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摘 要：本文以FLIR公司的“Tau2 640红外机芯”为核心组件，利用红外探测器机芯实现红外信号到电信号的转换，再用千兆以太网模块将探测器输出的图像数据转换为连续的、低延迟的IP数据包，最后经过PC机进行信号处理，通过以太网接口实现对电动聚焦镜头的控制最终得到高分辨清晰的红外温度图像，进而实现一个便携式的可用于实时控制的多功能红外热像组件。
关键词：红外热像仪；焦平面；千兆以太网模块
随着信息技术的普及和推广，红外探测技术因其作用距离远、抗干扰能力强、穿透烟雾能力强、可全天候工作等优点在军事和民用领域得到极其广泛的应用。
一、红外热成像技术的发展
十九世纪初，英国皇家天文学家F.W.赫胥尔在寻找新的光学介质的时候发现了红外线，开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在1935—1945年的第二次世界大战期间，德国人用红外变像管作为光电转换器件，成功地将红外辐射信号转换为电信号，从而研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，这为红外技术的发展奠定了基础。第二次世界大战后，美国德克萨兰仪器公司利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外辐射迹象，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像信号。后来随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。上个世纪六十年代初期瑞典AGA公司成功研制了第二代液氮制冷红外成像系统，在红外寻视系统的基础上增加了测温的功能。红外技术的发展在九十年代中期取得关键性进展，由美国FSI公司研制的由军用技术（FPA）转民用并商品化的新一红外热像仪（CCD）属焦平面阵列式结构的凝成像装置，技术功能更加先进，只需对准目标摄取图像即可进行现场测温，并将信息存储到机内的PC卡上，便可完成全部操作，各种参数的设定可用软件进行修改和分析数据，最后得出检测报告。
中国对红外热成像技术研究始于七十年代，发展脚步逐渐加快。目前国内已有很多科研院所、私有企业都从事红外热像仪领域的研究，这些院所，企业所生产的红外产品已成为国内该产业的支柱。国内企业生产的红外产品的性能已赶上了国际领先水平，但热像仪中红外焦平面阵列等最核心的组件，由于国内技术水平问题依然需要依赖从发达国家引进。组成热像仪的光学镜头、处理电路、软件等方面，由于国内的技术完全可以实现，故这些方面与国外同行相比，较有优势。
二、红外热像的特点及红外热像仪的分类
红外成像技术对于人类社会的发展进步意义重大，通过它我们可以对不可见的红外电磁波领域有一个直观的认识。只有当我们周围的物体的温度超过一千度以上时，该物体才能够向外发射我们人眼所熟知、能够接收到的可见光。而与之相比，任何的辐射源，当它的温度只要超过了绝对零度（-273.15℃），都会不停地向外辐射红外线。所以，我们完全可以将红外辐射称之为是自然界中存在的最为广泛的辐射。掌握红外热辐射的特性，可为我们的生产生活带来巨大的便利。除了红外热辐射其存在的普遍性之外，还有以下优点：
（1）大气、尘埃等物质对可见光有很强的吸收特性，但是对于3um～5um和8um～14um的红外电磁波却是透明的。利用这两个波段可以在夜晚黑暗的條件下，亦或是在烟云密布的战场中，均能清晰的对前方的物体进行成像，是一种强力有效的反隐身、伪装的检测方法，其保密性和抗干扰性优于雷达和激光。
（2）物体向外辐射红外波能量的大小，只与物体的温度及其表面的发射率有关。当我们知道被测物体的辐射率时，就可通过红外热像仪所检测得到的辐射能量大小而推算出其实际的温度。
（3）与传统的接触式温度测量方法的异同点是，进行红外辐射测温时不需要目标与探测器达到热平衡，使得红外热成像系统的测温速度大大加快，无需等待即可实时获得物体的温度信息，有利于对目标物体进行动态测量和实时监控。
