DE102014108971B4 - Calibration procedures and correction procedures for a shutterless infrared camera system and the like - Google Patents
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Abstract
Kalibrierverfahren für ein verschlussloses Infrarotkamerasystem (11) umfassend ein Gehäuse (4), eine infrarotdurchlässige Optik (5), eine Sensormatrix (6) im folgenden Sensor genannt, bestehend aus mehreren Sensorelementen, die eine in das Gehäuse (4) einfallende Strahlung detektieren und im Ansprechen darauf jeweils ein Signal an eine Signalverarbeitungseinheit (7) liefern sowie jeweils einen Offset und eine Empfindlichkeit aufweisen, wobei für jedes Sensorelement eine Offsetkorrektur in Abhängigkeit von einer in einem Temperaturschrank (1) regelbaren Umgebungstemperatur sowie von regelbaren Strahlungsquellen (2) durchgeführt wird, wobei unter definierten Bedingungen eine einen von der Umgebungstemperatur beeinflussten Störanteil des gelieferten Signals repräsentierende Messunsicherheit in Abhängigkeit von einer Sensortemperatur und/oder mindestens einer Kameratemperatur bestimmt wird, wobei die Einflüsse der Umgebungstemperatur durch Korrekturfunktionen in Abhängigkeit von der Sensortemperatur und/oder der Kameratemperatur abgeschätzt werden und deren kamerasystemspezifischen Korrekturkoeffizienten in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit (7) zur späteren Korrektur eines Infrarotbildes hinterlegt werden, dadurch gekennzeichnet,- dass für die Sensormatrix (6) ein Arbeitspunkt eingestellt wird, wobei ein Objekttemperaturbereich und ein Umgebungstemperaturbereich vorgegeben werden,- dass eine kameratemperaturspezifische Ungleichförmigkeit aller Sensorelemente mittels eines ersten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt wird, wobei n ≥ 2 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen amit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit (7) gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Umgebungstemperaturen und einer konstanten, homogenen Objekttemperatur durchgeführt wird,- dass eine Korrekturkurve zur Berücksichtigung einer Kamerainnenraumstrahlung ermittelt wird, wobei die Kameratemperatur an m Stellen innerhalb des Gehäuses (4) des Infrarotkamerasystems (11), mit m ≥ 1, gemessen wird und die Abhängigkeit der Signalspannung des Sensors (6) von der Kameratemperatur mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere einer Polynomapproximation mindestens zweiter Ordnung ermittelt wird, wobei die Polynomkoeffizienten α, β, γin der Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit (7) gespeichert werden,- dass eine objekttemperaturspezifische Ungleichförmigkeit des Infrarotkamerasystems (11) mittels eines zweiten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt wird, wobei n ≥ 1 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen bmit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit (7) gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Objekttemperaturen und einer konstanten Umgebungstemperatur durchgeführt wird.Calibration method for a shutter-free infrared camera system (11) comprising a housing (4), an infrared-permeable optics (5), a sensor matrix (6) hereinafter referred to as a sensor, consisting of several sensor elements that detect radiation entering the housing (4) and in the Responding to this, deliver a signal to a signal processing unit (7) and each have an offset and a sensitivity, with an offset correction being carried out for each sensor element as a function of an ambient temperature that can be regulated in a temperature cabinet (1) and of controllable radiation sources (2), wherein under defined conditions, a measurement uncertainty that represents an interference component of the supplied signal influenced by the ambient temperature is determined as a function of a sensor temperature and / or at least one camera temperature, the influences of the ambient temperature by means of correction functions depending on the sensor temperature and / or the camera temperature are estimated and their camera system-specific correction coefficients are stored in a memory unit of the signal processing unit (7) for later correction of an infrared image, characterized in that - that an operating point is set for the sensor matrix (6), with an object temperature range and an ambient temperature range - that a camera temperature-specific non-uniformity of all sensor elements is determined by means of a first characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 2 and correction coefficient matrices a with n = 0, 1, 2, ... n in the storage unit of the signal processing unit (7) are stored, the nonuniformity correction being carried out at n + 1 different ambient temperatures and a constant, homogeneous object temperature, - that a correction curve for taking into account a camera interior radiation is determined, the camera temperature at m position len is measured within the housing (4) of the infrared camera system (11), with m ≥ 1, and the dependence of the signal voltage of the sensor (6) on the camera temperature is determined by means of a compensation calculation, in particular a polynomial approximation of at least second order, the polynomial coefficients α , β, γ are stored in the storage unit of the signal processing unit (7), - that an object temperature-specific non-uniformity of the infrared camera system (11) is determined by means of a second characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 1 and correction coefficient matrices b with n = 0, 1, 2, ... n are stored in the memory unit of the signal processing unit (7), the nonuniformity correction being carried out at n + 1 different object temperatures and a constant ambient temperature.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kalibrierverfahren für ein verschlussloses Infrarotkamerasystem umfassend ein Gehäuse, eine infrarotdurchlässige Optik, eine Sensormatrix im folgenden Sensor genannt, bestehend aus mehreren Sensorelementen, die eine in das Gehäuse einfallende Strahlung detektieren und im Ansprechen darauf jeweils ein Signal an eine Signalverarbeitungseinheit liefern sowie jeweils einen Offset und eine Empfindlichkeit aufweisen, wobei für jedes Sensorelement eine Offsetkorrektur in Abhängigkeit von einer in einem Temperaturschrank regelbaren Umgebungstemperatur sowie von regelbaren Strahlungsquellen durchgeführt wird.The invention relates to a calibration method for a shutter-less infrared camera system comprising a housing, an infrared-permeable lens, a sensor matrix hereinafter referred to as a sensor, consisting of several sensor elements that detect radiation entering the housing and, in response, each deliver a signal to a signal processing unit and each have an offset and a sensitivity, an offset correction being carried out for each sensor element as a function of an ambient temperature that can be regulated in a temperature cabinet and of controllable radiation sources.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Korrekturverfahren für ein verschlussloses Infrarotkamerasystem umfassend ein Gehäuse, eine infrarotdurchlässige Optik, eine Sensormatrix im folgenden Sensor genannt, bestehend aus mehreren Sensorelementen, die eine in das Gehäuse einfallende Strahlung detektieren und im Ansprechen darauf jeweils ein Signal an eine Signalverarbeitungseinheit liefern, wobei für jedes Sensorelement eine Offsetkorrektur durch eine Korrekturrechnung mit kamerasystemspezifischen Korrekturparametern durchgeführt wird. The invention further relates to a correction method for a shutterless infrared camera system comprising a housing, an infrared-permeable lens, a sensor matrix hereinafter referred to as a sensor, consisting of several sensor elements that detect radiation entering the housing and, in response to this, each deliver a signal to a signal processing unit, an offset correction being carried out for each sensor element by means of a correction calculation with correction parameters specific to the camera system.
