一種頭盔式紅外測溫儀及其方法

一種頭盔式紅外測溫儀及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種頭盔式紅外測溫儀及其方法，該測溫儀包括頭盔以及設置在該頭盔上的探測器、探測器驅動電路、信號處理板、電源板、SD卡存儲電路、LCD目鏡、電池和存儲按鈕，其中探測器設置在頭盔正前方，LCD目鏡與探測器同軸；測溫步驟為：通過電池為電源板提供總電源，探測器驅動電路對探測器進行配置，探測器開始采集目標的實時圖像原始數據；探測器驅動電路接收探測器發送的實時圖像原始數據，并將其發送到信號處理板，進行數字圖像處理，得到目標的溫度信息圖像；信號處理板的顯示芯片將溫度信息圖像以VGA格式輸出至LCD目鏡。本發明頭盔式紅外測溫儀工作效率高、操作方便，能夠實現對被檢目標進行實時精確的測溫和成像。
【專利說明】一種頭盔式紅外測溫儀及其方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于紅外測溫以及紅外熱成像【技術領域】，特別是一種頭盔式紅外測溫儀及 其方法。

【背景技術】
[0002] 目前，在國家電網下屬各省分公司中，對于各地變電基站的巡檢工作主要是以人 力進行的，這種巡檢工作的內容主要包括檢查大型變電機組的工作狀態、惰性氣體運輸管 道的泄漏情況等。在實際巡檢操作中，遇到的最大的難題就是無法準確、及時的定位和發 現潛在的問題。如果一個工作機組出現了潛在的工作狀態異常而沒有明顯的表現出來，那 么運維人員在當次巡檢過程中是無法及時發現的，通常的巡檢周期是每月一次，也就是說， 當某個機組出現問題時，有很大的概率會將這個問題保持到下次巡檢時才能被運維人員發 現。對于變電機組這樣強高壓工作的設備，這些潛在的問題存在很大的危險性。因此，需要 設計并制造出一款便攜式的儀器來讓運維人員及時的發現這種潛在的問題并解決。
[0003] 紅外測溫是目前應用十分廣泛的一種監測方式，通過被測目標自身的輻射水平， 紅外測溫系統能夠自動的識別并計算出被測目標的準確溫度。在電力系統的巡檢過程中， 利用紅外測溫的方式可以非常直觀準確的讓巡檢人員發現被檢機組的異常工作狀態，從而 針對其作出相應的處理。目前，變電站的紅外測溫模式是以手持式紅外測溫儀來進行，這樣 的巡檢測溫模式存在以下幾個顯著缺點：
[0004] 1.工作量大、效率低：由于采用手持式設備，這就需要運維人員在巡檢過程中必 須使用一只手來持握測溫儀，導致只能以單手進行運維過程中的其他操作，在測溫過程中， 運維人員難以攜帶或同時使用其他儀器，大大制約了使用其他儀器獲取被檢目標多維狀態 信息的可能性；
[0005] 2.易漏檢、管理及配備成本高：由于運維人員手持測溫儀，導致測溫儀探測的區 域與運維人員人眼正在觀察或需要觀察的區域無法快速的保持一致，對于運維人員想要觀 察的區域需要通過人工搜索的方式將其凸顯在測溫儀的視場中，嚴重影響了設備缺陷檢出 率及運維效率；
[0006] 3.手持式測溫儀設備成本過高，不便于廣泛應用推廣，并且手持式設備功耗較大， 在使用時必須配備大容量的電池，導致整套設備重量較重，體積較大，不便于運維人員攜 帶。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種工作效率高、成本低、操作方便的頭盔式紅外測溫儀 及其方法，實現對被檢目標進行實時精確的測溫和成像。
[0008] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種頭盔式紅外測溫儀，包括頭盔以及設置 在該頭盔上的探測器、探測器驅動電路、信號處理板、電源板、SD卡存儲電路、LCD目鏡、電 池和存儲按鈕，其中探測器設置在頭盔正前方且與頭盔外壁固定為一體，LCD目鏡通過支架 與頭盔相連，并且LCD目鏡與探測器同軸；