（4）红外焦平面阵列对红外辐射能量的探测不会影响到被测物体的温度场分布，因而不会引起被测物体的温度变化，使得测量的温度信息有非常高的准确性。
（5）由于一切物体，当其温度高于绝对零度（-273.15℃）时，都会向外辐射红外电磁波，从这个理论点出发，只要红外焦平面阵列的制造工艺满足要求，红外热像仪即可测量任意温度范围内的物体。
（6）由于温度测量过程不需要接触目标物体，红外辐射测温可以实现对一些难以接触的物体，例如大电流导线、运作中的设备、高压输电线等，进行实时的温度检测。
一般情况下红外热像仪可以分为光机扫描成像系统和非扫描成像系统。
三、FLIR Tau2 640红外测温组件的设计与实现
现在市场上的红外热像仪可分为两种：一种是固定式红外热像仪，大多与PC机相联，能够获取详细复杂的红外数据，具备实时调控功能，但不易于移动，多用于某些特定的场合。如：医院等。第二种是便携式红外热像仪，其优点在于方便携带、操作简单，但是由于其功能比较单一，使其应用范围往往比较小。本文设计的红外热像仪以FLIR公司生产的Tau2 640 Slow Video（Tau640红外热像仪）的核心部件为硬件基础，通过千兆以太网适配器与PC机相连接，通过网络集成现有系统，实现了红外热像仪的便于携带和多功能性，具有十分重要和长远的现实意义。被测目标发射红外线，经过大气衰减后，信号被红外热像仪的光学系统所采集，经过焦平面上的感光元件阵列，将采集到的红外线被转换为电信号，然后通过前置放大电路的放大，所得信号被控制系统进行处理，最后输出到显示设备上，然后通过对温度的定标，得到所需的红外热图像。所需系统各部分结构分析如下：
1.光学镜头。光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，因此要选择最优的光学镜头进行配置。
2.电动镜头。由于考虑到该系统的远距离控制及信号传输（点对点信号传输可达100m），选用定焦镜头会造成图像的聚焦不便，故本系统所采用的是电动聚焦镜。在电路设计时，我们在输入端加入光藕三极管，这样能够增加电路的抗干扰性和隔离性能。光藕三级管将输入的电信号转换为光信号用于隔离，然后将光信号转换为电信号输出。 对于电动镜头而言，其驱动电压为6V的直流电，而电源提供的是12V的直流电压，故可先通过7806三端稳压器将+12V电压变为+6V，从而满足镜头的驱动电压。而对于电动镜头而言，其聚焦的原理是利用镜头电机，控制光学镜头的正转和反转，从而实现光学镜头的前进和后退，达到电动聚焦的目的。而镜头的正转和反转，即需要给镜头电机正负相反的两个驱动电压，而+12V直流电压通过7806三端稳压器转换为+6V电压后，即可将其分为+6V和-6V两个直流电压。软件控制电动镜头聚焦即是通过设置驱动电路的两个端口IN1和IN2一个脉冲，当IN1为高电平IN2为低电平时，Q5、聚焦电机、Q6构成通路，流过聚焦电机的电流从左至有，电机正转，光学镜头对于焦平面向前移动。当IN2为高电平、IN1为低电平时，Q4、聚焦电机、Q3构成通路，流经电机的电流从右至左，电机反转，光学镜头对于焦平面向后移动。
3.红外焦平面阵列分类和电路设计。红外焦平面阵列分类可根据制冷方式、光辐射与物质相互作用原理、结构形式、成像方式、波长等进行划分。本系统所选择的焦平面阵列按制冷方式划分为制冷型，依照光辐射与物质相互作用原理划分为光子探测器，按成像方式划分为扫描型，按波长划分为长波红外探测器。
读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的信号读出可不是一个容易的事，尤其这种小信号很容易到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的方面。读出电路有自积分型读出电路、源随器型读出电路、直接注入读出电路、反馈增强直接注入读出电路、电流镜栅调制读出电路、电阻负载栅调制读出电路、电容反馈跨阻抗放大器、电阻反馈跨阻放大器等八，这些读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需要进行选用。当然，其中某些性能参数也不是一成不变的，可随工艺水平的发展而变化，如单元面积和成本会随着集成电路工艺的进步而得到提高。这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。