Oberflächentemperaturen und deren Verteilung werden mittels Infrarotkameras bestimmt. Hierzu kommen meist ungekühlte Mikrobolometer in Form von Sensormatrizen zum Einsatz. Eine Sensormatrix besteht aus einzelnen Mikrobolometersensoren, die in einer großen Anzahl in Zeilen i und Spalten j angeordnet sind. Die Einzelsensoren der Sensormatrix werden auch Sensorelement oder Pixel genannt, wobei jedes Sensorelement eindeutig einer Position ij der Sensormatrix zugeordnet wird. Einfallende Strahlung wird absorbiert und die resultierende Temperaturänderung bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes innerhalb des Sensormaterials. Zyklisch wird ein konstanter elektrischer Strom durch die Einzelsensoren geschickt, wobei sich aus der Widerstandsänderung eine veränderliche Signalspannung ergibt. Diese wird durch digitale Signalverarbeitungsschritte weiterverarbeitet, wobei schließlich eine Infrarotaufnahme in Form eines Infrarotbildes (IR-Bild) der Oberflächentemperatur eines zu untersuchenden Objektes oder einer Messszene abgebildet werden kann. Dabei dient eine Kalibrierung der Infrarotkamera bzw. des Infrarotkamerasystems (IR-Kamera) dazu, aus einem Messsignal (Rohbild) unter Berücksichtigung aller technisch-physikalischen Eigenschaften der IR-Kamera ein strahlungsproportionales Ausgangssignal (IR-Bild) zu berechnen.Surface temperatures and their distribution are determined using infrared cameras. For this purpose, mostly uncooled microbolometers in the form of sensor matrices are used. A sensor matrix consists of individual microbolometer sensors that are arranged in large numbers in rows i and columns j. The individual sensors of the sensor matrix are also called sensor elements or pixels, with each sensor element being uniquely assigned to a position ij of the sensor matrix. Incident radiation is absorbed and the resulting change in temperature causes a change in the electrical resistance within the sensor material. A constant electrical current is sent cyclically through the individual sensors, with the change in resistance resulting in a variable signal voltage. This is further processed by digital signal processing steps, with an infrared recording in the form of an infrared image (IR image) of the surface temperature of an object to be examined or a measurement scene being able to be displayed. A calibration of the infrared camera or infrared camera system (IR camera) is used to calculate a radiation-proportional output signal (IR image) from a measurement signal (raw image), taking into account all technical-physical properties of the IR camera.
Die Ausgangssignalspannung eines Sensorelementes ist proportional zum ausgetauschten Strahlungsfluss. Die Strahlungs-Spannungs-Kennlinien der einzelnen Sensorelemente einer Sensormatrix variieren in bestimmten Grenzen.The output signal voltage of a sensor element is proportional to the exchanged radiation flux. The radiation-voltage characteristics of the individual sensor elements of a sensor matrix vary within certain limits.
Infrarotdurchlässige Linsen fokussieren Bereiche des Objektraumes auf die Sensorelemente. Aufgrund des großen Öffnungswinkels der Sensorelemente detektieren diese sowohl die Strahlungsanteile von der beobachteten Szene als auch Strahlungsanteile, welche vom Innenraum der Infrarotkamera stammen (
Die Hauptkennlinienparameter eines Mikrobolometer-Sensorelementes sind die Empfindlichkeit (gain) und der Arbeitspunkt (Offset). Technologiebedingt haben die einzelnen Sensorelemente eines Mikrobolometerarrays individuell unterschiedliche Arbeitspunkte (Offsets) und Empfindlichkeiten und somit voneinander abweichende Kennlinien bezüglich des einfallenden Strahlungsflusses. Durch eine Korrektur dieser Ungleichförmigkeit (auch NUC - Non-Uniformity-Correction genannt) können alle Sensorelemente auf eine einheitliche Kennlinie, eine sogenannte Normkennlinie, umgerechnet werden. Bisher wird die Ungleichförmigkeit der Sensorelement-Strahlungsfluss-Spannungskennlinien korrigiert, indem eine sensorelementabhängige Differenzspannung vom Bildmittelwert bei homogener Objektstrahlung und konstanter Umgebungstemperatur berechnet wird. Die Koeffizienten der einzelnen linearen Differenzspannungsverläufe werden durch einen Kennlinienabgleich bestimmt. Dafür werden zwei Infrarotaufnahmen einer homogenen Strahlungsquelle bei verschiedenen Temperaturen (Objekttemperaturen), welche den gesamten Sichtbereich der Infrarotkamera abdecken, benötigt.The main characteristic parameters of a microbolometer sensor element are the sensitivity (gain) and the operating point (offset). Due to the technology used, the individual sensor elements of a microbolometer array have individually different operating points (offsets) and sensitivities and thus differing characteristics with regard to the incident radiation flux. By correcting this non-uniformity (also called NUC - Non-Uniformity Correction), all sensor elements can be converted to a uniform characteristic, a so-called standard characteristic. So far, the non-uniformity of the sensor element radiation flux voltage characteristics is corrected by calculating a sensor element-dependent differential voltage from the image mean value with homogeneous object radiation and constant ambient temperature. The coefficients of the individual linear differential voltage curves are determined by comparing the characteristics. Two infrared images of a homogeneous radiation source at different temperatures (object temperatures), which cover the entire field of view of the infrared camera, are required for this.
Mikrobolometersensoren können mit und ohne Temperaturstabilisierung betrieben werden. Da die beiden Hauptkennlinienparameter der Sensorelemente, Empfindlichkeit und Offset, von der Sensortemperatur abhängen, sind diese bei einem temperaturstabilisierten Mikrobolometersensor nahezu konstant. Ist der Sensor nicht temperaturstabilisiert, variieren die Kennlinienparameter in Abhängigkeit von der Sensortemperatur. Unter der Annahme, dass alle Sensorelement dieselbe Arbeitspunkttemperatur besitzen, ist die Änderung der Empfindlichkeit und des Offsets für alle Sensorelemente gleich groß.Microbolometer sensors can be operated with and without temperature stabilization. Since the two main characteristic parameters of the sensor elements, sensitivity and offset, depend on the sensor temperature, they are almost constant with a temperature-stabilized microbolometer sensor. If the sensor is not temperature stabilized, the characteristic parameters vary depending on the sensor temperature. Assuming that all sensor elements have the same operating point temperature, the change in sensitivity and offset is the same for all sensor elements.
