基于FPGA的高精度红外测温系统的研究与实现

　　利用红外热成像技术实现温度监控和检测有着精度高(可分辨0.01℃的温度差)、非接触、实时快速、测温范围宽、形象直观等优点,因此在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等许多工业部门有着越来越广泛的应用[1]。

　　在利用红外热像仪进行温度测量时,所测得的物体表面温度并不是直接测量得到的,而是通过接收被测物体表面发射的辐射能来确定的。其测温精度与被 测物体表面的特性(如表面的真实温度、表面发射率、反射率等),背景环境的特性,大气特性及红外热像仪探测系统和信号处理性能等因素[2]有关,而目前的 测温系统大多忽略了这些因素,因此测温精度普遍不高。

　　利用红外热像系统进行温度的标定主要有两种方法:拟合曲线法和查找表法[3]。由于灰度和温度的关系是非线性的,采用拟合曲线法对温度进行测定 的时候,一方面由于曲线本身并不能和实际的温度-灰度曲线吻合,另一方面由于环境的影响,曲线的各次项的系数也会有很大的变化,因此这种方法测温精度很 低,只适合于测量精度不高的场合;查找表法是建立温度和灰度的标定样本,因此只要有足够的样本就可以实现温度的精确测量,但是由于目前大多数的探测器模块 输出的是16位的红外数字图像信号,共有65536个灰度级,就要有65536对标定样本。此外,不同环境温度下灰度和待测物体温度的对应关系也是不相同 的[4],因此,需要建立更多的查找表才能实现温度的准确测定,这种方法占用的存储空间大,在一般的红外系统,尤其是手持式系统中,由于受到存储深度的影 响,实现难度相对较大。

　　1　多分段温度标定法

　　为了解决传统测量方法中精度低和数据量大的问题,本文提出一种双多分段温度标定法,利用温度和灰度的对应关系,对温度和灰度进行分段标定,然后再分别对温度和灰度进行多分段标定,通过对环境温度和同一测试条件下的灰度值进行分段,来实现对温度的标定。

　　双多分段温度标定法的原理是:首先将环境温度分为多个区间段,称为纵分;将同一温度条件下的数据分为多个灰度段,称为横分;两次划分之后,纵横交错就形成了多个栅格,将此栅格的数据用一数学模型表示出来就得到了温度和灰度的对应关系,从而测定相应的温度。

　　利用双多分段温度测量法进行温度的标定避免了因数据量过大的系统难以实现的缺点,同时也避免了因单一曲线的线性度问题测量精度太低的缺点,可以说是一种有效的测量方法。

　　2　实验分析

　　在实际的测温过程中考虑到温度的影响,经常要测量多组数据,图1是在室温为10℃和30℃条件下,镜头与被测物体的距离为1 m时所测得的灰度和温度的对应值。其中红色数据是在环境温度为10℃时测得的结果,蓝色数据是在环境温度为30℃时测得的结果。