CN101470026A - 凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置。它包括红外镜头、红外探测器和信号处理控制电路，信号处理控制电路连接在红外探测器上，位于红外镜头与红外探测器之间的等效高低温参考黑体挡片连接步进电机的转子，步进电机的电源及控制端口连接信号处理控制电路，等效高低温参考黑体挡片上设置有等效高温参考黑体区域和等效低温参考黑体区域。它可以使热像仪在实际使用过程中可以随工作条件的改变而采用基于时域递归的两点非均匀性校正算法进行现场实时标定，从而兼具良好的非均匀性校正效果和时域漂移补偿效果，大大提高了凝视型热像仪的成像质量和稳定性，有效扩展了凝视型热像仪的应用范围。

Description

凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置

一 技术领域

本发明属于红外热成像系统非均匀性校正技术，特别是一种凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置。

二 背景技术

凝视型热像仪由于其探测器制造工艺等方面的原因，都具有响应的非均匀性，该非均匀性表现为探测器输出图像上存在的固定图案噪声。不同种类的红外探测器的非均匀性各不相同，PtSi型探测器的非均匀性可以做到小于1％，HgCdTe和InSb型红外探测器的非均匀性为10％左右，而微测辐射热计探测器的非均匀性可达20％。红外探测器的非均匀性严重影响着热像仪的成像质量，使图像变得不清晰，甚至造成目标的不可辨别，若不进行后期的非均匀性校正处理，将会导致热像仪无法正常工作。同时红外探测器的非均匀性特征参数会随着工作环境以及器件的疲劳程度等工作条件的变化而发生时域漂移，该非均匀性特征参数的时域漂移特性会使经过非均匀性校正处理的热像仪输出图像在热像仪工作条件发生改变的情况下出现像质劣化的现象，严重影响热像仪的正常工作，需要通过非均匀性校正系数的现场更新来消除。

凝视型热像仪的非均匀性通常采用基于参照源的标定技术进行校正，针对红外热成像系统的实时性和小型化需求，目前大部分凝视型热像仪在实际的工作过程中主要采用以下两种模式进行非均匀性校正和时域漂移补偿处理：一是在热像仪实际使用前采集两个具有不同等效温度的标准面源黑体的辐射响应数据，采用两点标定法计算出非均匀性校正系数预先存储到热像仪内部的信号处理电路中，在热像仪实际使用过程中调用预存的校正系数对原始图像数据进行实时校正输出，如中国专利200610010706.1《凝视红外焦平面探测器自适应非均匀性校正方法》所述方案。这种方法在一定的工作条件下校正效果比较好，缺点是无法随着工作条件的改变而进行现场标定，无法进行时域漂移补偿，当热像仪的实际工作条件变化范围较大时，该方法难以满足特定工作条下校正系数的现场更新要求。二是在热像仪的光学系统中设置一个可移动的具有某一特定等效温度的参考黑体挡板，在热像仪的实际使用过程中随着工作条件的改变采用单点标定法进行现场标定，实现校正系数的现场更新，如中国专利200620019305.8《改善凝视型红外热像仪非均匀性校正效果的光路干扰板》所述方案。这种方法可以进行现场标定，时域漂移补偿效果较好，但校正效果相对较差。

三 发明内容

本发明的目的在于提供一种使热像仪在实际使用过程中可以随工作条件的改变进行现场实时标定，从而兼具良好的非均匀性校正效果和时域漂移补偿效果的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，包括红外镜头、红外探测器和信号处理控制电路，信号处理控制电路连接在红外探测器上，其特征在于：位于红外镜头与红外探测器之间的等效高低温参考黑体挡片连接步进电机的转子，步进电机的电源及控制端口连接信号处理控制电路，等效高低温参考黑体挡片上设置有等效高温参考黑体区域和等效低温参考黑体区域。

