張 林,賈 濤,焦明印,姜粉娥,秦 鵬,陳志學(xué)

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.陸軍航空兵駐西安地區(qū)軍事代表室,陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著線列探測(cè)器的廣泛應(yīng)用,作為紅外成像領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一非均勻校正的方法也不斷深入改進(jìn)和完善[1],使圖像質(zhì)量得到明顯改善,以便更加適用于熱像系統(tǒng)觀察場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍大、使用環(huán)境苛刻等需求。

二代掃描型熱像儀的非均勻性校正(NUC)通常采用定點(diǎn)兩點(diǎn)溫度校正法,該方法無(wú)法適應(yīng)時(shí)間或環(huán)境的變化對(duì)探測(cè)器帶來(lái)的影響,造成校正偏離,空間噪聲增大[2]。進(jìn)而工程上改進(jìn)為通過(guò)在成像光路中設(shè)置可控溫的黑體來(lái)完成探測(cè)器的實(shí)時(shí)校正,保證在不同時(shí)刻以及不同應(yīng)用環(huán)境下,黑體的溫度始終實(shí)時(shí)地跟隨場(chǎng)景溫度,校正系數(shù)實(shí)時(shí)更新,使非均勻性校正的輸出誤差降低。在這種實(shí)時(shí)校正的過(guò)程中,黑體溫度的穩(wěn)定性以及變化快速性是直接影響校正結(jié)果的關(guān)鍵因素,尤其在動(dòng)態(tài)范圍變化劇烈的應(yīng)用場(chǎng)景,如武器平臺(tái)在大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí),在熱像儀的成像視場(chǎng)內(nèi),輸入場(chǎng)景的溫度變化范圍大且變化速度快,這對(duì)于黑體溫度跟隨的實(shí)時(shí)性提出很高的要求。如果校正黑體的溫度控制滯后或超調(diào)于場(chǎng)景的溫度范圍,直接帶來(lái)的問(wèn)題就是校正結(jié)果誤差增大,進(jìn)而影響圖像的輸出,最終影響光電系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤。本文針對(duì)黑體溫度反饋信號(hào)的獲取以及控制模型上提出了一種改進(jìn)方案,保證了在場(chǎng)景變化劇烈的應(yīng)用情況下校正輸出的穩(wěn)定。

2 目前基于探測(cè)器掃描溫度反饋的黑體控溫方法

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理如圖1所示。采用溫控參考源實(shí)時(shí)校正是通過(guò)在探測(cè)器的成像光路里設(shè)置兩個(gè)黑體溫控源,結(jié)合閉環(huán)溫度控制手段,控制兩個(gè)黑體的溫度始終覆蓋探測(cè)器入射場(chǎng)景的溫度范圍[3]。實(shí)時(shí)性是通過(guò)溫度控制器實(shí)時(shí)采集黑體的溫度反饋來(lái)保證的,目前采用的方法是：黑體設(shè)置在探測(cè)器的成像光路中,利用探測(cè)器的掃描成像可以采樣到標(biāo)定黑體的輸出,通過(guò)黑體輸出的視頻信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)溫度的反饋值。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system

具體控制過(guò)程如下：掃描器以20 ms的周期進(jìn)行擺動(dòng),擺動(dòng)使得線陣列探測(cè)器能夠周期的遍歷輸入的場(chǎng)景以及黑體參考源,如圖2所示。在探測(cè)器掃描到黑體參考源時(shí),黑體作為校正的基準(zhǔn)輸入,成像處理單元要記錄黑體輻射投射到探測(cè)器后的輸出作為校正的原始數(shù)據(jù),用于后端的校正運(yùn)算；同時(shí)將每個(gè)探測(cè)元原始輸出進(jìn)行平均,作為黑體溫度的反饋值,用于溫度的閉環(huán)控制。探測(cè)器掃描到入射場(chǎng)景時(shí),成像處理單元取得場(chǎng)景的輸入數(shù)據(jù),計(jì)算場(chǎng)景的輻射能量分布,通過(guò)動(dòng)態(tài)均衡的方法獲取場(chǎng)景的分布范圍,根據(jù)分布范圍的上下限電平作為兩個(gè)黑體參考源控溫的輸入指令。溫控輸入指令和溫度反饋經(jīng)過(guò)校正輸出后最終饋送到驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)黑體參考源的溫度閉環(huán)。該方法反饋信號(hào)實(shí)際是黑體的自身圖像,受黑體材料輻射率的影響,溫度采樣精度不高,探測(cè)器自身的非均勻性,也影響黑體溫度的真實(shí)反饋,同時(shí)20 ms的采樣率,帶寬較低,造成解算周期受限,影響溫度控制的精度以及快速性。針對(duì)該問(wèn)題改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻測(cè)溫作為反饋信號(hào)的數(shù)字PID控溫技術(shù),提高了基于控溫黑體的非均勻?qū)崟r(shí)校正的適應(yīng)性。

