基于DSP和CCD的图像测温系统的设计

　　1 引言

　　由于红外测温的非接触性，利用红外探测器进行非接触红外辐射测温在各个领域具有广泛的用途，各种新的红外探测器和测温设备不断涌现。特别是用非制冷性红外焦平面研制的测温系统具有体积小、测温准确、测温范围广的特点，受到广泛欢迎，但是我国的红外焦平面由于技术的限制，尚不能批量生产，进口又受到禁运，并且价格昂贵，导致图像型红外测温系统难以在民用领域得到广泛应用。近红外增强型 CCD在近红外区域有较好的响应率，因此对于如水泥窑炉、炼钢炉等高温目标的温度监控，用 CCD 来替代红外焦平面也能取得良好的效果。

　　本文设计了一种基于红外增强型 CCD 芯片和 DSP 的嵌入式测温成像系统，该系统融合了数字图像处理和辐射测温技术，能实时地采集高温物体的图像信息，并计算出其相应的温度。为了克服由于不同物体比辐射率的差别、测量角度不同等因素造成测温误差，本系统采用了二片 CCD 即采用双波段测温方法，从而提高了系统的测温精度。

　　2 系统设计方案

　　本系统由光学镜头部分、图像采集模块、逻辑控制模块、图像处理模块和USB2.0 接口模块五个部分组成。系统框图如图1所示。首先，被测目标光线透过光学镜头分为互相垂直的两束，经过外加的近红外滤光片，让波长为 750nm~900nm 和900nm~1100nm 的红外波段光透过，分别被两块CCD 芯片接收。经过CCD 信号处理器 AD9991 后，模拟电压信号转变成的数字信号，经由DMA 通道送往 DSP 进行处理。最后通过USB2.0 接口把处理后得到的图像传送到主机进行显示。考虑到AD9991 处理速度和DSP 有一定的差距，故在AD9991 和 DSP 处理器之间加上FIFO 进行缓冲处理。整个系统的时序、控制逻辑由CPLD芯片进行控制协调。

　　2.1 光学镜头部分

　　根据双波段测温的原理，系统镜头需要采集同一束光的两段近红外波段图像。镜头的具体设计如图2 所示：

　　首先从镜头进来的光信号，通过一块半透半反镜(它是让一部分光信号透射、另一部分光信号反射的分光器件)将光信号分为互相垂直的两束，分别射向750nm~900nm 和900nm~1100nm 这两个近红外波段的红外滤光片。经过滤光片后两个波段的光就可以分别被两块CCD 芯片接收。

　　2.2 图像采集模块：

　　图像测温要采集近红外波段光，其波长的范围为300~1100nm，系统CCD 芯片采用 SONY 公司的ICX255AL 近红外增强面阵。其对温度的响应曲线如图 3 所示：

　　由上图可见其在 650~1000nm 范围内与温度成近似线性关系，有着比较好的响应。可以满足测温系统的要求。AD 转换芯片采用 Analog Device 公司的 AD9991。AD9991是一款高性能的 CCD 信号处理器，在数字静态照相机和摄像机中有广泛的应用。它不仅包含了一个完整的模拟输入前端和A/D 转换器，而且还集成了一个全功能的可编程的时序发生器，可以支持水平和垂直时钟驱动，其最高工作频率可以达到27MHz。这款 CCD 信号处理芯片主要负责给 ICX255AL 的信号输出提供行、列信号时序上的驱动控制，并将 ICX255AL 输出的模拟信号采样变成数字信号输出给 DSP 进行处理。