[0009] 所述探測器的輸出端與探測器驅動電路連接，探測器驅動電路的輸出端通過信號 線與信號處理板連接，信號處理板的圖像信號輸出端分別接入SD卡存儲電路和LCD目鏡， 存儲按鈕接入信號處理板的控制端，電池為電源板提供總電源，電源板的電源輸出端接入 其它各個部件的電源端；
[0010] 探測器驅動電路對探測器進行配置，探測器開始采集目標的實時圖像原始數據； 探測器驅動電路接收探測器發送的實時圖像原始數據，并將接收到的實時圖像原始數據發 送到信號處理板；信號處理板對接收到的實時圖像原始數據進行數字圖像處理得到目標的 溫度信息圖像；信號處理板的顯示芯片將得到的溫度信息圖像進行處理，以VGA格式輸出 至LCD目鏡。
[0011] 一種基于所述頭盔式紅外測溫儀的測溫方法，步驟如下：
[0012] 第1步，系統初始化，設定溫度報警閾值，探測器驅動電路對探測器進行配置，探 測器開始采集目標的實時圖像原始數據；
[0013] 第2步，探測器驅動電路接收探測器發送的實時圖像原始數據，并將接收到的實 時圖像原始數據發送到信號處理板；
[0014] 第3步，信號處理板對接收到的實時圖像原始數據進行數字圖像處理，依次進行 圖像測溫、圖像增強和偽彩色疊加，得到目標的溫度信息圖像；
[0015] 第4步，信號處理板的顯示芯片將得到的溫度信息圖像進行處理，以VGA格式輸出 至IXD目鏡，供人眼觀察。
[0016] 本發明與現有技術相比，其顯著優點：（1)首次將紅外測溫技術與頭盔式紅外熱 成像工作方式相結合，全面實現在運維巡檢過程中"走到哪，看到哪，查到哪"的運維方式； (2)在小型化熱像儀的原有設計結構上形成處理技術突破，只利用處理芯片即完成紅外測 溫，體積縮減至44. 5_X44. 5_X44. 5_、重量〈lkg、功耗<2w，實現了體積小、重量輕、續 航時間長等便攜式設備具備的特點，較傳統的手持式紅外測溫儀在相同電池容量下脫機工 作時間增加300%-400% ; (3)通過調節被檢設備、紅外測溫儀、人眼實現同軸觀測，使得運維 人員可以快速準確的定位到異常目標并開始排障，測溫精度達到實際所需指標，此外，較傳 統的手持式紅外測溫儀成本低至30%-40%，便于實現大規模裝備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明紅外測溫儀的頭盔安裝結構圖。
[0018] 圖2是本發明紅外測溫儀的電路結構示意圖。
[0019] 圖3是本發明信號處理板的電路結構示意圖。
[0020] 圖4是本發明頭盔式紅外測溫儀的測溫流程圖。
[0021] 圖5是測溫曲線，其中（a )是傳統方法所得測溫曲線圖；（b )是本發明寬溫度范圍 黑體標定所得的測溫曲線圖。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖及具體實施例，對本發明做進一步詳細說明。
[0023] 結合圖1?2,本發明頭盔式紅外測溫儀，包括頭盔9以及設置在該頭盔9上的探 測器1、探測器驅動電路2、信號處理板3、電源板4、SD卡存儲電路5、IXD目鏡6、電池7和 存儲按鈕8,其中探測器1設置在頭盔9正前方且與頭盔外壁固定為一體，IXD目鏡6通過 支架與頭盔相連，并且IXD目鏡6與探測器1同軸。
[0024] 所述探測器1的輸出端與探測器驅動電路2連接，探測器驅動電路2的輸出端通 過信號線與信號處理板3連接，信號處理板3的圖像信號輸出端分別接入SD卡存儲電路5 和IXD目鏡6,存儲按鈕8接入信號處理板3的控制端，電池7為電源板4提供總電源，電源 板4的電源輸出端接入其它各個部件的電源端，為整套系統正常工作提供各個部件需要的 工作電壓。探測器驅動電路2為探測器1正常工作提供必要的數字以及模擬信號，接收探 測器1輸出的14-bit數字圖像信號并送至信號處理板3 ;
[0025] 結合圖3,所述信號處理板3集成了 FPGA芯片，以及與FPGA芯片連接的存儲器、 探測器驅動電路接口、電源板接口、蜂鳴器和顯示芯片，探測器驅動電路接口與探測器驅動 電路2連接，電源板接口與電源板4連接，顯示芯片的輸出端接入SD卡存儲電路5和IXD 目鏡6 ;FPGA芯片具有數字圖像處理、閾值報警的功能，將數字圖像處理結果發送到顯示芯 片，并產生報警信號控制蜂鳴器。