4.热像仪探测器。Tau2 640红外热像仪的远程控制是通过由3.3V的名为RX，TX和GND信号所组成的RS-232接口来实现的，Tau2 640红外热像仪可提供一个有实时串行数字化录像的数字化频道，使用SD_CLK±，SD_FSYNC±t和SD_DATA±信号，热像仪可输出8比特或者14bit的低压差分信号（LVDS），后通过千兆以太网模块，将串行数据转换为IP数据包送入PC机进行信号处理，最后将数据转换成并行格式获得红外热图像。
Tau2 640的同步模式可分为主模式和从模式。
从模式：当热像仪的串行通讯接口设置成从模式时，该热像仪将在接口接头（DIS0_EXT）处接收一个帧同步信号。同步信号将开始焦平面列阵（FPA）帧的时序。该同步信号包含一个如下表所示的正向3V的脉冲。每个帧仅发射一次帧同步信号，且热像仪核心部分只会在接受到一个有效的帧同步时才会开始输出数字化数据。热像仪核心部分的录像输出（模拟）可与外同步模式同时进行，但是录像的帧率取决于外部的帧率（即模拟录像可能不遵守时序标准。热像仪的同步状态必須在开机之前设定（即在改变和保存该模式之后，需要重启热像仪）。
主模式：当热像仪的串行通讯接口设置成主模式时，该热像仪将在接口接头（DIS0_EXT）处输出一个帧同步信号。同步信号符合焦平面列阵（FPA）帧时序的开始。该同步信号包含一个正向3V的脉冲。每个帧仅产生一次帧同步信号，且该信号主要用于驱动在从模式操作下配置的热像仪录像，以帧同步多倍的Tau2 640红外热像仪。
5.前置放大。红外探测器是红外成像的核心部分，其前置放大器是整个系统的关键部件，它的功能是将红外热像仪接收到的微弱信号进行放大并输出给后续处理电路。然而，由于红外热释电探测器的响应信号十分微弱（一般为微伏级），故对前置放大器提出了严格的要求：低噪声、高增益、低频特性好及抗干扰能力强。因此，前置放大器对整个红外系统的性能和效率起着决定性的作用。
四、千兆以太网模块
加拿大Pleora公司的千兆网解决方案iPORT? NTx-Pro IP engine是一款结构紧凑、低功耗的视频转换模块，它几乎可以让任意热像仪系统得到一个快捷、低频的实时视频信号，特别是对于军事、医疗、制造和安全等注意应用系统性能的领域都可获得理想的效果。iPORT? NTx-Pro IP engine模块可有效的将数字视频信号转换为网络IP数据包，后将转换后的低延时，连续的IP数据包通过以太网传输到接收的软件或硬件上，其数据传输速率可达1Gb/s。
总之，Tau2 640红外热像仪机芯实现对目标物体的红外辐射的探测，经由千兆网模块实现低压差分信号到网络IP信号的转换，黑体实现该系统的实时温度校正，最后所得到的图像数据经由PC机进行最终的数字信号处理，得到所需要的显示温度细节的红外热图。由于系统硬件及软件各方面的可移植性良好，一款基于以太网的便携式红外热像仪，将即用ARM平台取代PC机，实现最终的数据信号处理，将拥有极大的市场价值。
参考文献：
[1]万瑾，黄元庆.红外热成像技术中红外焦平面阵列的研究[J].红外与激光工程，2006，35（z5）.
[2]Antoni Rogalski.Infrared detectors：status and trends[J].Progress in Quantum Electronics，2003，27：59-210.
[3]Whatmore R W，Watton R.Pyroelectric Materials and Devices[M].London Kluwer Academic Plubishers，2001.
