董科

(武漢軍械士官學校光電技術研究所1，湖北 武漢 430075；中國人民解放軍65535部隊通信營值勤站2，遼寧 營口 115000)

0 引言

隨著紅外熱成像技術的快速發(fā)展，紅外系統(tǒng)已廣泛應用在汽車夜視、環(huán)境監(jiān)測、無損監(jiān)測等領域[1]。由于良好的環(huán)境適應性及隱蔽性，其被廣泛應用在軍事上的夜視偵察、武器瞄準、制導跟蹤等。在紅外系統(tǒng)普及應用的同時，其指標檢測與性能評估需求也日益呈現(xiàn)[2-4]。然而，由于國內(nèi)缺乏相應的檢測設備，目前對紅外熱成像系統(tǒng)的檢測普遍采用專用進口設備，例如以色列CI公司的METS-S系列產(chǎn)品、美國SBIR公司的RTB-3000光學平臺[5]。此類設備不僅價格十分昂貴，而且體積龐大，僅限于實驗室條件下定點使用[6-7]。要實現(xiàn)紅外性能檢測設備的配套與國產(chǎn)化，其檢測電路設計及參數(shù)指標算法是關鍵[8]。

為此，本文設計了一種低成本、小型便攜的紅外檢測儀的電路系統(tǒng)，實現(xiàn)對紅外熱成像系統(tǒng)綜合性能指標的檢測，并為其使用維護、故障維修提供必備的信息參考，擺脫對進口儀器設備的依賴。測試表明，系統(tǒng)滿足紅外熱成像系統(tǒng)的現(xiàn)場測試需求。

1 系統(tǒng)概述

紅外熱像儀檢測儀主要由黑體輻射源、紅外平行光管及電路系統(tǒng)組成[9]。黑體輻射源在電路系統(tǒng)的控制下使紅外靶標與環(huán)境溫度保持一定溫差，從而生成被測圖案[10]。紅外平行光管由離軸非球面反射鏡和折疊光路構成，用于模擬無窮遠目標[11]。電路系統(tǒng)實現(xiàn)紅外系統(tǒng)信號的采集獲取、性能指標的計算、電路參數(shù)的檢測、故障維修指導等功能。因此，電路系統(tǒng)是檢測儀的重要組成部分。檢測儀電路系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 檢測儀電路系統(tǒng)組成

工控機是電路系統(tǒng)的核心，負責紅外系統(tǒng)性能指標測試和故障診斷與維修指導，并完成系統(tǒng)界面的顯示及人機交互功能。通過USB接口接收視頻采集卡輸出的數(shù)字圖像信息，采用相應的測試算法軟件完成紅外系統(tǒng)關鍵性能指標的計算。通過串口驅(qū)動電信號激勵與檢測單元，負責測試任務、流程控制等指令的下達，并完成測試結果的采集。采用故障診斷算法對測試結果進行處理，實現(xiàn)典型故障點的定位，并以Flash多媒體形式指示故障點，進一步指導維修。視頻采集卡實現(xiàn)紅外熱像設備輸出視頻信號的采集，完成數(shù)字化轉換后通過USB接口上傳至工控機組件。電信號激勵與檢測單元根據(jù)工控機指令結合矩陣開關進行激勵配置，提供激勵信號給電路適配器，檢測電路采集電路適配器輸出信號，經(jīng)調(diào)制、A/D采集、數(shù)據(jù)分析處理后，給出檢測結果，并上傳給工控機組件。

檢測系統(tǒng)的功能指標如下。

(1) 最小可分辨溫差(minimum resolvable temperature difference,MRTD)：測試誤差<0.1 K。

(2) 噪聲等效溫差(noise equal temperature difference,NETD)：測試誤差<10 mK。

(3) 視頻信號采集：PAL、CCIR標準制式。

(4) 電壓信號采集：范圍0～5 V，精度50 mV。

(5) 輸出電壓：±12 V，誤差±200 mV；±5 V，誤差±100 mV。

2 硬件設計

2.1 圖像采集卡及工控機選型

圖像采集處理單元的作用是將紅外熱像系統(tǒng)輸出的標準模擬視頻信號轉換為數(shù)字視頻信號，并完成圖片的顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能[12]。分析發(fā)現(xiàn)，被測紅外熱像儀的圖像輸出為標準PAL制式信號或CCIR制式復合視頻信號。本文采用MV-U2000視頻采集卡。GRAY8黑白圖像方式采樣位數(shù)達9 bit，RGB8888彩色方式最大可達32 bit，水平解像度達480線以上，采集分辨率為720×576，滿足采集要求。