Aufgrund von Wärmeleitung durch das Kameragehäuse ist die Sensortemperatur an die Umgebungstemperatur gekoppelt. Somit wirken sich Änderungen der Umgebungstemperatur sowohl auf den Betrag des absorbierten Strahlungsflusses als auch auf die Kennlinienparameter, Empfindlichkeit und Offset der einzelnen Sensorelemente aus. Die Sensortemperatur steht während einer Messung als zusätzliche Messgröße am jeweiligen Sensorelementausgang zur Verfügung. Dadurch ist es möglich, den Einfluss der Sensortemperaturabhängigkeit auf die Signalspannung jedes Sensorelements zu korrigieren. Due to thermal conduction through the camera housing, the sensor temperature is coupled to the ambient temperature. Changes in the ambient temperature thus affect both the amount of the absorbed radiation flux and the characteristic parameters, sensitivity and offset of the individual sensor elements. The sensor temperature is available during a measurement as an additional measured variable at the respective sensor element output. This makes it possible to correct the influence of the sensor temperature dependency on the signal voltage of each sensor element.
Der Anteil der Störstrahlung an der jeweiligen Signalspannung eines Sensorelements wird bisher in den meisten Fällen unter Zuhilfenahme eines optischen Verschlusses (Shutters) bestimmt, um anschließend vom Messsignal abgezogen zu werden und damit das Ausgangssignal zu korrigieren. Beispielsweise wird in Budzier, H., „Radiometrische Kalibrierung ungekühlter Infrarot-Kameras“, TUDpress, Dresden, 2014, ISBN 978-3-944331-45-4, der Shutter geschlossen, so dass ausschließlich die Innenraumstrahlung von jedem Sensorelement der Sensormatrix detektiert wird. Dieser Offset der Ausgangsspannung wird anschließend über die Shutterkennlinie gewichtet und vom Messsignal bei geöffnetem Shutter subtrahiert. Dazu wird die sogenannte Shutterkennlinie aufgenommen, die das Verhältnis von Shutter-auf-Signal und Shutter-zu-Signal in Abhängigkeit von der Infrarotkamerainnentemperatur darstellt. Ändert sich die Infrarotkamerainnentemperatur um einen gewissen Wert oder ist eine bestimmte Zeit vergangen, wird dieser Vorgang wiederholt.The proportion of the interference radiation in the respective signal voltage of a sensor element has so far been determined in most cases with the aid of an optical shutter in order to then be subtracted from the measurement signal and thus correct the output signal. For example, in Budzier, H., “Radiometric calibration of uncooled infrared cameras”, TUDpress, Dresden, 2014, ISBN 978-3-944331-45-4, the shutter is closed so that only the indoor radiation is detected by each sensor element of the sensor matrix . This offset of the output voltage is then weighted via the shutter characteristic and subtracted from the measurement signal when the shutter is open. For this purpose, the so-called shutter characteristic is recorded, which shows the ratio of shutter-to-signal and shutter-to-signal as a function of the temperature inside the infrared camera. If the temperature inside the infrared camera changes by a certain value or if a certain amount of time has passed, this process is repeated.
Ein zweites Verfahren ist aus
Die beiden zuvor beschriebenen Verfahren setzen auf zusätzliche, mechanisch bewegte Hilfsmittel, Shutter bzw. Infrarotfilter, welche die Konstruktionsmöglichkeiten von Infrarotkameras einschränken und mechanisch anfällig sind.The two methods described above rely on additional, mechanically moved aids, shutters or infrared filters, which limit the design options of infrared cameras and are mechanically susceptible.
Vorteilhaft wären daher ein Infrarotkamerasystem und ein zugehöriges Korrekturverfahren, welches auf die mechanischen Komponenten verzichten kann. In Bieszczad,
Für ein verschlussloses Kamerasystem ist jeweils ein Kalibrierverfahren in CAO, Yanpeng; TISSE, Christel-Loic: Solid-state temperatue-dependent NUC (Non-Uniformity Correction) in uncooled LWIR (Long-Wave Infra-Red) Imaging System. Proc. SPIE 8704 Infrared Technology and Applications XXXIX, 87042W (18 June 2013) und SHINDE, Yogesh; BANERJEE, Arup: Design and calibration approach for shutter-less thermal imaging camera without thermal control. 2012 Sixth International Conference on Sensing Technology. Kolkata, India, 18-21 Dec. 2012, ICST 2012. Conference Proceedings, ISBN 978-1-4673-2248-5, pp. 259-264. offenbart.For a shutterless camera system, a calibration procedure is available in CAO, Yanpeng; TISSE, Christel-Loic: Solid-state temperatue-dependent NUC (Non-Uniformity Correction) in uncooled LWIR (Long-Wave Infra-Red) Imaging System. Proc. SPIE 8704 Infrared Technology and Applications XXXIX, 87042W (June 18, 2013) and SHINDE, Yogesh; BANERJEE, Arup: Design and calibration approach for shutter-less thermal imaging camera without thermal control. 2012 Sixth International Conference on Sensing Technology. Kolkata, India, Dec 18-21. 2012, ICST 2012. Conference Proceedings, ISBN 978-1-4673-2248-5, pp. 259-264. disclosed.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Korrektur aufgenommener Infrarotbilder (IR-Bilder) zur Verfügung zu stellen, welches ohne mechanische Hilfsmittel auskommt und sowohl für Infrarotkamerasysteme mit temperaturstabilisiertem als auch mit temperaturunstabilisiertem Sensor einsetzbar ist, sowie ein Verfahren, mittels dem auch Infrarotkamerasysteme mit hohen Sensorauflösungen mit deutlich reduziertem Zeitaufwand kalibriert werden können.It is therefore the object of the invention to provide a method for correcting recorded infrared images (IR images) that does not require mechanical aids and can be used for infrared camera systems with temperature-stabilized as well as temperature-unstabilized sensors, and a method by means of which infrared camera systems can high sensor resolutions can be calibrated with significantly reduced expenditure of time.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Anspruchs 3 gelöst. In den Verfahren wird unter definierten Bedingungen eine einen von der Umgebungstemperatur beeinflussten Störanteil des gelieferten Signals repräsentierende Messunsicherheit in Abhängigkeit von einer Sensortemperatur und/oder mindestens einer Kameratemperatur bestimmt, wobei die Einflüsse der Umgebungstemperatur durch Korrekturfunktionen in Abhängigkeit von der Sensortemperatur und/oder der Kameratemperatur abgeschätzt werden und deren kamerasystemspezifischen Korrekturkoeffizienten in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit zur späteren Korrektur eines Infrarotbildes hinterlegt werden.In terms of the method, the object is achieved by a method according to the features of
In einer Ausgestaltung des Kalibrierverfahrens wird das Kalibrierverfahren für ein Infrarotkamerasystem mit temperaturstabilisiertem Sensor eingesetzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass sowohl die Empfindlichkeit aller Sensorelemente der Sensormatrix als auch der Offset aller Sensorelemente der Sensormatrix konstant sind und falls Unterschiede bei den Hauptkennlinienparametern zwischen den Sensorelementen vorliegen, diese nur in bestimmten Grenzen variieren.In one embodiment of the calibration method, the calibration method is used for an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor. It is assumed that both the sensitivity of all sensor elements of the sensor matrix and the offset of all sensor elements of the sensor matrix are constant and if there are differences in the main characteristic parameters between the sensor elements, these vary only within certain limits.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Kalibrierverfahren für ein Infrarotkamerasystem mit einem temperaturunstabilisierten Sensor eingesetzt. Daher muss bei einem Kalibrierverfahren sowohl die sensortemperaturabhängige Empfindlichkeitsänderung als auch die sensortemperaturabhängige Offsetänderung der Sensorelemente berücksichtigt werden.In another embodiment of the invention, the calibration method is used for an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor. For this reason, both the sensor temperature-dependent change in sensitivity and the sensor temperature-dependent offset change of the sensor elements must be taken into account in a calibration process.