[4]徐结海.红外线与红外成像技术的发展应用综述[J].中国新技术新产品，2009，（20）：17.
作者简介：
桂晨珺（1999—），女，高三学生，电子邮箱1062971606@qq.com。
关键词：红外热像仪；焦平面；千兆以太网模块
随着信息技术的普及和推广，红外探测技术因其作用距离远、抗干扰能力强、穿透烟雾能力强、可全天候工作等优点在军事和民用领域得到极其广泛的应用。
一、红外热成像技术的发展
十九世纪初，英国皇家天文学家F.W.赫胥尔在寻找新的光学介质的时候发现了红外线，开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在1935—1945年的第二次世界大战期间，德国人用红外变像管作为光电转换器件，成功地将红外辐射信号转换为电信号，从而研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，这为红外技术的发展奠定了基础。第二次世界大战后，美国德克萨兰仪器公司利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外辐射迹象，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像信号。后来随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。上个世纪六十年代初期瑞典AGA公司成功研制了第二代液氮制冷红外成像系统，在红外寻视系统的基础上增加了测温的功能。红外技术的发展在九十年代中期取得关键性进展，由美国FSI公司研制的由军用技术（FPA）转民用并商品化的新一红外热像仪（CCD）属焦平面阵列式结构的凝成像装置，技术功能更加先进，只需对准目标摄取图像即可进行现场测温，并将信息存储到机内的PC卡上，便可完成全部操作，各种参数的设定可用软件进行修改和分析数据，最后得出检测报告。
中国对红外热成像技术研究始于七十年代，发展脚步逐渐加快。目前国内已有很多科研院所、私有企业都从事红外热像仪领域的研究，这些院所，企业所生产的红外产品已成为国内该产业的支柱。国内企业生产的红外产品的性能已赶上了国际领先水平，但热像仪中红外焦平面阵列等最核心的组件，由于国内技术水平问题依然需要依赖从发达国家引进。组成热像仪的光学镜头、处理电路、软件等方面，由于国内的技术完全可以实现，故这些方面与国外同行相比，较有优势。
二、红外热像的特点及红外热像仪的分类
红外成像技术对于人类社会的发展进步意义重大，通过它我们可以对不可见的红外电磁波领域有一个直观的认识。只有当我们周围的物体的温度超过一千度以上时，该物体才能够向外发射我们人眼所熟知、能够接收到的可见光。而与之相比，任何的辐射源，当它的温度只要超过了绝对零度（-273.15℃），都会不停地向外辐射红外线。所以，我们完全可以将红外辐射称之为是自然界中存在的最为广泛的辐射。掌握红外热辐射的特性，可为我们的生产生活带来巨大的便利。除了红外热辐射其存在的普遍性之外，还有以下优点：
（1）大气、尘埃等物质对可见光有很强的吸收特性，但是对于3um～5um和8um～14um的红外电磁波却是透明的。利用这两个波段可以在夜晚黑暗的條件下，亦或是在烟云密布的战场中，均能清晰的对前方的物体进行成像，是一种强力有效的反隐身、伪装的检测方法，其保密性和抗干扰性优于雷达和激光。
（2）物体向外辐射红外波能量的大小，只与物体的温度及其表面的发射率有关。当我们知道被测物体的辐射率时，就可通过红外热像仪所检测得到的辐射能量大小而推算出其实际的温度。
（3）与传统的接触式温度测量方法的异同点是，进行红外辐射测温时不需要目标与探测器达到热平衡，使得红外热成像系统的测温速度大大加快，无需等待即可实时获得物体的温度信息，有利于对目标物体进行动态测量和实时监控。
（4）红外焦平面阵列对红外辐射能量的探测不会影响到被测物体的温度场分布，因而不会引起被测物体的温度变化，使得测量的温度信息有非常高的准确性。