根據(jù)電路系統(tǒng)的設計要求，為保證系統(tǒng)運行速度、存儲容量及體積滿足要求，項目組選用PCM-3851工控機。該工控機配備板載Intel Celeron-M 900 MB CPU及 512 MB DDR 266 MHz內(nèi)存，采用無風扇散熱設計；具備1個標準PC-104+總線擴展插槽、18/24 bit LVDS TFT接口、6路COM、4路USB及 CF卡插座。

2.2 信號激勵與檢測單元設計

通過測試對象分析可知，給定激勵包括各種電源信號、開關量信號、數(shù)字信號、模擬信號等。為了優(yōu)化硬件資源配置，降低成本，采用矩陣開關對測試資源進行動態(tài)配置。同時，通過矩陣開關將檢測通道配置到測試通道，然后根據(jù)具體的裝備電路檢測需求，設計相應的適配器來實現(xiàn)具體檢測連接。檢測電路組成原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測電路組成原理框圖

電信號激勵與檢測單元的功能是提供激勵信號和進行數(shù)據(jù)采集分析，其組成包括DSP及外圍電路單元、信號調(diào)理單元、信號采集單元和激勵發(fā)生單元。DSP輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動級后，一部分作為數(shù)字I/O信號直接輸出，一部分通過專用繼電器驅(qū)動芯片驅(qū)動繼電器組成的矩陣開關，提供電源信號激勵。被測裝備在激勵電源驅(qū)動下輸出特征信號，為了與信號采集電路匹配，該特征信號先經(jīng)過信號調(diào)制，使其滿足信號采集電壓范圍。

系統(tǒng)選用TMS320F2808作為主控芯片，采用1.8 V和3.3 V電源電路、20 MHz有源晶振、RS-232串口通信電路和JTAG調(diào)試接口，形成最小控制內(nèi)核[13]。在此基礎上，充分利用TMS320F2808的A/D、D/A和I/O資源，組成一個通用性信號采集控制平臺。信號調(diào)理電路主要包括信號電壓的電平匹配、激勵信號的時間順序分配、正負電平的適應性檢測、電平信號的整合。信號采集電路將采集到的信號進行濾波、穩(wěn)壓、降壓、限壓處理，使其滿足DSP電壓采集的范圍要求。

3 紅外系統(tǒng)關鍵指標及算法

紅外系統(tǒng)的綜合性能包括溫度分辨率和空間分辨率，一般采用噪聲等效溫差(NETD)、最小可分辨溫差(MRTD)等來表征[14]。其中，NETD是衡量熱像儀溫度靈敏度的一個客觀指標。MRTD既反映熱像儀溫度靈敏度，又反映熱像儀空間分辨率特性[15]，其被廣泛用于紅外系統(tǒng)綜合性能的判定。

視頻采集卡采集紅外熱像系統(tǒng)的模擬視頻信號，經(jīng)A/D轉換后送至工控機；結合人機交互界面和指標測試算法，完成紅外系統(tǒng)MRTD、NETD的測試。

① MRTD的計算

根據(jù)被測紅外設備焦平面的焦距和探測器像元尺寸，求取其特征頻率。選用相應特征頻率的四桿靶作為紅外靶標信號，通過紅外熱像儀觀察熱圖，調(diào)整靶標分別為正負值ΔT+、ΔT-，直至對四桿靶分辨小于總面積的70%，此時求正負溫差絕對值的平均值[16]。計算如下：

(1)

為了減少主觀因素的影響，一般采用多個觀察者多次測試后求其平均值的方法。

② NETD算法

NETD是表征紅外熱像儀探測目標的靈敏度和噪聲大小的重要客觀參數(shù)。其定義是：用熱像儀對標準測試圖案進行觀察，當熱像儀系統(tǒng)的基準電子濾波器輸出的信號電壓峰值與噪聲電壓的均方根相等時，測試圖案中的目標與背景的溫度之差[17]。NETD檢測原理如圖3所示。