Für ein Infrarotkamerasystem mit temperaturstabilisiertem Sensor wird das folgende Kalibrierverfahren erfindungsgemäß vorgeschlagen: Für die Sensormatrix wird ein Arbeitspunkt eingestellt, wobei ein Objekttemperaturbereich und ein Umgebungstemperaturbereich vorgegeben werden. Es wird eine kameratemperaturspezifische Ungleichförmigkeit aller Sensorelemente mittels eines ersten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt, wobei n ≥ 2 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen an,ij mit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Umgebungstemperaturen und einer konstanten, homogenen Objekttemperatur durchgeführt wird.The following calibration method is proposed according to the invention for an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor: An operating point is set for the sensor matrix, an object temperature range and an ambient temperature range being specified. A camera temperature-specific non-uniformity of all sensor elements is determined by means of a first characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 2 and correction coefficient matrices a n, ij with n = 0, 1, 2, ... n are stored in the memory unit, with the Correction of irregularity is carried out at n + 1 different ambient temperatures and a constant, homogeneous object temperature.
Weiterhin wird eine Korrekturkurve zur Berücksichtigung einer Kamerainnenraumstrahlung ermittelt, wobei die Kameratemperatur an m Stellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1, gemessen wird und die Abhängigkeit der Signalspannung des Sensors von der Kameratemperatur mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere einer Polynomapproximation mindestens zweiter Ordnung ermittelt wird, wobei die Polynomkoeffizienten αK,m, βK,m, γK,m in der Speichereinheit gespeichert werden. Dabei sind die Anzahl m und die Position der Temperaturmessstellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems besonders wichtig, um den genauen Einfluss der unterschiedlichen Kameratemperaturen innerhalb des Gehäuses auf die Signalspannung des Sensors zu ermitteln.Furthermore, a correction curve is determined to take into account radiation inside the camera, the camera temperature being measured at m points within the housing of the infrared camera system, with m ≥ 1, and the dependence of the signal voltage of the sensor on the camera temperature being determined using a compensation calculation, in particular a polynomial approximation of at least second order the polynomial coefficients α K, m , β K, m , γ K, m are stored in the storage unit. The number m and the position of the temperature measuring points within the housing of the infrared camera system are particularly important in order to determine the exact influence of the different camera temperatures within the housing on the signal voltage of the sensor.
Weiterhin wird eine objekttemperaturspezifische Ungleichförmigkeit des Infrarotkamerasystems mittels eines zweiten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt, wobei n ≥ 1 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen bn,ij mit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Objekttemperaturen und einer konstanten Umgebungstemperatur durchgeführt wird. Die Kameratemperatur wird an den m Stellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1, gemessen und dient als Bezugskameratemperatur für das spätere Korrekturverfahren.Furthermore, an object temperature-specific irregularity of the infrared camera system is determined by means of a second characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 1 and correction coefficient matrices b n, ij with n = 0, 1, 2, ... n are stored in the memory unit, with the Correction of irregularity is carried out at n + 1 different object temperatures and a constant ambient temperature. The camera temperature is measured at the m locations within the housing of the infrared camera system, with m ≥ 1, and serves as the reference camera temperature for the subsequent correction process.
Der erste Kennlinienabgleich muss mindestens vom Grad n=2, also anhand von drei Stützstellen, erfolgen und entspricht somit einer Drei-Punkt-Korrektur. Der zweite Kennlinienabgleich muss mindestens vom Grad n=1, also anhand von zwei Stützstellen, erfolgen und entspricht somit einer Zwei-Punkt-Korrektur. Um die Messunsicherheit der korrigierten Signalspannungen der Sensorelemente zu reduzieren, können beide Kennlinienabgleiche zum gleichen Grad (aber mindestens zum Grad n=2) als Drei-Punkt-Korrektur durchgeführt werden.The first adjustment of the characteristic curve must be at least n = 2, i.e. based on three support points, and thus corresponds to a three-point correction. The second adjustment of the characteristic curve must be carried out at least with degree n = 1, i.e. based on two support points, and thus corresponds to a two-point correction. In order to reduce the measurement uncertainty of the corrected signal voltages of the sensor elements, both characteristic curve adjustments can be carried out to the same degree (but at least to degree n = 2) as a three-point correction.
Nach jedem Kalibrierschritt sollte eine Bestimmung von Sensorelementen erfolgen, deren Verhalten außerhalb definierter Grenzen liegt. Die Ausgangsignale dieser Sensorelemente werden für alle weiteren Schritt ignoriert und durch gemittelte Ausgangssignale benachbarter Sensorelemente ersetzt. Dies führt zu einer geringeren Messunsicherheit der korrigierten IR-Bilder.After each calibration step, sensor elements should be determined whose behavior lies outside of defined limits. The output signals of these sensor elements are ignored for all further steps and replaced by averaged output signals from neighboring sensor elements. This leads to a lower measurement uncertainty of the corrected IR images.
