基于TEC温控的非制冷热红外测温系统的研究与实现

Research and Implementation of Uncooled Thermal Infrared Temperature Measurement System Based on TEC Temperature Control

摘要: 非制冷红外热像仪用于人体或者其他精准测温场景使用时，需要具有较高的测温精度，然而受外界环境温度变化和自身芯片发热的影响，会产生较为严重的温度漂移现象，从而导致测温精度受到一定的影响。为了消除这一影响，本文采用TEC作为非制冷探测器的制冷方案，通过Xilinx XC7A100T FPGA主控芯片合理设置带TEC的国产氧化钒红外探测器焦平面温度，实时检测探测器内部温度实现闭环高精度温控，使红外探测器尽可能工作在恒温状态。在完成基本成像的基础上，使用探测器原始数据计算并研究在5℃到55℃环境温度下打开温控和关闭温控条件下对测温精度的差异，实验结果为探测器在打开和关闭温控条件下测温精度平均为0.5℃和1.3℃，结果表明利用TEC对红外探测器做恒温控制有利于提高探测器原始数据的稳定性，可以一定程度提高测温精度。

Abstract: When the uncooled infrared thermal imager is used in the human body or other precise temperature measurement scenarios, it needs to have a high temperature measurement accuracy. However, due to the influence of the changes in the external environment temperature and the heating of its own chip, a relatively serious temperature drift phenomenon will occur, which will lead to a certain impact on the temperature measurement accuracy. In order to eliminate this effect, this paper uses thermoelectric cooler (TEC) as the refrigeration scheme of the uncooled detector, reasonably sets the focal plane temperature of the domestic vanadium oxide infrared detector with TEC through the Xilinx XC7A100T Field-Programmable Gate Array (FPGA) master chip, and real-time detects the internal temperature of the detector to achieve closed-loop high-precision temperature control, so that the infrared detector can work at a constant temperature as much as possible. On the basis of completing the basic imaging, the original data of the detector is used to calculate and study the difference in the temperature measurement accuracy under the conditions of opening and closing the temperature control under the ambient temperature of 5˚C to 55˚C. The experimental results show that the average temperature measurement accuracy of the detector under the conditions of opening and closing the temperature control is 0.5˚C and 1.3˚C. The results show that using TEC to control the temperature of the infrared detector is conducive to improving the stability of the detector’s original data and can improve temperature measurement accuracy to a certain extent.

1. 引言

红外热像仪因其能高效地测量大片区域的温度，被广泛应用于人体测温、电力系统监测、安防、工农业生产等领域。随着国产厂商在非制冷焦平面制造技术上的突破[1]，高分辨率的非制冷焦平面探测器的使用成本迅速降低，市场对高分辨率红外热像仪的需求随之变大。其中用于人体或者其他精准测温使用时，需要具有较高的测温精度[2]。而针对非制冷红外热像仪，受环境温度变化和自身芯片发热的影响，温度漂移现象不可避免[3]，这会影响到红外探测器的响应特性，导致测温精度变差。

近年来从大气衰减、环境温度、距离系数和表面发射率等[4]几个方面分析测温的影响因素取得了诸多成果，可是在探测器自身温度对影响测温精度方面的研究却寥寥无几。探测器测温精度的来自外界的因素诸多工程师已做过很多成功的研究，探测器自身条件是否满足较高的测温精度，目前的研究尚不充分。本文选用GWIR0318X2A红外探测器，利用高精度TEC温度控制系统[5]，研究在TEC温控条件下对测温精度的影响。

2. 红外热成像机芯的实现

2.1. 硬件基本组成

根据长波红外探测器的成像原理和工作条件[6]，本文设计的硬件系统框架如下图1所示。

Figure 1. System hardware framework

图1. 系统硬件框架

系统的核心是XC7A100T FPGA，该芯片将ADC模数转换电路、温控电路、数据缓存电路和显示设备连接在一起[7]，并且为红外探测器提供数字驱动信号，为ADC模数转换芯片提供驱动，将红外探测器输出的两路模拟信号经过ADC模数转换电路转换为16bit的数字信号后输入到FPGA中，经过图像处理单元输出。TEC恒温控制单元维持探测器温度在设定值。