圖2 非均勻校正流程框圖Fig.2 Block diagram of correction progress

3 基于探測(cè)器掃描黑體反饋的閉環(huán)溫度控制方法的改進(jìn)

針對(duì)上述問(wèn)題,基于探測(cè)器掃描黑體反饋的閉環(huán)溫度控制方法改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻測(cè)溫作為反饋信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)黑體控溫。這里黑體為被控對(duì)象,其加熱制冷器元件采用的就是半導(dǎo)體制冷器TEC。

圖3 參考源溫度控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of correction progress

改進(jìn)的黑體溫度控制系統(tǒng)框圖如圖3所示,控制系統(tǒng)經(jīng)串口通訊接收設(shè)定溫度指令,熱敏電阻作為溫度傳感器經(jīng)恒流源供電,將實(shí)時(shí)檢測(cè)的黑體參考源溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),經(jīng)差分放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路處理后,將該反饋數(shù)字量與指令溫度做差,通過(guò)數(shù)字PID控制,輸出脈寬調(diào)制信號(hào),經(jīng)功放驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷器TEC的溫度控制[4]。

3.1 溫度信號(hào)采集電路

溫度傳感器是保證溫控精度的重要因素,要提高溫度控制精度,必須提高溫度傳感器的熱響應(yīng)特性和溫度測(cè)量精度。方案設(shè)計(jì)初期,在溫度傳感器的選型問(wèn)題上進(jìn)行了對(duì)比分析,首先考慮的是新型單線智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20,因其體積小且與微處理器連接僅需一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)雙向通信,無(wú)需配置額外附加的轉(zhuǎn)化電路,通過(guò)編程即可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值的讀數(shù),測(cè)溫精度高。但唯一缺陷是將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量需要750 ms,顯然不適用于高實(shí)時(shí)性的溫度控制系統(tǒng)[5]?？紤]到所選擇的溫度傳感器必須達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,故而采用具有靈敏、精確、響應(yīng)時(shí)間短、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的傳統(tǒng)熱敏電阻,需配置額外附加的轉(zhuǎn)化電路。在具體設(shè)計(jì)中,采用Pt1000鉑電阻,其阻值隨溫度的變化而變化,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需恒流源供電,通過(guò)檢測(cè)其電壓變化來(lái)體現(xiàn)溫度的變化。設(shè)計(jì)中恒流源電流選取1 mA供電,其原因是若電流值過(guò)小,則單位溫度變化所引起的敏感電阻兩端電壓值變化較小,溫度變化的測(cè)量難度增大；若電流值過(guò)大,流經(jīng)鉑電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱效應(yīng),嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

3.2 差分放大電路

Pt1000鉑電阻在0 ℃時(shí)阻值為1000 Ω,100 ℃時(shí)阻值為1385 Ω,則溫度每變化1 ℃,Pt1000阻值變化3.85 Ω,通過(guò)1 mA的恒流源供電,電壓變化量?jī)H約為3.85 mV,為了能分辨如此小的電壓值變化[6],電路中需設(shè)計(jì)前置放大電路,且運(yùn)算放大器必須具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲和高增益等特點(diǎn),這樣才能有效檢測(cè)到設(shè)定溫度電壓與實(shí)際溫度電壓的細(xì)小差別并將其放大。設(shè)計(jì)中采用精密儀用放大器AD620[7],該器件是基于經(jīng)典的三運(yùn)放連接方式改進(jìn)研制的單片儀用放大器,不但滿足低失調(diào)、低溫漂、低噪聲的要求,且增益可調(diào)整,僅需通過(guò)改變一只外部電阻Rg阻值,就能在1～1000范圍內(nèi)精確設(shè)置放大倍數(shù)。具體的溫度信號(hào)采集、放大電路如圖4所示。鉑電阻經(jīng)1 mA的恒流源供電,獲得的電壓量與1000 mV的參考電壓Vref做差,再將差值放大100倍后輸出,完成溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、放大功能[8]。

圖4 溫度信號(hào)采集放大電路Fig.4 Sampling and amplifying circuit for temperature signal

3.3 半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)中作為黑體參考源變溫的執(zhí)行器件采用半導(dǎo)體制冷片,半導(dǎo)體制冷片是電流換能型器件,通過(guò)控制輸入電流,實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。熱慣性小,制冷制熱時(shí)間比較快,在熱端散熱良好、冷端空載的情況下,可迅速達(dá)到最大溫差[8]。根據(jù)制冷片需要大電流工作,優(yōu)選驅(qū)動(dòng)方案選用脈寬調(diào)制型開(kāi)關(guān)功放電路,相比線性功放驅(qū)動(dòng)具有高效低耗的優(yōu)勢(shì),通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器輸入PWM信號(hào)的占空比,來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的大小,從而控制半導(dǎo)體制冷器TEC的工作狀態(tài)。