（5）由于一切物体，当其温度高于绝对零度（-273.15℃）时，都会向外辐射红外电磁波，从这个理论点出发，只要红外焦平面阵列的制造工艺满足要求，红外热像仪即可测量任意温度范围内的物体。
（6）由于温度测量过程不需要接触目标物体，红外辐射测温可以实现对一些难以接触的物体，例如大电流导线、运作中的设备、高压输电线等，进行实时的温度检测。
一般情况下红外热像仪可以分为光机扫描成像系统和非扫描成像系统。
三、FLIR Tau2 640红外测温组件的设计与实现
现在市场上的红外热像仪可分为两种：一种是固定式红外热像仪，大多与PC机相联，能够获取详细复杂的红外数据，具备实时调控功能，但不易于移动，多用于某些特定的场合。如：医院等。第二种是便携式红外热像仪，其优点在于方便携带、操作简单，但是由于其功能比较单一，使其应用范围往往比较小。本文设计的红外热像仪以FLIR公司生产的Tau2 640 Slow Video（Tau640红外热像仪）的核心部件为硬件基础，通过千兆以太网适配器与PC机相连接，通过网络集成现有系统，实现了红外热像仪的便于携带和多功能性，具有十分重要和长远的现实意义。被测目标发射红外线，经过大气衰减后，信号被红外热像仪的光学系统所采集，经过焦平面上的感光元件阵列，将采集到的红外线被转换为电信号，然后通过前置放大电路的放大，所得信号被控制系统进行处理，最后输出到显示设备上，然后通过对温度的定标，得到所需的红外热图像。所需系统各部分结构分析如下：
1.光学镜头。光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，因此要选择最优的光学镜头进行配置。
2.电动镜头。由于考虑到该系统的远距离控制及信号传输（点对点信号传输可达100m），选用定焦镜头会造成图像的聚焦不便，故本系统所采用的是电动聚焦镜。在电路设计时，我们在输入端加入光藕三极管，这样能够增加电路的抗干扰性和隔离性能。光藕三级管将输入的电信号转换为光信号用于隔离，然后将光信号转换为电信号输出。 对于电动镜头而言，其驱动电压为6V的直流电，而电源提供的是12V的直流电压，故可先通过7806三端稳压器将+12V电压变为+6V，从而满足镜头的驱动电压。而对于电动镜头而言，其聚焦的原理是利用镜头电机，控制光学镜头的正转和反转，从而实现光学镜头的前进和后退，达到电动聚焦的目的。而镜头的正转和反转，即需要给镜头电机正负相反的两个驱动电压，而+12V直流电压通过7806三端稳压器转换为+6V电压后，即可将其分为+6V和-6V两个直流电压。软件控制电动镜头聚焦即是通过设置驱动电路的两个端口IN1和IN2一个脉冲，当IN1为高电平IN2为低电平时，Q5、聚焦电机、Q6构成通路，流过聚焦电机的电流从左至有，电机正转，光学镜头对于焦平面向前移动。当IN2为高电平、IN1为低电平时，Q4、聚焦电机、Q3构成通路，流经电机的电流从右至左，电机反转，光学镜头对于焦平面向后移动。
3.红外焦平面阵列分类和电路设计。红外焦平面阵列分类可根据制冷方式、光辐射与物质相互作用原理、结构形式、成像方式、波长等进行划分。本系统所选择的焦平面阵列按制冷方式划分为制冷型，依照光辐射与物质相互作用原理划分为光子探测器，按成像方式划分为扫描型，按波长划分为长波红外探测器。
读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的信号读出可不是一个容易的事，尤其这种小信号很容易到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的方面。读出电路有自积分型读出电路、源随器型读出电路、直接注入读出电路、反馈增强直接注入读出电路、电流镜栅调制读出电路、电阻负载栅调制读出电路、电容反馈跨阻抗放大器、电阻反馈跨阻放大器等八，这些读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需要进行选用。当然，其中某些性能参数也不是一成不变的，可随工艺水平的发展而变化，如单元面积和成本会随着集成电路工艺的进步而得到提高。这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。