圖3 NETD檢測原理

如圖3(a)所示，在均勻背景下，設圖像方框區(qū)域內(nèi)有一個像元點P，其噪聲隨時間的變化曲線如圖3(b)所示。其中，V為該像元的輸出響應，t為時間。設N為采樣點數(shù)，則時間噪聲的均方值VRMS的計算如下。

(2)

(3)

4 軟件設計

4.1 電路參數(shù)檢測程序設計

電路參數(shù)檢測是針對具體待測紅外設備設計的。通過矩陣開關給定所需要的激勵，檢測產(chǎn)生的響應，提取特征信號，從而判斷故障狀態(tài)。其中與工控機的通信尤為重要。檢測得到的故障信息傳到工控機進行判斷并顯示，同時通過與工控機的通信得到用戶操作指令，實現(xiàn)具體檢測功能。電路參數(shù)檢測流程圖如圖4所示。

圖4 電路參數(shù)檢測流程圖

系統(tǒng)首先進行初始化，完成DSP內(nèi)部時鐘、接口及中斷配置。工作后DSP接收上位機指令，控制矩陣開關進行相應動作，給待測系統(tǒng)相應的激勵信號。經(jīng)過一定的時間延遲，通過A/D采集待測系統(tǒng)電路的輸出響應信號，數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機顯示。接收到上位機關機指令后停止指令接收循環(huán)。

4.2 維修指導軟件設計

維修指導軟件是檢測儀的一項輔助功能。首先建立電路典型故障的特征庫；然后根據(jù)檢測到的電路系統(tǒng)的參數(shù)情況及故障現(xiàn)象，與故障庫里的數(shù)據(jù)進行匹配推理，指示出可能出現(xiàn)的故障點；最后指導維修人員以一定的操作流程進行故障排除。

維修指導軟件采用Borland C++Builder開發(fā)平臺，以實物圖片及Flash動畫的形式表現(xiàn)故障診斷過程，具有直觀和可操作性強的特點，降低了對維修人員的技術要求。

同時，維修指導軟件還集成了被測紅外系統(tǒng)各種單板的電路原理圖、元件布局圖、操作規(guī)程、說明書等技術資料。這些技術資料可動態(tài)交互，方便維修人員的查閱，指導故障維修過程。

5 試驗測試

以多型紅外熱像儀作為試驗對象，采用以色列CI公司的METS-16大型測試系統(tǒng)對MRTD、NETD的精度進行對比測試，采用MASTECH-MY65型高精度萬用表等儀器對檢測儀的電路系統(tǒng)指標進行測試。測試在實驗室內(nèi)進行,溫度25 ℃，濕度60%；被測紅外設備處于同等參數(shù)條件，對比度55，亮度32，大視場，對焦良好。對某型紅外熱像儀的測試結果如表1所示。

表1 測試結果表

測試結果表明，紅外檢測儀的視頻采集、電壓輸出等指標達到了設計要求，能實現(xiàn)對關鍵指標NETD、MRTD的測試。測試結果與進口設備METS-16測試值非常接近，MRTD誤差小于0.1 K，NETD誤差小于10 mK，滿足設計指標要求。

6 結束語

針對國內(nèi)對紅外熱像系統(tǒng)指標檢測的廣泛需要，進行了檢測系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，研制了小型紅外系統(tǒng)檢測儀。其電路系統(tǒng)采用工控機作為主控設備和操作終端，采用通用測試資源與專用適配器相結合的方式，實現(xiàn)對不同紅外系統(tǒng)的電路端口的連接和信號采集，具有功能集成、擴展靈活的優(yōu)點。針對紅外系統(tǒng)性能表征的關鍵指標NETD、MRTD的定義，分析了相應的軟件算法。測試表明，各項指標滿足設計要求。該檢測診斷系統(tǒng)電路已應用于便攜式紅外系統(tǒng)性能檢測儀中，性能可靠，準確度高，滿足紅外系統(tǒng)測試需求。

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