CN102564598B

CN102564598B - 一种红外探测器测温的定标和校正方法及相应的测温方法

Info

Publication number: CN102564598B
Application number: CN 201210003527
Authority: CN
Inventors: 刘子骥; 曾星鑫; 蔡贝贝; 杨书兵; 郑兴
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: CN102564598A

Abstract

本发明公开了一种红外探测器测温的定标和校正方法及相应的测温方法，其中测温定标和非均匀校正的流程是非均匀校正先开始，进行到生成校正参数

和

之后，进行测温定标，但此时非均匀校正的过程没有停止，一直在进行循环判断参数是否发生漂移，若漂移则对参数进行校正，否则继续判断，测温定标过程是每采集一个温度的探测器响应，对其利用之前计算非均匀参数进行一次非均匀校正，然后记录下该温度和探测器响应数据，重复该过程，直到采集到足够数据，然后对数据进行拟合，得到探测器温度响应函数。本发明将红外探测器非均匀校正和测温的定标步骤简化为一个步骤，可方便地实现之前需要两个步骤才能实现的校正和定标，另一方面更能够提高测温的精度。

Description

一种红外探测器测温的定标和校正方法及相应的测温方法

技术领域

本发明涉及非制冷红外探测器领域，尤其涉及非制冷红外探测器的定标和校正方法及相应的测温方法。

背景技术

非制冷红外焦平面阵列是20世纪70年代末80年代初，在国防应用以及其他战略与战术应用的推动下发展起来的。它是获取景物红外热辐射信息的重要光电器件。除应用于传统的局势成像外，还广泛应用于工业自控、医疗诊断、化学过程检测、红外天文学等领域。

非制冷红外焦平面阵列所制成的红外探测器可以进行红外测温，属于一种非接触测温，它是通过测量被测物体的红外热辐射来测得被测物体的温度的，不存在热接触和热平衡带来的缺点和应用范围的限制，特别是可以测量二维温度场的红外探测器，更是使用极其高效和方便。

虽然非制冷红外焦平面阵列所制成的红外探测器在测温领域有着巨大的应用背景，但是由于非制冷红外焦平面阵列受到制作材料以及制作工艺的限制，红外焦平面阵列单元的对红外辐射的响应相互之间并不相同，这就是红外焦平面阵列的非均匀性。因此，在使用红外探测器进行测温之前，需要对探测器进行校正。

常用的红外非均匀校正技术有很多种，如一点定标校正、两点定标校正，还有时域高通滤波法、自适应的人工神经网络法等等。目前还没有一种适应性非常强的校正方法，各种非均匀校正算法都有它的不足。目前被应用广泛的是一点定标校正、两点定标校正，但是一点定标校正方法的精度较低，而两点定标法需要实现采取两个温度点进行定标，实现较困难，并且不能在探测器工作时更改校正参数。

红外探测器在进行测温之前，还需要对红外探测器进行标定。常用的标定方法是使探测器对准不同的温度，记录下不同时刻的响应，建立温度-响应曲线，在测温时，利用这个响应曲线可以得到测温结果。

由上可知，使用红外探测器进行测温之前，需要进行两个步骤，即红外探测器的非均匀校正和测温的标定。如果将两个步骤分开，则可能出现在测温定标的过程时，由于外界或探测器内部的各种原因，导致红外焦平面的非均匀性发生了新的变化，之前的非均匀校正参数不再适用，校正的结果出现偏差，会导致定标的精度下降，最终导致测温的精度下降。而目前，还没有一种将两个方法融合起来的校正-标定方法，因此现行方法均可能在校正和标定后使测温出现一定的误差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提出了一种融合红外探测器非均匀校正和测温的标定两个步骤于一体的红外探测器测温的定标和校正方法及运用上述方法对红外探测器进行测温的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种红外探测器测温的定标和校正方法，包括如下步骤：

(1)对红外探测器图像非均匀性进行校正

a)将红外探测器对准标准黑体，将黑体调整到两个不同的温度值T₁和T₂作为校正点，采集这两个不同温度值时的探测器单元的响应电压U₁(i，j)和U₂(i，j)，探测器阵列为M×N，M和N分别表示面阵光敏单元的行数和列数，(i，j)表示第(i，j)光敏单元；

b)分别对两个不同温度值的探测器响应电压求取平均值：

和

\overset{&OverBar;}{U_{2}} = \frac{1}{M \times N} Σ_{i = 1}^{M} Σ_{j = 1}^{N} U_{2} (i, j);

c)求得每一个光敏像素单元的校正参数G(i，j)和O(i，j)：

G (i, j) = \frac{\overset{&OverBar;}{U_{2}} - \overset{&OverBar;}{U_{1}}}{U_{2} (i, j) - U_{1} (i, j)},