Den korrigierten Signalspannungen der einzelnen Sensorelemente können in einem letzten Signalverarbeitungsschritt, einem sogenannten radiometrischen Abgleich, Temperaturen zugeordnet werden. Bei diesem radiometrischen Abgleich wird mit Hilfe kalibrierter Strahlungsquellen bei unterschiedlichen Objekttemperaturen eine Umrechnungsvorschrift bestimmt, um den korrigierten Sensorsignalspannungen absolute Objekttemperaturen zuzuordnen. Diese Umrechnungsvorschrift wird in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit gespeichert.Temperatures can be assigned to the corrected signal voltages of the individual sensor elements in a final signal processing step, a so-called radiometric comparison. In this radiometric comparison, a conversion rule is determined with the aid of calibrated radiation sources at different object temperatures in order to assign absolute object temperatures to the corrected sensor signal voltages. This conversion rule is stored in a memory unit of the signal processing unit.
Für ein Infrarotkamerasystem mit temperaturunstabilisiertem Sensor wird das folgende erfindungsgemäße Kalibrierverfahren vorgeschlagen: Für die Sensormatrix wird ein Arbeitspunkt eingestellt, wobei ein Objekttemperaturbereich und ein Umgebungstemperaturbereich vorgegeben werden. Es wird eine sensortemperaturabhängige Empfindlichkeitsänderung aller Sensorelemente mit einem Polynom zweiter Ordnung approximiert und es werden Korrekturkoeffizienten g2, g1, g0 in der Speichereinheit gespeichert, wobei eine Signalspannungsdifferenzänderung von mindestens zwei verschiedenen konstanten Objekttemperaturen in Abhängigkeit von der gemessenen Sensortemperatur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen gemessen wird.The following calibration method according to the invention is proposed for an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor: An operating point is set for the sensor matrix, an object temperature range and an ambient temperature range being specified. It becomes a sensor temperature dependent The change in sensitivity of all sensor elements is approximated with a second-order polynomial and correction coefficients g 2 , g 1 , g 0 are stored in the memory unit, a signal voltage difference change of at least two different constant object temperatures being measured as a function of the measured sensor temperature at different ambient temperatures.
Weiterhin wird eine sensortemperaturabhängige Offsetänderung aller Sensorelemente mit einem Polynom dritter Ordnung approximiert und es werden Korrekturkoeffizienten o3, o2, o1, o0 in der Speichereinheit gespeichert, wobei bei einer konstanten Objekttemperatur in Abhängigkeit von der Sensortemperatur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen eine Signalspannungsänderung gemessen wird. Nach diesen Berechnungsschritten verhält sich das Infrarotkamerasystem so, alle wäre der Sensor temperaturstabilisiert. Die folgende Kalibrierung gleicht also der eines Infrarotkamerasystems mit einem temperaturstabilisierten Sensor. Es wird eine kameratemperaturspezifische Ungleichförmigkeit aller Sensorelemente mittels eines ersten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt, wobei n ≥ 2 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen an,ij mit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Umgebungstemperaturen und einer konstanten, homogenen Objekttemperatur durchgeführt wird.Furthermore, a sensor temperature-dependent offset change of all sensor elements is approximated with a third order polynomial and correction coefficients o 3 , o 2 , o 1 , o 0 are stored in the memory unit, with a signal voltage change being measured at a constant object temperature depending on the sensor temperature at different ambient temperatures . After these calculation steps, the infrared camera system behaves as if the sensor would all be temperature-stabilized. The following calibration is similar to that of an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor. A camera temperature-specific non-uniformity of all sensor elements is determined by means of a first characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 2 and correction coefficient matrices a n, ij with n = 0, 1, 2, ... n are stored in the memory unit, with the Correction of irregularity is carried out at n + 1 different ambient temperatures and a constant, homogeneous object temperature.
Weiterhin wird eine Korrekturkurve zur Berücksichtigung einer Kamerainnenraumstrahlung ermittelt, wobei die Kameratemperatur an m Stellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1, gemessen wird und die Abhängigkeit der Signalspannung des Sensors von der Kameratemperatur mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere einer Polynomapproximation mindestens zweiter Ordnung ermittelt wird, wobei die Polynomkoeffizienten αK,m, βK,m, γK,m in der Speichereinheit gespeichert werden.Furthermore, a correction curve is determined to take into account radiation inside the camera, the camera temperature being measured at m points within the housing of the infrared camera system, with m ≥ 1, and the dependence of the signal voltage of the sensor on the camera temperature being determined by means of a compensation calculation, in particular a polynomial approximation of at least second order the polynomial coefficients α K, m , β K, m , γ K, m are stored in the storage unit.
Weiterhin wird eine objekttemperaturspezifische Ungleichförmigkeit des Infrarotkamerasystems mittels eines zweiten Kennlinienabgleichs vom Grad n bestimmt, wobei n ≥ 1 ist und Korrekturkoeffizienten-Matrizen bn,ij mit n = 0, 1, 2, ... n in der Speichereinheit gespeichert werden, wobei die Ungleichförmigkeitskorrektur bei n+1 verschiedenen Objekttemperaturen und einer konstanten Umgebungstemperatur durchgeführt wird. Die Kameratemperatur wird an den m Stellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1, gemessen und dient zusammen mit der ebenfalls gemessenen Sensortemperatur als Bezugstemperatur für das spätere Korrekturverfahren.Furthermore, an object temperature-specific irregularity of the infrared camera system is determined by means of a second characteristic curve comparison of degree n, where n ≥ 1 and correction coefficient matrices b n, ij with n = 0, 1, 2, ... n are stored in the memory unit, with the Correction of irregularity is carried out at n + 1 different object temperatures and a constant ambient temperature. The camera temperature is measured at the m points inside the housing of the infrared camera system, with m ≥ 1, and, together with the sensor temperature, which is also measured, serves as a reference temperature for the subsequent correction process.
Der erste Kennlinienabgleich muss mindestens vom Grad n=2, also anhand von drei Stützstellen, erfolgen und entspricht somit einer Drei-Punkt-Korrektur. Der zweite Kennlinienabgleich muss mindestens vom Grad n=1, also anhand von zwei Stützstellen, erfolgen und entspricht somit einer Zwei-Punkt-Korrektur. Um die Messunsicherheit der korrigierten Signalspannungen der Sensorelemente zu reduzieren, können beide Kennlinienabgleiche zum gleichen Grad (aber mindestens zum Grad n=2) als Drei-Punkt-Korrektur durchgeführt werden.The first adjustment of the characteristic curve must be at least n = 2, i.e. based on three support points, and thus corresponds to a three-point correction. The second adjustment of the characteristic curve must be carried out at least with degree n = 1, i.e. based on two support points, and thus corresponds to a two-point correction. In order to reduce the measurement uncertainty of the corrected signal voltages of the sensor elements, both characteristic curve adjustments can be carried out to the same degree (but at least to degree n = 2) as a three-point correction.