4.热像仪探测器。Tau2 640红外热像仪的远程控制是通过由3.3V的名为RX，TX和GND信号所组成的RS-232接口来实现的，Tau2 640红外热像仪可提供一个有实时串行数字化录像的数字化频道，使用SD_CLK±，SD_FSYNC±t和SD_DATA±信号，热像仪可输出8比特或者14bit的低压差分信号（LVDS），后通过千兆以太网模块，将串行数据转换为IP数据包送入PC机进行信号处理，最后将数据转换成并行格式获得红外热图像。
Tau2 640的同步模式可分为主模式和从模式。
从模式：当热像仪的串行通讯接口设置成从模式时，该热像仪将在接口接头（DIS0_EXT）处接收一个帧同步信号。同步信号将开始焦平面列阵（FPA）帧的时序。该同步信号包含一个如下表所示的正向3V的脉冲。每个帧仅发射一次帧同步信号，且热像仪核心部分只会在接受到一个有效的帧同步时才会开始输出数字化数据。热像仪核心部分的录像输出（模拟）可与外同步模式同时进行，但是录像的帧率取决于外部的帧率（即模拟录像可能不遵守时序标准。热像仪的同步状态必須在开机之前设定（即在改变和保存该模式之后，需要重启热像仪）。
主模式：当热像仪的串行通讯接口设置成主模式时，该热像仪将在接口接头（DIS0_EXT）处输出一个帧同步信号。同步信号符合焦平面列阵（FPA）帧时序的开始。该同步信号包含一个正向3V的脉冲。每个帧仅产生一次帧同步信号，且该信号主要用于驱动在从模式操作下配置的热像仪录像，以帧同步多倍的Tau2 640红外热像仪。
5.前置放大。红外探测器是红外成像的核心部分，其前置放大器是整个系统的关键部件，它的功能是将红外热像仪接收到的微弱信号进行放大并输出给后续处理电路。然而，由于红外热释电探测器的响应信号十分微弱（一般为微伏级），故对前置放大器提出了严格的要求：低噪声、高增益、低频特性好及抗干扰能力强。因此，前置放大器对整个红外系统的性能和效率起着决定性的作用。
四、千兆以太网模块
加拿大Pleora公司的千兆网解决方案iPORT? NTx-Pro IP engine是一款结构紧凑、低功耗的视频转换模块，它几乎可以让任意热像仪系统得到一个快捷、低频的实时视频信号，特别是对于军事、医疗、制造和安全等注意应用系统性能的领域都可获得理想的效果。iPORT? NTx-Pro IP engine模块可有效的将数字视频信号转换为网络IP数据包，后将转换后的低延时，连续的IP数据包通过以太网传输到接收的软件或硬件上，其数据传输速率可达1Gb/s。
总之，Tau2 640红外热像仪机芯实现对目标物体的红外辐射的探测，经由千兆网模块实现低压差分信号到网络IP信号的转换，黑体实现该系统的实时温度校正，最后所得到的图像数据经由PC机进行最终的数字信号处理，得到所需要的显示温度细节的红外热图。由于系统硬件及软件各方面的可移植性良好，一款基于以太网的便携式红外热像仪，将即用ARM平台取代PC机，实现最终的数据信号处理，将拥有极大的市场价值。
参考文献：
[1]万瑾，黄元庆.红外热成像技术中红外焦平面阵列的研究[J].红外与激光工程，2006，35（z5）.
[2]Antoni Rogalski.Infrared detectors：status and trends[J].Progress in Quantum Electronics，2003，27：59-210.
[3]Whatmore R W，Watton R.Pyroelectric Materials and Devices[M].London Kluwer Academic Plubishers，2001.
[4]徐结海.红外线与红外成像技术的发展应用综述[J].中国新技术新产品，2009，（20）：17.
作者简介：
桂晨珺（1999—），女，高三学生，电子邮箱1062971606@qq.com。