张 林,贾 涛,焦明印,姜粉娥,秦 鹏,陈志学

(1.西安应用光学研究所,陕西 西安 710065；2.陆军航空兵驻西安地区军事代表室,陕西 西安 710065)

1 引 言

随着线列探测器的广泛应用,作为红外成像领域中的关键技术之一非均匀校正的方法也不断深入改进和完善[1],使图像质量得到明显改善,以便更加适用于热像系统观察场景动态范围大、使用环境苛刻等需求。

二代扫描型热像仪的非均匀性校正(NUC)通常采用定点两点温度校正法,该方法无法适应时间或环境的变化对探测器带来的影响,造成校正偏离,空间噪声增大[2]。进而工程上改进为通过在成像光路中设置可控温的黑体来完成探测器的实时校正,保证在不同时刻以及不同应用环境下,黑体的温度始终实时地跟随场景温度,校正系数实时更新,使非均匀性校正的输出误差降低。在这种实时校正的过程中,黑体温度的稳定性以及变化快速性是直接影响校正结果的关键因素,尤其在动态范围变化剧烈的应用场景,如武器平台在大角度调转时,在热像仪的成像视场内,输入场景的温度变化范围大且变化速度快,这对于黑体温度跟随的实时性提出很高的要求。如果校正黑体的温度控制滞后或超调于场景的温度范围,直接带来的问题就是校正结果误差增大,进而影响图像的输出,最终影响光电系统的目标跟踪。本文针对黑体温度反馈信号的获取以及控制模型上提出了一种改进方案,保证了在场景变化剧烈的应用情况下校正输出的稳定。

2 目前基于探测器扫描温度反馈的黑体控温方法

本系统实现的原理如图1所示。采用温控参考源实时校正是通过在探测器的成像光路里设置两个黑体温控源,结合闭环温度控制手段,控制两个黑体的温度始终覆盖探测器入射场景的温度范围[3]。实时性是通过温度控制器实时采集黑体的温度反馈来保证的,目前采用的方法是：黑体设置在探测器的成像光路中,利用探测器的扫描成像可以采样到标定黑体的输出,通过黑体输出的视频信号来对应温度的反馈值。

图1 系统原理框图Fig.1 Schematic diagram of system

具体控制过程如下：扫描器以20 ms的周期进行摆动,摆动使得线阵列探测器能够周期的遍历输入的场景以及黑体参考源,如图2所示。在探测器扫描到黑体参考源时,黑体作为校正的基准输入,成像处理单元要记录黑体辐射投射到探测器后的输出作为校正的原始数据,用于后端的校正运算；同时将每个探测元原始输出进行平均,作为黑体温度的反馈值,用于温度的闭环控制。探测器扫描到入射场景时,成像处理单元取得场景的输入数据,计算场景的辐射能量分布,通过动态均衡的方法获取场景的分布范围,根据分布范围的上下限电平作为两个黑体参考源控温的输入指令。温控输入指令和温度反馈经过校正输出后最终馈送到驱动电路,实现黑体参考源的温度闭环。该方法反馈信号实际是黑体的自身图像,受黑体材料辐射率的影响,温度采样精度不高,探测器自身的非均匀性,也影响黑体温度的真实反馈,同时20 ms的采样率,带宽较低,造成解算周期受限,影响温度控制的精度以及快速性。针对该问题改进为采用热敏铂电阻测温作为反馈信号的数字PID控温技术,提高了基于控温黑体的非均匀实时校正的适应性。

图2 非均匀校正流程框图Fig.2 Block diagram of correction progress

3 基于探测器扫描黑体反馈的闭环温度控制方法的改进

针对上述问题,基于探测器扫描黑体反馈的闭环温度控制方法改进为采用热敏铂电阻测温作为反馈信号来实现黑体控温。这里黑体为被控对象,其加热制冷器元件采用的就是半导体制冷器TEC。

图3 参考源温度控制系统框图Fig.3 Block diagram of correction progress

改进的黑体温度控制系统框图如图3所示,控制系统经串口通讯接收设定温度指令,热敏电阻作为温度传感器经恒流源供电,将实时检测的黑体参考源温度转化为电压信号,经差分放大电路、模数转化电路处理后,将该反馈数字量与指令温度做差,通过数字PID控制,输出脉宽调制信号,经功放驱动电路,实现半导体制冷器TEC的温度控制[4]。

3.1 温度信号采集电路

温度传感器是保证温控精度的重要因素,要提高温度控制精度,必须提高温度传感器的热响应特性和温度测量精度。方案设计初期,在温度传感器的选型问题上进行了对比分析,首先考虑的是新型单线智能数字温度传感器DS18B20,因其体积小且与微处理器连接仅需一个端口即可实现双向通信,无需配置额外附加的转化电路,通过编程即可实现9～12位的数字值的读数,测温精度高。但唯一缺陷是将测量温度转换为12位的数字量需要750 ms,显然不适用于高实时性的温度控制系统[5]。考虑到所选择的温度传感器必须达到设计指标的要求,故而采用具有灵敏、精确、响应时间短、体积小、寿命长等优点的传统热敏电阻,需配置额外附加的转化电路。在具体设计中,采用Pt1000铂电阻,其阻值随温度的变化而变化,在实际应用时需恒流源供电,通过检测其电压变化来体现温度的变化。设计中恒流源电流选取1 mA供电,其原因是若电流值过小,则单位温度变化所引起的敏感电阻两端电压值变化较小,温度变化的测量难度增大；若电流值过大,流经铂电阻时会产生较大热效应,严重影响测量精度。