[0026] 電池7為電源板4提供總電源，探測器驅動電路2對探測器1進行配置，探測器1 開始采集目標的實時圖像原始數據；探測器驅動電路2接收探測器1發送的實時圖像原始 數據，并將接收到的實時圖像原始數據發送到信號處理板3 ;信號處理板3對接收到的實時 圖像原始數據進行數字圖像處理得到目標的溫度信息圖像；信號處理板3的顯示芯片將得 到的溫度信息圖像進行處理，以VGA格式輸出至IXD目鏡6。
[0027] 結合圖4,本發明頭盔式紅外測溫儀的測溫方法，步驟如下：
[0028] 第1步，通過電池7為電源板4提供總電源，設定溫度報警閾值，探測器驅動電路 2對探測器1進行配置，探測器1開始采集目標的實時圖像原始數據；
[0029] 第2步，探測器驅動電路2接收探測器1發送的實時圖像原始數據，并將接收到的 實時圖像原始數據發送到信號處理板3 ;
[0030] 第3步，信號處理板3對接收到的實時圖像原始數據進行數字圖像處理，依次進行 圖像測溫、圖像增強和偽彩色疊加，得到目標的溫度信息圖像。所述的數字圖像處理，具體 過程如下：
[0031] (3. 1)將實時圖像原始數據進行處理，利用FPGA內部的先入先出隊列fifo將實時 圖像原始數據的各行數據首尾相接，得到一幀連續的原始圖像；
[0032] (3. 2)經過單點校正操作將原始圖像的背景去除：采用一均勻黑體放置在探測器 鏡頭前方，用探測器采集Q幀連續圖像求取每個像素點的灰度均值，確定得到背景圖像，每 幀新的圖像在輸出時都與該背景圖像作差，即得到可視紅外圖像，公式如下：
[0033]

【權利要求】
1. 一種頭盔式紅外測溫儀，其特征在于，包括頭盔（9)以及設置在該頭盔（9)上的探測 器（1)、探測器驅動電路（2)、信號處理板（3)、電源板（4)、SD卡存儲電路（5)、LCD目鏡（6)、 電池 （7)和存儲按鈕（8)，其中探測器（1)設置在頭盔（9)正前方且與頭盔外壁固定為一體， IXD目鏡（6)通過支架與頭盔相連，并且IXD目鏡（6)與探測器（1)同軸； 所述探測器（1)的輸出端與探測器驅動電路（2)連接，探測器驅動電路（2)的輸出端通 過信號線與信號處理板（3)連接，信號處理板（3)的圖像信號輸出端分別接入SD卡存儲電 路（5)和IXD目鏡（6)，存儲按鈕（8)接入信號處理板（3)的控制端，電池（7)為電源板（4) 提供總電源，電源板（4)的電源輸出端接入其它各個部件的電源端； 探測器驅動電路（2)對探測器（1)進行配置，探測器（1)開始采集目標的實時圖像原始 數據；探測器驅動電路（2)接收探測器（1)發送的實時圖像原始數據，并將接收到的實時圖 像原始數據發送到信號處理板（3);信號處理板（3)對接收到的實時圖像原始數據進行數字 圖像處理得到目標的溫度信息圖像；信號處理板（3)的顯示芯片將得到的溫度信息圖像進 行處理，以VGA格式輸出至IXD目鏡（6)。
2. 根據權利要求1所述的頭盔式紅外測溫儀，其特征在于，所述信號處理板（3)集成了 FPGA芯片，以及與FPGA芯片連接的存儲器、探測器驅動電路接口、電源板接口、蜂鳴器和顯 示芯片，探測器驅動電路接口與探測器驅動電路（2)連接，電源板接口與電源板（4)連接， 顯示芯片的輸出端接入SD卡存儲電路（5)和IXD目鏡（6) ;FPGA芯片將數字圖像處理結果 發送到顯示芯片，并產生報警信號控制蜂鳴器。
3. -種基于權利要求1所述頭盔式紅外測溫儀的測溫方法，其特征在于，步驟如下： 第1步，系統初始化，設定溫度報警閾值，探測器驅動電路（2)對探測器（1)進行配置， 探測器（1)開始采集目標的實時圖像原始數據； 第2步，探測器驅動電路（2)接收探測器（1)發送的實時圖像原始數據，并將接收到的 實時圖像原始數據發送到信號處理板（3); 第3步，信號處理板（3)對接收到的實時圖像原始數據進行數字圖像處理，依次進行圖 像測溫、圖像增強和偽彩色疊加，得到目標的溫度信息圖像； 第4步，信號處理板（3)的顯示芯片將得到的溫度信息圖像進行處理，以VGA格式輸出 至IXD目鏡（6)，供人眼觀察。
