红外图像采集.docx

摘要1近年来，随着热成像技术的迅速发展和广泛应用，涌现出了各种型号的红外热像仪，同时，热图像的质量也在不断提高，但是由于红外探测器性能及工作环境的影响，红外图像的质量并不是很理想。根据不同的成像装置，和不同领域的需求指标，需要做相应的处理。本文研究用SC3000型红外热像仪输出图像并对其进行处理。首先研究了红外热像仪的结构及工作原理。在此基础上，使用SC3000型红外热像仪采集了多幅红外图像。然后通过分析红外图像的成像机理并观察采集到的红外图像归纳总结出了红外图像的特点。2根据红外图像本身的特点，运用相应的图像增强算法对红外图像处理进行了实验研究，分别实现了提高对比度、抑制噪声及增强边缘。 3在此基础上，根据不同算法的效果，提出了一种可将几种算法的优点融合为一体的混合算法。这种算法进一步提高了图像的视觉效果。4最后，根据视觉恒常理论，对Retinex算法在红外图像处理中的应用进行了深入研究，并与混合算法进行了比较，证明Retinex算法和混合算法都适用于红外图像处理，并能取得良好的处理效果。关键词：红外热像仪 图像增强 红外图像处理 混合算法 Retinex算法ABSTRACT1Recently, the thermal imaging technology have been developed rapidly and widely usedAnd various thermal imaging devices are developedMeanwhile，the quality of thermal imaging is not very satisfactory because of the influence of infrared detectors and working environment, though the thermal image quality is improvingAccording to imaging devices, and the required indicators，the relative processing is needed Output image measured by the infrared imaging system SC3000 and image processing algorithms are studied in this paperThe structure and working principle of the infrared imaging system is studied in this paperAnd a number of infrared images were measured by the thermal infrared imager SC3000Then the characteristics of the infrared image are acquired analyzing the infrared mechanism and measured infrared images2 Infrared image processing is studied by applying corresponding infrared image enhancement algorithm, according to the characteristics of infrared imageAnd the effects ofenhanced contrast, restrained noise and improved fringe ale acquired3 A hybrid algorithm is derived from different algorithms based on their effectsThis algorithm combines the benefits of several algorithms and further enhanced the image of thevisual effects4 Finally, Retinex infrared image processing algorithm is studied based on visual constancy theory, and compared with the hybrid algorithmIt is proved that the Retinex algorithm and hybrid algorithm is applicable to infrared image processing, and Can achieve a good effectKey words：Infrared Detector, Image Enhancement, Infrared Image Process，Mix-Algorithm，Retinex Algorithm22红外热像仪的构成及工作原理221红外热像仪的构成红外热像仪是一种二维热图像成像装置。热成像系统是一个光学一电子系统，可用于接收波长在075100m之间的电磁辐射，它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成电信号，再将电信号的大小用灰度等级的形式表示，最后在显示器上显示出来。其组成框图如图21所示：从上述组成框图可以看到，红外热像仪由以下几个部件组成：红外光学系统、光机扫描器、红外探测器、信号处理器、制冷机、控制装置和图像信号输出装置。(1) 红外光学系统：重新改善光束的分布，使更有效地利用光能。它可大大提高灵敏面上的照度，经过光学系统的入射照度比入射到光学系统表面上的照度高若干倍，提高了仪器的信噪比，增大了系统的探测能力。红外热像仪的光学系统应满足如下要求：小的尺度，这由整机尺寸要求所确定；具有尽可能大的相对孔径；有确定的视场角；在所选择的波段内有最小的辐射能损失；在物镜焦平面上像的尺寸最小，当目标移至视场边缘处无明显的畸变；在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。(2) 光机扫描器(焦平面热像仪无此机构)：对目标景物的红外图像进行扫描，并聚集在单元或多元探测器上，它的作用是使探测器的瞬时视场沿整个视场进行扫描，通过扫描可以连续、完整地分解图像，从而能以小的瞬时视场实现大的空间区域的目标搜索和成像，这种扫描可以在像空间又可在物空间来实现。(3) 红外探测器：红外热像仪的核心部件，它既完成视场内图像的扫描取样，同时也通过光电效应将入射辐射转换为电信号。