3.2 差分放大电路

Pt1000铂电阻在0 ℃时阻值为1000 Ω,100 ℃时阻值为1385 Ω,则温度每变化1 ℃,Pt1000阻值变化3.85 Ω,通过1 mA的恒流源供电,电压变化量仅约为3.85 mV,为了能分辨如此小的电压值变化[6],电路中需设计前置放大电路,且运算放大器必须具有低失调、低温漂、低噪声和高增益等特点,这样才能有效检测到设定温度电压与实际温度电压的细小差别并将其放大。设计中采用精密仪用放大器AD620[7],该器件是基于经典的三运放连接方式改进研制的单片仪用放大器,不但满足低失调、低温漂、低噪声的要求,且增益可调整,仅需通过改变一只外部电阻Rg阻值,就能在1～1000范围内精确设置放大倍数。具体的温度信号采集、放大电路如图4所示。铂电阻经1 mA的恒流源供电,获得的电压量与1000 mV的参考电压Vref做差,再将差值放大100倍后输出,完成温度信号采集、转化、放大功能[8]。

图4 温度信号采集放大电路Fig.4 Sampling and amplifying circuit for temperature signal

3.3 半导体制冷器驱动

设计中作为黑体参考源变温的执行器件采用半导体制冷片,半导体制冷片是电流换能型器件,通过控制输入电流,实现高精度的温度控制。热惯性小,制冷制热时间比较快,在热端散热良好、冷端空载的情况下,可迅速达到最大温差[8]。根据制冷片需要大电流工作,优选驱动方案选用脉宽调制型开关功放电路,相比线性功放驱动具有高效低耗的优势,通过调整驱动器输入PWM信号的占空比,来调节输出电流的大小,从而控制半导体制冷器TEC的工作状态。

3.4 数字PID控制

系统采用数字PID控制方法,其实质是将温度传感器得到的数值,与设定温度值进行比较得到偏差,PID调节器按照该偏差值以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号,根据输出结果进行PWM控制输出,控制半导体制冷器的工作状态[9]。

本系统采用增量式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分别为比例系数,积分系数,微分系数;err(k)为本次采样偏差；err(k-1)为上次采样偏差；err(k-2)为上上次采样偏差；

需要注意的是最终的输出结果应该为U(k)加增量调节值,即U(k)+ΔU(k)。图5为PID 控制流程图。

其中,为了达到系统快速响应的目的,程序设计采用了分段处理措施,当设定温度与反馈温度的差值超过1 ℃时,控制器进行开环控制,以百分之百PWM占空比最大功率驱动半导体制冷器TEC,以期达到快速控温的效果；而当设定温度与反馈温度的差值在1 ℃范围内时,控制器则进行PID闭环控制,以提高控温精度[10]。

图5 控制流程图Fig.5 Flow chart of control

4 改进前后的产品试验的效果对比及数据分析

采用本文改进方案的实物如图6所示,TEC参考源设置在镜头的成像光路中并附着在散热片上,铂电阻紧贴在TEC的参考面上实时反馈温度,单片机系统包含差分放大电路,模数转化器,PWM调制模板和驱动等电路以及数字PID控制软件。本方案在某热像仪整机中得到验证,以下是实际测试的结果。

图6 实物图Fig.6 Picture of real product

试验方法模拟瞄准线大角度调转的应用场景。热像仪架设在转塔上,通过转塔在俯仰方向上快速转动,俯仰从0°调转到30°,调转速度70°/s,0.5 s内调转到位。注意到红外背景辐射温度在无云的条件下,俯仰从0°～30°,变化范围约在20～30 K,对于黑体控温系统来说,等效于一个阶跃响应。采用现有的反馈控制方式,可以明显看到黑体参考源在温度跟随过程中滞后,0.5 s到位后,在图像上出现明显非均匀性的横条纹,在1 s以后,黑体参考源控温到位与场景温度接近,这时校正偏差达到背景噪声限,图像横条纹消失。如图7所示。

图7 改进前热像仪图像Fig.7 Image of thermal imager before improvement

采用改进后的产品,采用同样的试验方法,俯仰从0°调转到30°,调转速度70°/s,0.5 s内调转到位。在到位后,图像未出现明显横条纹,表明黑体参考源在调转的时间内,能实时跟随场景温度的变化,使校正偏差始终控制在背景噪声限内,不会出现非均匀性的横条纹。如图8所示。

图8 改进后热像仪图像Fig.8 Improved thermal imager image

5 结 论

本文将扫描型热像仪通过探测器扫描黑体以获得反馈构成控温黑体来实现非均匀性的实时校正,改进为采用热敏铂电阻Pt1000测温作为反馈信号构成控温黑体来实现非均匀性的实时校正,提高了带宽,通过实际多个场景对比试验,验证热像仪非均匀校正对场景的适应性更强。该方法可广泛应用于扫描型热像仪实现非均匀性的实时校正。