本发明的工作过程为：

(1)开机或通过键盘输入标定指令，热像仪自动进入现场标定工作模式；

(2)等效高低温参考黑体挡片的等效高温参考黑体区域切入光路，信号处理控制电路采集并存储等效高温参考黑体辐射响应数据；

(3)等效高低温参考黑体挡片的等效低温参考黑体区域切入光路，信号处理控制电路采集并存储等效低温参考黑体辐射响应数据；

(4)等效高低温参考黑体挡片完全切出光路；

(5)信号处理控制电路根据采集的等效高低温参考黑体辐射响应数据，利用基于时域递归的两点非均匀性校正算法计算出热像仪非均匀性增益和偏移校正系数并进行更新存储；

(6)热像仪自动退出现场标定工作模式，恢复进入实时校正工作模式；

(7)信号处理控制电路读取更新后的增益和偏移校正数据对采集的原始目标图像数据进行实时非均匀性校正处理并显示输出。

本发明的工作原理为：

一是采用基于时域递归的两点非均匀性校正算法计算凝视型热像仪非均匀性增益和偏移校正系数。

每一个红外探测单元的近似线性响应方程为

X_i，j＝G_i，jφ+O_i，j

其中，X_i，j为第(i，j)单元的响应，G_i，j和O_i，j分别为其增益和偏移系数，φ为目标入射辐射功率。热像仪的非均性表现为每个探测单元具有不同的增益和偏移系数，即具有不同的响应曲线，从而导致对于相同的目标入射辐射功率每个探测单元具有不同的响应。

非均匀性校正的基本思想就是设定一条基准曲线，将各探测单元的响应曲线分别做旋转和平移变换，使相同入射辐射条件下各探测单元的响应曲线重合于一条曲线。传统的两点非均匀性校正算法的增益和偏移校正系数的计算公式分别为

$A_{i,j}=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_H-{\stackrel{\‾}{X}}_L}{X_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_H\right)-X_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_L\right)}$

和

$B_{i,j}=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_L{x}_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_H\right)-{\stackrel{\‾}{X}}_H{x}_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_L\right)}{X_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_H\right)-X_{i,j}\left({\mathrm{\φ}}_L\right)}$

其中，X_H为所有探测单元对高温标定均匀面源黑体入射辐射的响应平均值，X_L为所有探测单元对低温标定均匀面源黑体入射辐射的响应平均值，X_i，j(φ_H)为第(i，j)探测单元对高温标定均匀面源黑体入射辐射的响应，X_i，j(φ_L)为第(i，j)探测单元对低温标定均匀面源黑体入射辐射的响应。

由于红外探测器的非均匀性特性参数会随工作条件的变化而发生缓慢的时域漂移，因此探测器的非均匀性增益和偏移校正系数必须在实际工作过程中进行现场实时标定更新。考虑到探测器的非均匀性增益和偏移校正系数各自的时域相关性，可以在传统的两点非均匀性校正算法的基础上采用基于时域递归的两点非均匀性校正算法来计算增益和偏移校正系数，其计算公式分别为

$\stackrel{\‾}{A_{i,j,n}}=A_{i,j,n}+K[\stackrel{\‾}{A_{i,j,n-1}}-A_{i,j,n}]$

和

$\stackrel{\‾}{B_{i,j,n}}=B_{i,j,n}+K[\stackrel{\‾}{B_{i,j,n-1}}-B_{i,j,n}]$

其中，n为现场实时标定的次数，A_i，j，n和B_i，j，n为第(i，j)探测单元在当前次标定下采用传统两点非均匀性校正算法计算出的增益和偏移校正系数，和

为第(i，j)探测单元在前一次标定下采用基于时域递归两点非均匀性校正算法计算出的增益和偏移校正系数，

和

为第(i，j)探测单元在当前次标定下采用基于时域递归两点非均匀性校正算法计算出的增益和偏移校正系数，K为相关因子，可根据相邻两次标定期间探测器非均匀特性参数的时域漂移强度在0到1的范围内选取不同的值，当漂移较强时，K取值较大，当漂移较弱，K取值较小。

因此第(i，j)探测单元经基于时域递归的两点非均匀性校正算法校正后的输出响应方程为

$Y_{i,j}\left(\mathrm{\φ}\right)=\stackrel{\‾}{A_{i,j,n}}{X}_{i,j}\left(\mathrm{\φ}\right)+\stackrel{\‾}{B_{i,j,n}}$

二是根据普朗克黑体辐射定律，相同温度下具有不同发射率的两种灰体材料具有不同的等效黑体温度。

根据普朗克黑体辐射定律，在λ₁～λ₂波长范围内温度为T的黑体辐射本领为

$M_b\left(T\right)=\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}2\mathrm{\πh}{c}^2{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{\mathrm{hc}/\mathrm{k\λT}}-1)}^{-1}\mathrm{d\λ}$