2.2. 恒温控制单元

Figure 2. TEC temperature control circuit schematic diagram

图2. TEC温控电路原理图

温控单元为一个独立的PID闭环控制单元[8]，以MAX197ETM + T芯片为核心，依据探测器输出的热反馈电压，自动将探测器温度控制在DAC设置的目标温度点，恒温控制单元电路图如图2所示。

2.3. 图像处理单元

FPGA芯片内部的图像处理单元[9]，按非均匀性挡片校正、盲元补偿、直方图拉伸算法[10]依次处理探测器原始图像，将327,680个16bit像素实时处理为8bit像素，通过USB接口输出显示，图像处理框图如图3所示。

Figure 3. Image processing block diagram

图3. 图像处理框图

• 非均匀性挡片校正算法利用挡片挡住镜头时刻的原始图像为背景，计算像素输出如公式(1)所示：

$OUT\left(i\right)=IN\left(i\right)+DUNC-BV\left(i\right)\left(i=0~327679\right)$ (1)

式中，非均匀性挡片校输出为OUT (i)，i代表像素排序值，DUNC为偏移值，BV (i)为背景图像。

• 盲元补偿算法，采用盲元标记点前面一个像素点值，替换盲元点输出值即可。

• 在图像增强过程中最重要的就是直方图拉伸算法[11]，通过直方图可以很直观地了解图像像素点的灰度分布，如图4所示。

Figure 4. Pixel gray histogram

图4. 像素灰度直方图

在直方图中，横轴代表着灰度，纵轴代表像素数量。从上图的直方图信息可以看出图像灰度值集中分布在32,768附近。直方图拉伸的目的就是将中间有效数据段提取出来并进行16bit到8bit的映射。

转换公式如(2)所示：

$D=\frac{V-V_{\min }}{V_{\max }-V_{\min }}\times 255$ (2)

式中，V为当前帧像素值，Vmin为上一帧图像中出现的像素最小值，Vmax为上一帧图像中出现的像素最大值，D为直方图拉伸后的像素值。

3. 基于TEC温控的红外测温精度研究实验

3.1. 测温精度实验模型

任何高于绝对零度的物体都在不断地向外辐射能量，红外探测器接收其中的红外辐射，用于测量物体温度[12]。非制冷探测器受自发热和外界温度影响，会产生较为严重的温度漂移现象，对应的像素输出值差异巨大。

本文在排除外界因素影响后，目标温度精度完全决定于探测器测像素输出，因此本文使用TEC温控系统对探测器做恒温控制的基础上，首先实验在恒温条件下黑体靶面温度对探测器输出的影响，得出测温原型。在此基础上实验对比打开温控和关闭温控条件下探测器对测温精度的影响程度。

3.2. 测温原型实验

实验使用标准黑体距离探测器3∼10 cm采集系统原始数据，排除大气衰减、距离系数和表面发射率等几个外界因素的对测温精度的影响[13]。在实验中红外测温系统和黑体放置在高低温试验箱中，探测器TEC恒温25℃，高低温实验箱设置25℃恒温，调整黑体靶面从1℃到50℃变化，取探测器中心3 * 3区域像素值做均值输出，结果如图5所示。

Figure 5. Detector pixel output

图5. 探测器像素输出

从图5中实验曲线数据可看出，在排除外界因素条件下，目标温度与探测器响应输出呈现比例关系，经过探测器其他像素区域的大量实验数据统计得出，目标温度换公式如(3)可采用一元二次方程做曲线拟合[14]。

$T=A\times {\text{M}}^2+B\times \text{M }+C$ (3)

式中，T为目标温度，M为探测器原始像素值，A、B、C为关系式常数。

保持探测器TEC恒温25℃，黑体靶面温度保持25℃，改变高低温试验箱温度从5℃到55℃，间隔5℃取10个温度点采集探测器像素值，分别使用Origin软件对多组数据进行拟合，拟合得到的不同环境温度下A、B、C如表1所示。

从表1中的实验数据得出，在探测器TEC和黑体靶面恒温25℃条件下，改变环境温度不会影响目标温度换公式A、B、C常数，对十组数据取均值后得到目标温度换公式如(4)所示：

$T(℃)=-0.000000115704\times M^2+0.00996\times M-152.83183$ (4)

