境温度反查表，计算出红外图像灰度补偿值。

5)根据目标物体的辐射能量和黑体标定温度查找表，按照式(3)可以计算出目标物体温度Tobj。

6)将式(3)计算出的目标温度与目标物体的发射率进行修正。修正后的目标物体温度是目标物体的绝对温度。

4 实验验证

为了对线性拟合法、单项查表法和双向查表法测温精度和测温环境适应性作比较，设计如下实验。

采用“标准黑体炉”对红外探测器进行黑体标定，精确地得到在某一温度下图像灰度与黑体温度关系的数据。在环境温度为20℃的条件下测量灰度与温度对应表，将该表作为温度查找表，部分实验数据如表1所示。

表1 温度测量查找表Table 1 Temperature and grayscale

将黑体炉放入高低温箱中，黑体炉温度设定为27℃，改变环境温度，从-25℃到65℃变换，测定在不同环境温度下灰度与温度变换对应表，将该表作为环境温度补偿表。部分实验数据如表2所示。

表2 环境温度补偿表Table 2 Environment temperature compensation

根据温度查找表和环境温度补偿表，建立温度与灰度测温关系;将实验用加热电阻恒温器放入高低温箱中，通过改变高低温箱的温度模拟环境温度，环境温度模拟为-20℃和50℃;改变加热器输入电流变换电阻器温度，测量出电阻器的温度。3种测温方法测量结果如表3所示。

表3 温度测量比较表Table 3 Temperature measurement result单位:℃

从表3可以看出，3种测温方法在环境温度为20℃时，测量的目标物体温度值比较接近目标物体的实际温度值。然而当环境温度设定为-20℃、0℃、35℃和50℃时，线性拟合法和单项查表法测试的目标物体温度值与目标物体的实际温度值偏差较大，但双向查表法测量的目标物体温度与目标实际温度较接近。其原因是3种方法都是在环境温度为20℃时标定的，在20℃环境温度下，3种测温方法不存在环境温度补偿，都能准确测量目标物体的温度，当环境温度变化时，线性拟合法和单项查表法没有进行环境温度补偿，故测量出的目标物体温度偏差比较大，也就是说线性拟合法和单项查表法环境适应性比较差，测量精度较低。

5 结论

本文从红外测温原理理论基础-普朗克分布定律出发，对红外测温的几种方法进行了比较，针对通用测温方法在不同环境温度下存在测温整体偏移问题，从辐射度量学定义出发，提出了基于双向查表的测温方法，通过实验验证，该方法提高了红外测温系统对环境温度变化的适应性，解决了红外测温系统在不同环境温度下测温整体偏移问题。

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