Nach jedem Kalibrierschritt sollte eine Bestimmung von Sensorelementen erfolgen, deren Verhalten außerhalb definierter Grenzen liegt. Die Ausgangsignale dieser Sensorelemente werden für alle weiteren Schritt ignoriert und durch gemittelte Ausgangssignale benachbarter Sensorelemente ersetzt. Dies führt zu einer geringeren Messunsicherheit der korrigierten IR-Bilder.After each calibration step, sensor elements should be determined whose behavior lies outside of defined limits. The output signals of these sensor elements are ignored for all further steps and replaced by averaged output signals from neighboring sensor elements. This leads to a lower measurement uncertainty of the corrected IR images.
Den korrigierten Signalspannungen der einzelnen Sensorelemente können in einem letzten Signalverarbeitungsschritt, einem sogenannten radiometrischen Abgleich, Temperaturen zugeordnet werden. Bei diesem radiometrischen Abgleich wird mit Hilfe kalibrierter Strahlungsquellen bei unterschiedlichen Objekttemperaturen eine Umrechnungsvorschrift bestimmt, um den korrigierten Sensorsignalspannungen absolute Objekttemperaturen zuzuordnen. Diese Umrechnungsvorschrift wird in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit gespeichert.Temperatures can be assigned to the corrected signal voltages of the individual sensor elements in a final signal processing step, a so-called radiometric comparison. In this radiometric comparison, a conversion rule is determined with the aid of calibrated radiation sources at different object temperatures in order to assign absolute object temperatures to the corrected sensor signal voltages. This conversion rule is stored in a memory unit of the signal processing unit.
Die Rohdatenerfassung der IR-Bilder und die Erfassung der jeweils zugehörigen Sensor- und Kameratemperaturen für die einzelnen Schritte des Kalibrierverfahrens können in einer beliebigen Reihenfolge erfolgen und sind für die abschließende Bereitstellung der Korrekturkoeffizienten bzw. Polynomkoeffizienten nicht entscheidend. Vielmehr ist es wichtig, dass die ermittelten Korrekturkoeffizienten bzw. Polynomkoeffizienten für eine spätere Korrektur eines Infrarotbildes in einer Speichereinheit hinterlegt werden.The raw data acquisition of the IR images and the acquisition of the respective associated sensor and camera temperatures for the individual steps of the calibration process can take place in any order and are not decisive for the final provision of the correction coefficients or polynomial coefficients. Rather, it is important that the determined correction coefficients or polynomial coefficients are stored in a memory unit for a later correction of an infrared image.
Die Aufgabe wird ebenfalls verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die in dem Kalibrierverfahren ermittelten Korrekturkoeffizienten bzw. Polynomkoeffizienten nachfolgend von einem erfindungsgemäßen Korrekturverfahren genutzt werden, wobei das Korrekturverfahren folgende Schritte aufweist:
- - In einem ersten Korrekturschritt wird eine sensortemperaturabhängige Empfindlichkeitsänderung mit einem Polynom zweiten Grades korrigiert,
- - in einem zweiten Korrekturschritt wird eine sensortemperaturabhängige Offsetänderung mit einem Polynom dritten Grades korrigiert,
- - in einem dritten Korrekturschritt wird eine kameratemperaturspezifische Ungleichförmigkeit mittels eines Kurvenabgleichs vom Grad n, mit n ≥ 2 korrigiert,
- - in einem vierten Korrekturschritt wird der Einfluss einer Kamerainnenraumstrahlung entsprechend einer Korrekturkurve korrigiert,
- - in einem fünften Korrekturschritt wird eine objekttemperaturspezifische Ungleichförmigkeit des Infrarotkamerasystems mittels eines Kurvenvergleichs vom Grad n, mit n ≥ 1 korrigiert. Dabei werden die infrarotkamerasystemspezifische Korrekturkoeffizienten, welche in einem vorgeschalteten Kalibrierverfahren unter bekannten Bedingungen ermittelt wurden, für die Korrektur einer Infrarotaufnahme verwendet.
- - In a first correction step, a sensor temperature-dependent change in sensitivity is corrected with a polynomial of the second degree,
- - In a second correction step, a sensor temperature-dependent offset change is corrected with a third-degree polynomial,
- - In a third correction step, a camera temperature-specific non-uniformity becomes by means of a curve adjustment of degree n, corrected with n ≥ 2,
- - In a fourth correction step, the influence of radiation inside the camera is corrected according to a correction curve,
- In a fifth correction step, an object temperature-specific irregularity of the infrared camera system is corrected by means of a curve comparison of degree n, with n ≥ 1. The correction coefficients specific to the infrared camera system, which were determined in an upstream calibration process under known conditions, are used to correct an infrared image.
In einer Ausgestaltung des Korrekturverfahrens nutzt der erste Korrekturschritt Korrekturkoeffizienten g2, g1, g0, die aus einer gemessenen Signalspannungsdifferenzänderung zwischen mindestens zwei verschiedenen konstanten Objekttemperaturen in Abhängigkeit von einer gemessenen Sensortemperatur
In einer weiteren Ausgestaltung des Korrekturverfahrens nutzt der zweite Korrekturschritt Korrekturkoeffizienten o3, o2, o1, o0, die aus einer Signalspannungsänderung bei einer konstanten Objekttemperatur in Abhängigkeit der Sensortemperatur
In einer weiteren Ausgestaltung des Korrekturverfahrens nutzt der dritte Korrekturschritt Korrekturkoeffizienten-Matrizen an,ij mit n = 0, 1, 2, ... n, die bei n+1 verschiedenen Umgebungstemperaturen und einer konstanten, homogenen Objekttemperatur ermittelt werden.In a further embodiment of the correction method, the third correction step uses correction coefficient matrices a n, ij with n = 0, 1, 2, ... n, which are determined at n + 1 different ambient temperatures and a constant, homogeneous object temperature.
In einer weiteren Ausgestaltung des Korrekturverfahrens nutzt der vierte Korrekturschritt Polynomkoeffizienten αK,m, βK,m, γK,m einer Korrekturkurve und gemessene Kameratemperaturen θK,m an m verschiedenen Stellen innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1, wobei die Polynomkoeffizienten aus der Abhängigkeit der Signalspannung des Sensors von der Kameratemperatur θK,m an verschiedenen Stellen m innerhalb des Gehäuses des Infrarotkamerasystems, mit m ≥ 1 ermittelt werden.In a further embodiment of the correction method, the fourth correction step uses polynomial coefficients α K, m , β K, m , γ K, m of a correction curve and measured camera temperatures θ K, m at m different locations within the housing of the infrared camera system, with
In einer weiteren Ausgestaltung des Korrekturverfahrens nutzt der fünfte Korrekturschritt Korrekturkoeffizienten-Matrizen bn,ij mit n = 0, 1, 2, ... n, die bei n+1 verschiedenen Objekttemperaturen und einer konstanten Umgebungstemperatur ermittelt werden.In a further embodiment of the correction method, the fifth correction step uses correction coefficient matrices b n, ij with n = 0, 1, 2, ... n, which are determined at n + 1 different object temperatures and a constant ambient temperature.