其中h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速，λ为波长。自然界中不存在真正的黑体，大部分物体属于光谱发射率不随波长变化而变化的灰体，灰体的辐射特性与黑体的辐射特性有关，在λ₁～λ₂波长范围内温度为T光谱发射率ε(T)的灰体材料的辐射本领为

M(T)＝ε(T)M_b(T)

在实际工程中，通常将温度为T光谱发射率ε(T)的灰体作为具有等效温度T_e的黑体来使用，即

ε(T)M_b(T)＝M_b(T_e)

其等效黑体温度即为

$T_e=M_b^{-1}\left(\mathrm{\ϵ}\left(T\right)M_b\left(T\right)\right)$

因此，在λ₁～λ₂波长范围内温度为T的具有不同光谱发射率ε₁(T)和ε₂(T)的两种灰体材料将具有不同的等效黑体温度，分别为

$T_{e1}=M_b^{-1}\left({\mathrm{\ϵ}}_1\left(T\right)M_b\left(T\right)\right)$

和

$T_{e2}=M_b^{-1}\left({\mathrm{\ϵ}}_2\left(T\right)M_b\left(T\right)\right)$

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明可以使热像仪在实际使用过程中随工作条件的改变而采用基于时域递归的两点标定法进行现场实时标定，从而兼具良好的非均匀性校正效果和漂移补偿效果，大大提高了凝视型热像仪的成像质量和稳定性，实例证明，本发明可以使微测辐射热计探测器的非均匀性从校正前的20％降低到校正后的0.1％以下，并且在以1小时为测量单位的时间范围内使微测辐射热计探测器的漂移特性从校正前的4.3％降低到校正后的0.8％以下；(2)本发明的现场实时标定功能满足了热像仪在特定工作条件下的非均匀性校正系数的现场更新，有效地扩展了凝视型热像仪的环境适用范围，实例证明，本发明可以使微测辐射热计的环境温度适用范围从0℃～60℃扩展为-30℃～60℃；(3)本发明采用步进电机代替直流电机控制等效高低温参考黑体挡片，根据信号处理控制电路发出的脉冲控制信号，快速而灵活地带动等效高低温参考黑体挡片及时切入或切出光路，大大提高了凝视型热像仪的现场实时标定控制效率。

四 附图说明

图1是本发明的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置结构示意图。

图2是本发明的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置的等效高低温参考黑体挡片结构示意图。

五 具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

结合图1，本发明的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，包括红外镜头1、等效高低温参考黑体挡片2、红外探测器3、步进电机4和信号处理控制电路5，位于红外镜头1与红外探测器3之间的等效高低温参考黑体挡片2连接步进电机4的转子，步进电机4的电源与控制端口连接信号处理控制电路5；红外镜头1用于将目标红外辐射聚焦到探测器焦平面上；等效高低温参考黑体挡片2用于非均匀性校正的实时高低温标定；红外探测器3用于将8～14um波长范围内的目标红外辐射信号输入转换成可测量的电信号响应；步进电机4用于在信号处理控制电路的控制下带动等效高低温参考黑体挡片2切入或切出光路；信号处理控制电路5用于信号采集、存储和处理以及步进电机的控制。

本发明凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置的步进电机4根据信号处理控制电路5发出的脉冲控制信号，快速而灵活地带动等效高低温参考黑体挡片2分别进行正转固定角度、转矩保持及反转固定角度等操作，从而使等效高低温参考黑体挡片2能够按照实时标定流程及时切入或切出光路。

结合图2，本发明的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置的等效高低温参考黑体挡片2为一扇形薄片，其弧心端螺孔8连接步进电机4的转子，其中心为一矩形等效高低温参考黑体区域，沿弧半径平均分为形状和大小均相同的上下两个矩形区域，上方为等效高温参考黑体区域6，下方为等效低温参考黑体区域7；不同区域采用相同温度下具有不同光谱发射率的灰体材料，根据普朗克黑体辐射定律，相同温度下具有不同光谱发射率的两种灰体材料具有不同的等效黑体温度，则一片该等效高低温参考黑体挡片可以为热像仪非均匀性校正实时标定同时提供等效高温和等效低温两种参考黑体辐射源。

等效高温参考黑体区域6为一矩形区域，区域的水平和垂直边界尺寸分别大于红外探测器3的水平和垂直边界尺寸，区域内采用具有高光谱发射率的炭黑(常温下光谱发射率为0.95)或者表面粗糙的石墨(常温下光谱发射率为0.98)作为等效高温黑体材料。