探测器像元的数量，决定了热成像技术的发展水平，探测器像元数量的变化，决定了扫描系统、信号处理部分的变化。(4) 制冷机：为了保证红外探测器有效地工作，降低热噪声，延长 工作波段，屏蔽背景噪声，降低前置放大器噪声。它主要有两个方面的技术功能：保证探测器功能正常，或增加探测器的灵敏度；减少来自光学系统本身带来的热噪声。由于探测器在红外热像仪中所占的空间很小，因此制冷器的体积也要较小。力求微型化。(5) 信号处理：在红外热像仪中，探测器输出的电信号非常微弱，一般仅为微伏量级，它只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，因此，信号放大与处理电路是红外热像仪的重要组成部分。信号处理电路是从探测器接收到低电平信号，通过放大、限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或图像信号输出装置。通常，红外热像仪要采用隔直流(或交流耦合)电路，将探测器输出信号耦合到放大电路中。这有三个方面的原因：抑制背景；可以消除探测器上的任何直流偏置电位：能把探测器的lf噪声的干扰影响降至最小。在设计电路时，必须估计信号电平和信号处理系统各级所需要的增益。要使显示系统正常工作，一般探测器输出信号需放大的净增益约10倍。有时也会遇到高电平信号的情况，这就要求信号处理系统能提供较大的动态范围，为此，需要采用自动增益控制技术。(6) 图像输出装置：红外图像信号经电子线路处理后，需送入图像输出装置进行显示。一般用显示器提供可视信息，供观察人员观察，使整个系统与观察者联系起来。热图像与物体表面的热分布场相对应，实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际应用中，为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加系统的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实时校正，伪彩色处理等技术等。222红外热像仪的工作原理光学系统将景物发射的红外辐射收集起来，经过光谱滤波之后，将景物的辐射通量分布会聚成像到光学系统焦面上，即探测器光敏面上。光机扫描器包括两个扫描镜组，一个做垂直扫描，一个做水平扫描，扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。当扫描器工作时从景物到达探测器的光束随之移动，在物空间扫出像电视一样的光栅。当扫描器以电视光栅形式将探测器扫过景物时，探测器逐点接受景物的辐射并转化成相应的电信号。或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转换成电信号，经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的热图像。223红外测温原理红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成测温系统。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就为红外热成像测温奠定了理论基础。只要以黑体为标准，根据探测器输出电压矿与温度的关系，测定样本点，建立与的映射关系。将电压值数字化后表示为d，则可以得到整个系统的温度标定查找表Td，测量温度时，以d为索引，找出相应的温度。热成像技术可获取景物大视场的红外辐射图像，当红外热像仪对物体测试时，热像仪的瞬时视场将物体表面分解成一个个像元，然后由内部机构将代表各像元温度的辐射能量按一定规律会聚到探测器上，探测器输出电信号的幅度与输入辐射能量的大小成正比，信号经过处理，在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图，经过系统定标后可实现对景物场景的图像测温，这样就实现了红外热成像测温系统。224红外探测器红外探测器是红外技术发展最活跃的领域，是红外系统、热成像系统的核心组成部分。由于红外辐射是不可见的，要觉察它的存在，测量它的强弱，首先必须把它转换成某种可以测量的物理量，而红外探测器就是完成这样的任务：把红外辐射转换成可以测量的物理量。现在红外探测器的发展已达到相当高的水平，近、中、远红外单元探测器的性能不少已达到或接近背景限制的理论水平。对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。如根据响应波长，可以分为近红外、中红外、远红外、极远红外探测器；根据工作温度，可以分为低温、中温和室温探测器；根据用途和结构可分为单元、多元、线阵、焦平面阵列；而探测器在光电成像系统中，用来将红外辐射信号转换为电信号，因此它也可以分为成像和非成像的探测器；就探测机理而言，可分为光子探测器和热探测器两大类。其中，热探测器的工作原理：红外辐射照射探测器灵敏面，使其温度升高，导致某些物理性质发生变化，对它们进行测量，便可确定入射辐射功率的大小；光子探测器的工作原理：当吸收红外辐射后，引起探测器灵敏面物质的电子态发生变化，产生光子效应，测定这些效应，便可确定入射辐射的功率。在热探测器中，熟释电探测器和测微辐射热计的灵敏度较高，响应时间较快，而且坚固耐用，具有广泛地应用前景；光子探测器的灵敏度更高，比热释电器件约高两个数量级，但光子器件需要制冷，截止波长越长，制冷温度就越低。23红外图像的获取采用美国FLIR公司的SC3000型红外热像仪。SC3000可更换各种镜头，能够测量不同大小、距离和速度的目标。为进一步分析存储的红外图像，FLIR提供ThermaCAM Researcher，这是一个基于PC实时数字记录软件包。分析存储的14位数字图像，保存红外视频文件或实时高速动态事件，通过使用ThermaCAM Researcher HS版本，实现以高达900Hz NTSC750Hz PAL的速率记录红外图像和数据。SC3000的工作原理：将两种半导体材料A和B用人工方法交替生长形成周期性的薄层结构，在其界面能带有突变，形成势阱和势垒。电子和空穴被限制在低势能阱内，因势阱内能量是量子化的，故称为量子阱。利用量子阱中子能级电子跃迁原理制作的探测器就是量子阱探测器。二维FPA(焦平面阵列)的热像仪，视场内的景物同时成像在FPA上， FPA的探测元与观察的景物空间像素一一对应，直接实现对景物的空间的分解，所分解的景物的像素数目就是FPA上探测元的数目。所以它没有光机扫描机构。FPA同时接收景物的热辐射，用电子学自扫描方式，将FPA各探测元的信号读出变成一维时序信号，经处理后的信号送至显示器就形成了熟图像，即红外图像。SC3000使用14