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[摘 要] 随着红外监控设备分辨力的提高,红外监控的应用范围更加的广泛.通过对探测器输出的数字信号处理,即可完成对目标的监控与温度判断.这种具备温度监控能力的红外监测系统在安保、消防、电力等领域有着巨大的应用前景.由于红外摄像机与系统成本高昂,限制该类系统的应用.而使用成本较低基于FPGA的电路完成信号处理,并且利用红外与可见光监控共同工作,则可以在相对较低的成本下,实现红外可视温度监控.
[关 键 词 ] FPGA 温度监控 红外探测 红外信号处理 低成本
一、红外温度监控的应用及实现
随着科技的发展,许多行业自动化程度日益提高,产生了大量无人值守的设备与工作区域.然而工业运行中,即使无人值守也要保证设备防火及安全运行的要求,这对现场监控系统提出了更高要求.设备火灾与设备老化故障往往与温度异常升高有关,所以应用于这些现场的监控系统必须具备温度报警功能.传统的红外及烟雾监控仅针对明火,无法提前预防；在敏感点设置温度传感器的方法,成本高,仅适合小范围系统.而在监控面积大,可能故障点多,而成本又有限的场合,具备温度监控能力的红外摄像系统则更能满足需求.目前在电力行业中的无人变电站监控、工业生产中高功率设备运行监控、教育行业中各种高功率实验设备的监控则是此类红外温度监控的重要应用场合.
红外温度监控设备的主要部分有红外监控摄像机、硬盘摄像机、监控计算机与远程控制终端组成.红外监控摄像机主要完成可见光到视频电信号的转化.硬盘摄像机主要完成将原始视频信号转变为适合网络播放的各种视频格式并通过网络接口提供给监控计算机或外部计算机访问.同时硬盘录像机也提供定时、即时回放等辅助操作功能.监控计算机是整个监控系统的控制核心,通过控制软件及接口对前端设备实现命令控制.远程控制终端是普通计算机,通过网络访问获得监控数据并进行相关系统操作.
红外监控实现温度监控的关键在于利用红外视频进行温度判断.红外辐射是指波长在0.75～1000微米之间的电磁波.普朗克定律看,只要物体的温度没有达到绝对零度,物体就有电磁辐射发射.这意味着所有物体都在发射各种波长的红外辐射.
红外摄像机是通过红外感光元件感应监控目标的红外辐射强度来形成图像.通常红外摄像机形成的是灰度信号,即画面上灰度即对应了物体红外辐射强度.而根据红外辐射理论,物体温度越高、与环境的温差越大,红外辐射的强度越强,那么摄像机获得的灰度信号就越亮.如果通过实验获红外探测单元黑体辐射强度与温度的对应列表,就可以通过软件对探测数据处理获得对应点灰度与温度的换算,从而达到远程非接触的温差测量的要求.
二、低成本方案改进
（1）改进原理
国际上针对红外探测器机芯的开发方案主要有2种方案：基于FPGA的实时图像处理平台；基于DSP的实时图像处理平台或结合FPGA和DSP的综合图像处理平台.目前成品红外摄像机往往采用美国FLIR公司,法国ULIS公司,美国FLUKE公司等公司的成品红外探测器.这些红外探测器精度高,能直接输出灰度视频信号.其信号处理电路往往采用结合FPGA和DSP两种电路结构的处理平台.这种处理方式利用FPGA进行图像的输入输出操作,用DSP完成复杂的图像处理工作所以成像效果较好、精度高.但是此类方案实现成本高,造成成品红外摄像机价格居高不下.
在红外电力或是高功率实验设备监控中,目标对象如故障接头、线圈等与环境温差很高,对探测器的精度要求相对较低,可以用仅依靠FPGA的电路来完成相应处理功能.如果能自行设计基于FPGA的信号处理电路将能降低红外摄像机成本从而降低系统造价.
基于FPGA的实时图像开发平台的实现原理为,红外辐射通过红外感应单元进行采集之后,将光信号转换成为电信号,电信号再经过A/D转换成数字信号,然后在FPGA中进行各种处理,处理后的信号再进过视频编码就可以在监视器上输出得到的信号.
（2）改进设计实现
基于FPGA的红外探测电路主要由红外感应单元、数模转换、信号预处理和视频编码几个部分组成.目前红外感应单元由于技术含量高,往往采用成品红外感应单元.成品红外光感应单位往往集成了A/D转换模块.所以选取符合要求成品即可.而视频信号格式转换模块也有很多成熟产品及方案,所以这里不再累述.基于FPGA的实时图像视频处理主要包括数据采集分析、非均匀校正、坏点校正及图像增强等部分.
数据采集分析：红外感应单元的信号采集进FPGA之后,并不能直接进行开发.首先要分析信号的结构,把数据信号与其他控制辅助信号分离出来.
非均匀校正：非均匀性是红外探测器本身固有的特性,特别是目前应用比较广泛的红外焦平面列阵产品,由于感应单元多,非均匀性的存在将导致红外图像质量急剧的下降.因此,红外图像在作处理前,必须先进行非均匀校正.利用焦平面列阵对均匀光源的成像数据进行统计求得修正数据,每次成像时做相应补偿.
坏点校正：由于阵列型红外探测器中每个像素点都是独立的,因此如果某个像素点的数据在传输时出现故障就会出现坏点.这些点对图像的影响是巨大的.通过统计相邻异常点并加以修正的方法可以有效降低坏点的影响.
图像增强：经过校正后的红外图像已经比较清晰,但是仍有一定的缺陷.这个时候就需要用各种图像增强算法来对图像进行处理.在FPGA平台上我们往往采用直方图均衡方法提高画面质量.
（3）后期修正
由于FPGA的逻辑运算能力始终有限,成像视频的分辨力比一般国外成品要低,在进行成像时,可能无法满足复杂设备的监控需要,特别是设备中某个部件不良时,较低分辨力的图像无法帮助监控者准确识别温度异常点.在这种情况下,我们可以采用可见光辅助成像方式,提高红外图像的成像效果.
由于目前可见光摄像机成本低,所以我们可以将可见光摄像机与红外摄像机安装在同一云台上,同时成像.控制软件提供两种图像的共同成像模式.在该模式下图像由可见光与红外摄像图像共同形成,其中可见光图像以一定透明度的形式叠加在红外图像上,这样即使红外图像不够清晰,借助可见光图像的轮廓也能帮助监控者迅速识别异常部位.
三、小结
本文论述了一种低成本实现红外温度监控的方案,通过使用FPGA平台完成视频信号处理降低了系统整体成本,并通过红外可见光双重成像的方式降低了红外监控对图像清晰度的要求,即使利用成像清晰度较低的系统也能满足现场对红外远程监控的要求.本设计方案虽然能满足一般红外远程温度监控的需求,但受制于硬件速度,系统性能仍较低.相信随着FPGA平台成本降低和功能增强,可以遵循该思路开发出性能更优的低成本红外温度监控系统.