等效低温参考黑体区域7，其特征在于：为一矩形区域，区域的水平和垂直边界尺寸分别大于红外探测器3的水平和垂直边界尺寸，区域内采用具有低光谱发射率的抛光铝(常温下光谱发射率为0.04)或者抛光铜(常温下光谱发射率为0.02)作为等效低温黑体材料。

本发明的工作过程为：1、开机或通过键盘输入标定指令，热像仪自动进入现场标定工作模式；2、等效高低温参考黑体挡片2的等效高温参考黑体区域切入光路，信号处理控制电路5采集并存储等效高温参考黑体辐射响应数据；3、等效高低温参考黑体挡片2的等效低温参考黑体区域切入光路，信号处理控制电路5采集并存储等效低温参考黑体辐射响应数据；4、等效高低温参考黑体挡片2完全切出光路；5、信号处理控制电路5根据采集的等效高低温参考黑体辐射响应数据，利用基于时域递归的两点非均匀性校正算法计算出热像仪非均匀性增益和偏移校正系数并进行更新存储；6、热像仪自动退出现场标定工作模式，恢复进入实时校正工作模式；7、信号处理控制电路5读取更新后的增益和偏移校正数据对采集的原始目标图像数据进行实时非均匀性校正处理并显示输出。

本发明的一个实施例如下：采用320×240元波长为8～14um的a-Si微测辐射热计探测器红外热成像系统，其光学焦距为50mm，光学相对通光孔径F数为1.4。参考黑体挡片的等效高温参考黑体区域6采用炭黑为材料，等效低温参考黑体区域7采用抛光铝为材料，步进电机4采用微太公司的M6SP-LNX12型微型步进电机。信号处理控制电路5通过其核心器件为Altera公司的Cyclone系列EP1C20F400C8N型FPGA，通过其内部编程实现数据的采集，处理以及步进电机4的控制。系统采集、处理的数据以14bit定点表示，并存储在Cypress公司的CY7C1041V33型SRAM中。在温度变化范围为-30℃～60℃的温控室内，让该红外热成像系统连续工作12小时，每隔1小时进行一次现场实时标定，采用基于时域递归的两点非均匀性校正算法对原始目标图像进行非均匀性校正和时域漂移补偿。

测试结果表明，采用本发明的非均匀性校正实时标定装置后，该微测辐射热计红外热成像系统的正常工作环境温度范围从校正前的0℃～60℃扩展到校正后的-30℃～60℃，其微测辐射热计探测器的非均匀性从校正前的20％降低到校正后的0.1％以下，并且在以1小时为测量单位的时间范围内使微测辐射热计探测器的漂移特性从校正前的4.3％降低到校正后0.8％以下，极大地提高了红外热成像系统的整机系统性能。

Claims (6)

1、一种凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，包括将目标红外辐射聚焦到探测器焦平面上的红外镜头[1]、红外探测器[3]和信号处理控制电路[5]，信号处理控制电路连接在红外探测器上，其特征在于：位于红外镜头[1]与红外探测器[3]之间的用于非均匀性校正的实时高低温标定的等效高低温参考黑体挡片[2]连接步进电机[4]的转子，步进电机[4]的电源及控制端口连接信号处理控制电路[5]，等效高低温参考黑体挡片[2]上设置有等效高温参考黑体区域[6]和等效低温参考黑体区域[7]。

2、根据权利要求1所述的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，其特征在于：等效高低温参考黑体挡片[2]为一扇形薄片，弧心端螺孔[8]连接步进电机[4]的转子，等效高温参考黑体区域[6]及等效低温参考黑体区域[7]对称设置于其中心区域。

3、根据权利要求1或2所述的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，其特征在于：等效高温参考黑体区域[6]及等效低温参考黑体区域[7]对称设置为矩形。

4、根据权利要求1或2所述的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置其特征在于：等效高温参考黑体区域[6]及等效低温参考黑体区域[7]的水平和垂直边界尺寸分别大于红外探测器[3]的水平和垂直边界尺寸。

5、根据权利要求1或2所述的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，其特征在于：等效高温参考黑体区域[6]内采用具有高光谱发射率的炭黑或者表面粗糙的石墨。

6、根据权利要求1或2所述的凝视型热像仪非均匀性校正实时标定装置，其特征在于：等效低温参考黑体区域[7]内采用具有低光谱发射率的抛光铝或者抛光铜。

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