4. 根據權利要求3所述的頭盔式紅外測溫儀的測溫方法，其特征在于，第3步所述的數 字圖像處理，具體過程如下： (3. 1)將實時圖像原始數據進行處理，利用FPGA內部的先入先出隊列fifo將實時圖像 原始數據的各行數據首尾相接，得到一幀連續的原始圖像； (3. 2)經過單點校正操作將原始圖像的背景去除：采用一均勻黑體放置在探測器鏡頭 前方，用探測器采集Q幀連續圖像求取每個像素點的灰度均值，確定得到背景圖像，每幀新 的圖像在輸出時都與該背景圖像作差，即得到可視紅外圖像，公式如下：
式中，為校正后像素點（i，j)的灰度輸出值，IOTiginai(i，j)為原始像素 點（i，j)的灰度輸出值，
為背景圖像像素點（i，j)的灰度輸出值，N為校 正時采集的幀數，其中N、i、j為正整數，且200彡Q彡400,0 < i彡320,0 < j彡56 ; (3. 3)采用中值濾波的方式去除可視紅外圖像的高頻噪聲，得到測溫預圖像；SD卡存 儲電路（5)實時采集信號處理板（3)顯示芯片所發出的測溫預圖像，并存儲到SD卡中； (3. 4)利用寬溫度范圍黑體標定技術得到測溫曲線，根據該測溫曲線確定每幀測溫預 圖像中灰度即溫度最大值出現的位置，并確定該位置在整個測溫預圖像中的坐標；判斷溫 度最大值是否高于預設的溫度報警閾值，若是則發出報警控制信號，控制蜂鳴器進行報警， 否則不報警； (3. 5)對原始的測溫預圖像進行直方圖均衡化處理，得到正常的視覺圖像； (3. 6)通過流水線數據替代的方式在正常的視覺圖像中找到灰度即溫度最大值的位置 坐標，將溫度字符疊加到該點周圍，并用方框將該點標出，得到目標的溫度信息圖像； (3. 7)將溫度信息圖像放大以適合目鏡的顯示維度； (3. 8)將放大后的溫度信息圖像經過偽彩色編碼轉換為彩色圖像。
5.根據權利要求4所述的頭盔式紅外測溫儀的測溫方法，其特征在于，第（3. 4)步所述 的寬溫度范圍黑體標定技術，具體步驟如下： (3. 4. 1)首先將探測器置于充填了液氮的黑體腔室內進行標定：將黑體溫度從0°C開 始每升高2°C采集一次圖像數據，每個標定溫度T連續采集δ幀圖像數據并記錄下來，將 S幀圖像中所有像素點的灰度值累加求出灰度值總體期望值，即探測器在該標定溫度Τ的 實際灰度值，如下式所示：
式中，Ε(ΙΤ)為標定溫度Τ下灰度值的總體期望值，即實際灰度值；δ為連續采集圖像 的中貞數，100彡δ彡400 ;IT(m, η)表示標定溫度Τ下像素點（m, η)的灰度值，1彡m彡Μ， 1彡η彡N;MXN為圖像的維度即圖像大小； 以標定溫度為縱坐標，灰度值為橫坐標，做出標定溫度T與實際灰度E (Ιτ)的第一定標 曲線； (3. 4. 2 )將探測器置于玻璃容器內，容器內壁鍍上水銀層，探測器鏡頭與容器內壁貼合 密閉，將該容器置于抽真空的黑體腔室內，按照步驟（3. 4. 1)的方法進行標定，做出標定溫 度Τ與實際灰度Ε (Ιτ)的第二定標曲線； (3. 4. 3)將探測器置于未經過任何處理的黑體腔室內，并保持實驗室環境恒溫恒濕，按 照步驟（3. 4. 1)的方法進行標定，做出標定溫度Τ與實際灰度Ε(ΙΤ)的第三定標曲線； (3. 4. 4)根據三條定標曲線之間的偏差，確定每個標定溫度Τ對應的系統工作產生熱 量補償量以及環境溫度補償量，將三條定標曲線進行修正處理得到測溫曲線，所述測溫曲 線滿足二次拋物線方程： Τ (X) = aX2+bX+c (3) 式中，Τ (X)為圖像灰度值X對應的實際溫度值，X表示灰度值，a、b、c分別為曲線控制 系數。
【文檔編號】G01J5/10GK104251738SQ201310257560
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月25日 優先權日:2013年6月25日
【發明者】陳錢, 許轟烈, 樊曉清, 張橋舟, 顧國華, 劉寧, 隋修寶 申請人:南京理工大學