3.4 數(shù)字PID控制

系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制方法,其實(shí)質(zhì)是將溫度傳感器得到的數(shù)值,與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較得到偏差,PID調(diào)節(jié)器按照該偏差值以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào),根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行PWM控制輸出,控制半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)[9]。

本系統(tǒng)采用增量式PID算法：

ΔU(k)=Kp[err(k)-err(k-1)]+Kierr(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)]

其中：Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù),積分系數(shù),微分系數(shù);err(k)為本次采樣偏差；err(k-1)為上次采樣偏差；err(k-2)為上上次采樣偏差；

需要注意的是最終的輸出結(jié)果應(yīng)該為U(k)加增量調(diào)節(jié)值,即U(k)+ΔU(k)。圖5為PID 控制流程圖。

其中,為了達(dá)到系統(tǒng)快速響應(yīng)的目的,程序設(shè)計(jì)采用了分段處理措施,當(dāng)設(shè)定溫度與反饋溫度的差值超過(guò)1 ℃時(shí),控制器進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,以百分之百PWM占空比最大功率驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器TEC,以期達(dá)到快速控溫的效果；而當(dāng)設(shè)定溫度與反饋溫度的差值在1 ℃范圍內(nèi)時(shí),控制器則進(jìn)行PID閉環(huán)控制,以提高控溫精度[10]。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flow chart of control

4 改進(jìn)前后的產(chǎn)品試驗(yàn)的效果對(duì)比及數(shù)據(jù)分析

采用本文改進(jìn)方案的實(shí)物如圖6所示,TEC參考源設(shè)置在鏡頭的成像光路中并附著在散熱片上,鉑電阻緊貼在TEC的參考面上實(shí)時(shí)反饋溫度,單片機(jī)系統(tǒng)包含差分放大電路,模數(shù)轉(zhuǎn)化器,PWM調(diào)制模板和驅(qū)動(dòng)等電路以及數(shù)字PID控制軟件。本方案在某熱像儀整機(jī)中得到驗(yàn)證,以下是實(shí)際測(cè)試的結(jié)果。

圖6 實(shí)物圖Fig.6 Picture of real product

試驗(yàn)方法模擬瞄準(zhǔn)線大角度調(diào)轉(zhuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景。熱像儀架設(shè)在轉(zhuǎn)塔上,通過(guò)轉(zhuǎn)塔在俯仰方向上快速轉(zhuǎn)動(dòng),俯仰從0°調(diào)轉(zhuǎn)到30°,調(diào)轉(zhuǎn)速度70°/s,0.5 s內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)到位。注意到紅外背景輻射溫度在無(wú)云的條件下,俯仰從0°～30°,變化范圍約在20～30 K,對(duì)于黑體控溫系統(tǒng)來(lái)說(shuō),等效于一個(gè)階躍響應(yīng)。采用現(xiàn)有的反饋控制方式,可以明顯看到黑體參考源在溫度跟隨過(guò)程中滯后,0.5 s到位后,在圖像上出現(xiàn)明顯非均勻性的橫條紋,在1 s以后,黑體參考源控溫到位與場(chǎng)景溫度接近,這時(shí)校正偏差達(dá)到背景噪聲限,圖像橫條紋消失。如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前熱像儀圖像Fig.7 Image of thermal imager before improvement

采用改進(jìn)后的產(chǎn)品,采用同樣的試驗(yàn)方法,俯仰從0°調(diào)轉(zhuǎn)到30°,調(diào)轉(zhuǎn)速度70°/s,0.5 s內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)到位。在到位后,圖像未出現(xiàn)明顯橫條紋,表明黑體參考源在調(diào)轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi),能實(shí)時(shí)跟隨場(chǎng)景溫度的變化,使校正偏差始終控制在背景噪聲限內(nèi),不會(huì)出現(xiàn)非均勻性的橫條紋。如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后熱像儀圖像Fig.8 Improved thermal imager image

5 結(jié) 論

本文將掃描型熱像儀通過(guò)探測(cè)器掃描黑體以獲得反饋構(gòu)成控溫黑體來(lái)實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正,改進(jìn)為采用熱敏鉑電阻Pt1000測(cè)溫作為反饋信號(hào)構(gòu)成控溫黑體來(lái)實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正,提高了帶寬,通過(guò)實(shí)際多個(gè)場(chǎng)景對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證熱像儀非均勻校正對(duì)場(chǎng)景的適應(yīng)性更強(qiáng)。該方法可廣泛應(yīng)用于掃描型熱像儀實(shí)現(xiàn)非均勻性的實(shí)時(shí)校正。