红外热成像测温系统关键技术和硬件实现

摘要

由本课题组自主研发的红外热成像测温系统采用高分辨率数字测温技术，实现了非接触高精度温度测量。本文基于红外辐射测温原理建立了红外热成像测温系统的测温方程；针对该测温系统的核心部件非制冷焦平面探测器的输出特性，深入研究各种非均匀性校正算法的硬件可实现性，通过实验分析，采用了改进的实时一点校正算法对探测器非均匀性进行校正；硬件实现2D-TDI算法去除噪声，提高信噪比；对图像处理算法引入的测温误差进行了补偿；完成与后端测温平台的正确通信。最后，实现了丰富的测温视频显示功能，可从液晶屏和寻像器获得清晰的伪彩色图像。 本论文在红外图像处理平台和视频显示系统的硬件设计中，均采用以FPGA为核心的设计思想，以极低的硬件成本实现了红外图像处理算法和视频显示功能。在逻辑编程时，运用流水线流程设计方案，极大的提高了芯片处理速度。 实验表明，红外热成像测温系统工作稳定，可靠性高。图像质量和测温精度可以和国内外高成本的同类产品媲美。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1红外测温技术的发展

1.2红外热像仪发展状况综述

1.3红外热成像测温系统总体介绍与本文主要工作

1.3.1红外热成像测温系统总体介绍

1.3.2本文主要研究工作

2红外热像仪测温原理

2.1红外测温的物理基础

2.2红外测温原理

2.3非制冷焦平面探测器(热探测器)的光谱响应度

2.4非制冷焦平面探测器测温公式

2.5 UL01 01 1探测器

2.5.1 UL01 01 1探测器简介

2.5.2 UL01 01 1探测器驱动时序

3红外图像处理技术

3.1非制冷凝视焦平面非均匀性的实时校正

3.1.1采用两点定标校正法进行实时的非均匀性校正

3.1.2采用实时一点校正法进行实时的非均匀性校正

3.1.3结果分析

3.2 2D-TDI去噪

3.2.1二维图像序列的时间延迟积分(2D-TDI)算法原理

3.2.2 2D-TDI算法的FPGA实现

3.2.3结果分析

4红外图像处理平台硬件设计

4.1平台结构

4.2 FPGA模块设计

4.2.1 Cyclone器件结构简介

4.2.2 Cyclone器件的配置

4.3系统存储模块设计

5红外图像处理平台扩展以及与后端通信

5.1对红外图像处理带来的测温误差校正

5.2红外图像处理扩展平台

5.2.1环境温度测量模块

5.2.2挡片控制模块

5.2.3串口调试模块

5.3红外图像处理平台与后端测温系统的通信

5.3.1数据传送格式

5.3.2数据缓冲存储器

6视频显示系统

6.1 VGA与PAL制式介绍

6.1.1 VGA制式

6.1.2 PAL制式

6.2设计方案

6.3视频显示系统硬件设计

6.3.1视频D/A THS8134

6.3.2 CXA2075

7 FPGA逻辑设计与常见问题

7.1常用的总线协议

7.1.1 SPI总线协议

7.1.2 I2C总线协议

7.2 FPGA时钟与同步设计

7.2.1最好的时钟设计——全局时钟

7.2.2异步转同步的设计

7.3 FPGA设计中的延时电路的产生

7.4 FPGA信号的输入输出

8 PCB设计

总结

致谢

参考文献

附录