Vorzugsweise kann das Korrekturverfahren durch einen radiometrischen Abgleich erweitert werden. Dabei werden die Signalspannungen in absolute Objekttemperaturen mit Hilfe einer Umrechnungsvorschrift umgerechnet, wobei diese Umrechnungsvorschrift in einem radiometrischen Abgleich im Rahmen eines Kalibrierprozesses des Infrarotkamerasystems mit Hilfe kalibrierter Strahlungsquellen bei unterschiedlichen Objekttemperaturen ermittelt wurde.The correction method can preferably be expanded by a radiometric comparison. The signal voltages are converted into absolute object temperatures using a conversion rule, this conversion rule being determined in a radiometric comparison as part of a calibration process of the infrared camera system with the help of calibrated radiation sources at different object temperatures.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens werden für einen temperaturunstabilisierten Sensor die Korrekturschritte eins bis fünf durchgeführt, d.h. vom ersten Korrekturschritt bis zum fünften Korrekturschritt.In one embodiment of the correction method according to the invention, correction steps one to five are carried out for a temperature-unstabilized sensor, i.e. from the first correction step to the fifth correction step.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens werden für einen temperaturstabilisierten Sensor lediglich die Korrekturschritte drei bis fünf durchgeführt, d.h. vom dritten Korrekturschritt bis zum fünften Korrekturschritt. Die ersten beiden Korrekturschritte sind nicht notwendig, da bei einem Infrarotkamerasystem mit einem temperaturstabilisierten Sensor davon ausgegangen wird, dass die Empfindlichkeit und der Offset der Sensorelement bei sich ändernder Umgebungstemperatur für alle Sensorelemente konstant bleiben.In another embodiment of the correction method according to the invention, only correction steps three to five are carried out for a temperature-stabilized sensor, i.e. from the third correction step to the fifth correction step. The first two correction steps are not necessary, since in an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor it is assumed that the sensitivity and the offset of the sensor elements remain constant for all sensor elements when the ambient temperature changes.
Anordnungsseitig wird die Aufgabe durch ein Infrarotkamerasystem gelöst, wobei im Inneren des Gehäuses des Infrarotkamerasystems mindestens zwei eine Kameratemperatur messende Temperaturmessmittel angeordnet sind.On the arrangement side, the object is achieved by an infrared camera system, with at least two temperature measuring means measuring a camera temperature being arranged inside the housing of the infrared camera system.
In einer Ausgestaltung des Infrarotkamerasystems ist das Temperaturmessmittel als ein Thermoelement und / oder ein thermischer Widerstand ausgebildet.In one embodiment of the infrared camera system, the temperature measuring means is designed as a thermocouple and / or a thermal resistor.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.In the following, the invention will be explained in more detail with the aid of exemplary embodiments.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
-
1 eine schematische Darstellung der von den Sensorelementen detektierten Strahlungsflüsse aus dem betrachteten Halbraum, -
2 eine schematische Darstellung der Kalibrieranordnung eines Infrarotkamerasystems, -
3 einen schematischen Ablauf eines Korrekturverfahrens für ein Infrarotkamerasystem mit einem temperaturstabilisierten Sensor, wobei drei Kamerainnenraumtemperaturen gemessen werden und beide Kennlinienabgleiche zum Grad n=2 erfolgen und die Matrixmultiplikationen elementweise durchgeführt werden, -
4 einen schematischen Ablauf eines Korrekturverfahrens für ein Infrarotkamerasystem mit einem temperaturunstabilisierten Sensor, wobei drei Kamerainnenraumtemperaturen gemessen werden und beide Kennlinienabgleiche zum Grad n=2 erfolgen und die Matrixmultiplikationen elementweise durchgeführt werden, -
5 eine Übersicht zur Bestimmung der Korrekturkoeffizienten-Matrizen für eine Drei-Punkt-Korrektur, wobei die Matrixmultiplikationen elementweise durchgeführt werden, -
6 eine Übersicht zur Bestimmung der Korrekturkoeffizienten-Matrizen für eine Zwei-Punkt-Korrektur, wobei die Matrixmultiplikationen elementweise durchgeführt werden.
-
1 a schematic representation of the radiation fluxes detected by the sensor elements from the half-space considered, -
2 a schematic representation of the calibration arrangement of an infrared camera system, -
3 a schematic sequence of a correction method for an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor, with three camera interior temperatures being measured and both characteristic curve comparisons for Degree n = 2 and the matrix multiplications are carried out element by element, -
4th a schematic sequence of a correction process for an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor, whereby three camera interior temperatures are measured and both characteristic curve comparisons are made to the degree n = 2 and the matrix multiplications are carried out element by element, -
5 an overview for determining the correction coefficient matrices for a three-point correction, whereby the matrix multiplications are carried out element by element, -
6 an overview for the determination of the correction coefficient matrices for a two-point correction, the matrix multiplications being carried out element by element.