式中，T为目标温度，M为探测器原始像素值。

Table 1. A, B, C constants at different ambient temperatures

表1. 不同环境温度下A、B、C常数

环境温度(℃)	A	B	C
5	−1.15604E−7	0.00993	−152.83183
10	−1.15703E−7	0.00990	−152.81669
15	−1.15802E−7	0.00996	−152.75625
20	−1.15764E−7	0.01002	−152.95126
25	−1.15302E−7	0.00988	−152.68298
30	−1.15912E−7	0.00991	−152.76982
35	−1.15715E−7	0.00989	−152.81569
45	−1.15690E−7	0.01004	−152.88569
50	−1.15712E−7	0.00996	−152.90256
55	−1.15704E−7	0.00999	−152.85269

3.3. TEC温控对比实验

实验研究在5℃到55℃环境温度下，间隔5℃取10个温度点采集打开温控和关闭温控条件下的数据，分析对测温精度的影响程度。实验中探测器TEC和黑体靶面恒温控制在25℃条件下，改变高低温试验箱温度从5℃到55℃模拟外界环境温度变化，间隔5℃取10个温度点采集探测器像素值，使用拟合公式计算温度输出，得到打开温控和关闭温控条件下的测温输出，计算精度如表2所示。

Table 2. Close the temperature control and open the temperature measurement accuracy table

表2. 关闭温控和打开温控测温精度表

环境温度(℃)	关闭温控精度(℃)	打开温控精度(℃)
5	±2.6	±0.6
10	±1.9	±0.5
15	±1.4	±0.6
20	±0.7	±0.5
25	±0.5	±0.5
30	±0.6	±0.4
35	±0.8	±0.6
45	±1.2	±0.5
50	±1.4	±0.5
55	±1.6	±0.6

3.4. 实验结果及分析

实验结果为探测器打开和关闭温控条件下，测温精度取均值后结果为±0.5℃和±1.3℃。实验进一步改变高低温试验箱温度从5℃到55℃变化，统计不同环境温度下的测温精度，从表2结果表明在关闭温控后，受环境温度影响在高温或者低温时，测温精度严重变差[15]。利用TEC对红外探测器做恒温控制有利于提高探测器原始数据的稳定性，可以一定程度提高测温精度。

4. 结论

本文在一套能够维持探测器 ± 0.001℃温度稳定性的热红外成像系统上，介绍了非制冷热红外测温系统测温精度的实验方案，通过恒温箱与黑体的配合实验得出测温原型。实验对比了打开和关闭温控条件下，得到测温原型精度的对比数据。实验结果表明打开对热红外探测器的TEC温控，可以在测温精度上提高0.8℃。系统利用TEC温控的方案使探测器不受外界环境温度和自发热影响，有效地抑制探测器温度漂移，可以满足较高的测温精度。继而为研究大气衰减、距离系数和表面发射率等几个方面对测温精度的影响奠定了一定基础。

致 谢

时光如白驹过隙，不知不觉中，一年半的光阴已飞逝而去，项目工作也接近尾声。回首过往，哭过、笑过、努力过、失望过、有些许遗憾，但更多的是感激。感谢一路走来陪伴在我身边的老师、同事、朋友和家人。因为有你们的加油和鼓励，才让我充满信心和斗志，以一种乐观向上的心态去迎接困难和挑战。

在漫长的论文写作过程中，给过我最多关心和指导的莫过于两位来自云南师范大学的老师，邰教授和石教授学识渊博，治学严谨，待人和蔼，每一种品质都令人钦佩并值得我用一生去学习，我将铭记于心。从最初的论文选题到撰写开题报告，再到数据选取与论文的撰写，直至最终的定稿两位老师在每一个过程中都给予了悉心的指导并给出了实质性的建议。在此，我要向两位老师致以深深的敬意和谢意！一年半的生活中，感谢我的同事、朋友一路相随，给了我难忘的友情，并温暖着我前进的路，真心地祝福你们。另外也要感谢我的家人一直以来对我的支持和帮助，是你们的爱让我更加地勇敢和坚定。

最后，要感谢在百忙之中对论文进行评审和指导的各位专家、老师。你们辛苦了！