In einem ersten Ausführungsbeispiel soll das Kalibrierverfahren eines Infrarotkamerasystems
In einem Kalibrierschritt soll die Ungleichförmigkeit der Sensorelemente bezüglich des Einflusses unterschiedlicher Umgebungstemperaturen, d.h. unterschiedlicher Kamerainnenraumstörstrahlungsanteile so korrigiert werden, dass alle Sensorelemente in gleicher Weise auf Änderungen der Kamerainnenraumstörstrahlungsanteile reagieren. Das Infrarotkamerasystem
In einem weiteren Kalibrierschritt soll die Ungleichförmigkeit der Sensorelemente bezüglich des Einflusses unterschiedlicher Objektstrahlungen so korrigiert werden, dass alle Sensorelemente in gleicher Weise auf Änderungen in der Objektstrahlung reagieren. Dafür befindet sich das Infrarotkamerasystem in einen Temperaturschrank
Durch den radiometrischen Abgleich werden den korrigierten Signalspannungen der einzelnen Sensorelemente Temperaturen zugeordnet. Dazu wird das Infrarotkamerasystem auf kalibrierter Strahlungsquellen gerichtet, deren absolute Objekttemperaturen bekannt sind. Die betrachteten Objekttemperaturen sollten gleichmäßig über den zulässigen Messbereich des Infrarotkamerasystems verteilt sein. Die Umrechnungsvorschrift von Sensorsignalspannung in absolute Objekttemperatur kann durch eine Funktion mit Hilfe einer Ausgleichrechnung oder durch eine Zuordnungstabelle (Look-up table) beschrieben und in einer Speichereinheit der Signalverarbeitungseinheit
In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll das Kalibrierverfahren eines Infrarotkamerasystems mit einem temperaturunstabilisierten Sensor näher erläutert werden. Im Gegensatz zu einem Infrarotkamerasystem mit einem temperaturstabilisierten Sensor bei dem davon ausgegangen wird, dass die Sensorkenngrößen (Empfindlichkeit und Offset) nicht von der Umgebungstemperatur beeinflusst werden, ändert sich bei einem Infrarotkamerasystem mit einem temperaturunstabilisierten Sensor die Normkennlinie der Sensorparameter mit der Änderung der Umgebungstemperatur. Es ist daher zwingend notwendig, zunächst eine Empfindlichkeits- und Offset-Kalibrierung durchzuführen, um die temperaturabhängige Korrektur der Normkennlinie vorzunehmen.In a second exemplary embodiment, the calibration method of an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor is to be explained in more detail. In contrast to an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor in which it is assumed that the sensor parameters (sensitivity and offset) do not depend on the ambient temperature are influenced, in an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor, the standard characteristic of the sensor parameters changes with the change in the ambient temperature. It is therefore imperative to first carry out a sensitivity and offset calibration in order to carry out the temperature-dependent correction of the standard characteristic.
Dafür befindet sich das Infrarotkamerasystem in einem Temperaturschrank
In einem ersten Teilschritt wird die Umgebungstemperatur im Temperaturschrank
Die Sensortemperaturabhängigkeit des Sensorelement-Offsets lässt sich mit einem Polynom dritten Grades beschreiben: OV (θS) = o3*θS 3 + o2* θS 2 + o1*θS + o0, wobei diese Änderung jedoch nicht direkt gemessen werden kann, da sich bei variabler Umgebungstemperatur sowohl die Sensortemperatur
Dazu ist das Infrarotkamerasystem
Als Ergebnis dieser Kalibrierschritte ist es möglich, den Einfluss der Sensortemperatur auf die Empfindlichkeit und den Offset der Sensorelemente des Infrarotkamerasystems zu korrigieren, so dass sich die korrigierten Signalspannungen verhalten als wäre der Sensor temperaturstabilisiert. Die nachfolgenden Schritte zur Kalibrierung entsprechen denen eines Infrarotkamerasystems mit einem temperaturstabilisierten Sensor, siehe dazu die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel für ein Kalibrierverfahren eines Infrarotkamerasystems mit temperaturstabilisiertem Sensor.As a result of these calibration steps, it is possible to correct the influence of the sensor temperature on the sensitivity and the offset of the sensor elements of the infrared camera system, so that the corrected signal voltages behave as if the sensor were temperature-stabilized. The following calibration steps are the same as for an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor, see the explanations relating to the first exemplary embodiment for a calibration method of an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor.
Im Unterschied zu einem Infrarotkamerasystem mit temperaturstabilisiertem Sensor wird beim zweiten Kennlinienabgleich eines Infrarotkamerasystems mit temperaturunstabilisiertem Sensor neben den Kameratemperaturen θK0,m auch noch die Sensortemperatur θS0 gemessen. Zusammen werden diese Temperaturen als Bezugstemperaturen für das Korrekturverfahren verwendet.In contrast to an infrared camera system with a temperature-stabilized sensor, in the second comparison of the characteristics of an infrared camera system with a temperature-unstabilized sensor, in addition to the camera temperatures θ K0, m , the sensor temperature θ S0 is also measured. Together, these temperatures are used as reference temperatures for the correction process.
Im Folgenden soll ein Ausführungsbeispiel für das Korrekturverfahren unter Verwendung eines temperaturstabilisierten Sensors angegeben werden.
Der Einfluss der Kamerainnenraumtemperatur, d.h. der Kamerainnenraumstrahlung wird mittels der Korrekturfunktion UK (
Anschließend erfolgt noch die Ungleichförmigkeitskorrektur bezüglich unterschiedlicher Objekttemperaturen, d.h. Objektstrahlung, wobei für jedes Sensorelement mit den aus dem Kalibrierverfahren abgelegten Korrekturkoeffizienten-Matrizen bn,ij entsprechend einer Zwei-Punktkorrektur eine korrigierte Sensorelementspannung Up,korr,ij berechnet wird. Als Ergebnis ergibt sich bei konstanter Objektstrahlung ein homogenes, umgebungstemperaturunabhängiges Infrarotbild.Then there is the nonuniformity correction with regard to different object temperatures, ie object radiation, a corrected sensor element voltage U p, korr, ij being calculated for each sensor element with the correction coefficient matrices b n, ij stored from the calibration process according to a two-point correction. The result is a homogeneous, ambient temperature-independent infrared image with constant object radiation.
Die Signalspannungen der während der Kalibrierung bestimmten Sensorelemente, deren Ausgangsspannungssignale außerhalb definierter Grenzen liegen, werden ignoriert und durch die korrigierten Signalspannungen benachbarter Sensorelement ersetzt.The signal voltages of the sensor elements determined during the calibration, the output voltage signals of which are outside defined limits, are ignored and replaced by the corrected signal voltages of neighboring sensor elements.
Die korrigierten Signalspannungen der Sensorelemente werden zuletzt in Temperaturen umgerechnet, wobei die Umrechnungsvorschrift des während der Kalibrierung durchgeführten Abgleiches verwendet wird.The corrected signal voltages of the sensor elements are finally converted into temperatures, the conversion rule of the adjustment carried out during the calibration being used.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- TemperaturschrankTemperature cabinet
- 22
- Flächenstrahler mit ObjekttemperaturSurface heater with object temperature
- 33
- Blendecover
- 44th
- Gehäusecasing
- 55
- infrarotdurchlässiges Linsensysteminfrared permeable lens system
- 66
- Sensormatrix mit SensorelementenSensor matrix with sensor elements
- 77th
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 8a,b8a, b
- TemperaturmessmittelTemperature measuring means
- 1010
- Sichtbereich des InfrarotkamerasystemsField of view of the infrared camera system
- 1111
- Infrarotkamerasystem Infrared camera system
- θS θ S
- SensortemperaturSensor temperature
- θK θ K
- KamerainnenraumtemperaturIndoor temperature of the camera
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