O (i, j) = \overset{&OverBar;}{U_{1}} - G (i, j) \times U_{1} (i, j);

d)对探测器单元的响应电压进行校正后为U′(i，j)，U′(i，j)＝G(i，j)×U(i，j)+O(i，j)；

(2)测温系数的定标

a)将红外探测器对准标准黑体，将黑体调整到若干不同的温度值T₁，T₂，...，T_k，...，采集这一系列不同温度值时的探测器单元的响应电压U_k′(i，j)，取其中一个或几个像素点电压响应的平均值，作为对应温度点的响应电压，记为U_k；

b)设探测器的温度响应函数是U′(T)＝f(T，A，B，...)，其中A，B，...是函数参数，根据所采集的U_k和T_k序列使用最小二乘法线性拟合求出温度响应函数中的参数A，B，...，得到探测器的温度响应函数U′＝f(T)；

(3)实时改变非均匀校正参数修正探测器温漂

a)判断探测器是否发生温漂，若是，则执行以下步骤后再继续测温；

b)采集一个温度值为T₀的均匀表面，设探测器单元的响应电压为U₀(i，j)，并求出响应平均值

\overset{&OverBar;}{U_{0}} = \frac{1}{M \times N} Σ_{i = 1}^{M} Σ_{j = 1}^{N} U_{0} (i, j);

c)求取探测器的修正温漂的校正参数为O₀(i，j)：

O_{0} (i, j) = \overset{&OverBar;}{U_{0}} - G (i, j) \times U_{0} (i, j);

d)将校正参数O(i，j)修正为O(i，j)＝O₀(i，j)，则校正公式变为：

U′(i，j)＝G(i，j)×U(i，j)+O(i，j)＝G(i，j)×U(i，j)+O₀(i，j)；

e)为保证校正后的探测器响应应该满足U′₀＝f(T₀)，则在校正参数后加上一个漂移参数，即O(i，j)＝O₀(i，j)+K，取探测器一个像素单元(i，j)，则K的表达式为：

K＝f(T₀)-G(i，j)×U₀(i，j)-O₀(i，j)，其中：1≤i≤M，1≤j≤N；

f)最终将校正参数O(i，j)修正为：

O (i, j) = O_{0} (i, j) + K

= \overset{&OverBar;}{U_{0}} - G (i, j) \times U_{0} (i, j) + f (T_{0}) - G (i, j) \times U_{0} (i, j) - O_{0} (i, j) .

一种使用上述定标和校正方法对红外探测器进行测温的方法，其根据温度响应函数U′＝f(T)，得到温度-电压关系为T＝f^-1(U′)以求得实时温度T。

进一步地，在已知响应电压U′后，使用牛顿迭代法得到U′＝f(T)，得出相应的温度值T。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：①在探测器工作时能够实时的更改校正参数。②将红外探测器非均匀校正和测温的标定两个步骤简化为一个步骤，可以方便地实现之前需要两个步骤才能实现的校正和定标，另一方面更能够提高测温的精度。

附图说明

图1为测温的定标和非均匀校正方法流程图；

图2为实时测温的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示：测温定标和非均匀校正的流程是非均匀校正先开始，进行到生成校正参数G和O之后，开始进行测温定标，但是此时非均匀校正的过程没有停止，一直在进行循环判断参数是否发生漂移，若漂移的话则对参数进行校正，否则继续判断。

测温定标的过程是每采集一个温度的探测器响应，对其利用之前计算的非均匀参数进行一次非均匀校正，然后记录下该温度和探测器响应数据。重复这个过程，直到采集到足够数据，然后对数据进行拟合，得到探测器温度响应函数。

如图2所示：实时测温之前需要使用到之前的非均匀校正参数和探测器温度响应函数，因此一定是在定标和校正之后进行的。

在实时测温的过程中，对非均匀校正参数的修正也是不停地在执行的，判断参数是否发生漂移，若发生漂移，对参数进行校正，以保证测温一直在良好的均匀性情况下进行。

实时测温时，每次采集测温目标的探测器响应数据，然后对数据进行非均匀校正，记录下校正后的响应电压值，根据探测器响应函数求解当前响应电压对应的温度值，得出目标的温度值。

下面使用非制冷红外焦平面探测器做一个范例。

事先调节非制冷红外焦平面探测器的工作参数，使它工作在正常的工作点，并且工作一段时间保持稳定。

打开面源黑体，将黑体温度调整为20℃，等待黑体温度稳定。在黑体温度稳定后，将探测器对准黑体表面，采集并记录下100帧图像数据。同样步骤记录下100帧40℃图像数据。

将两个温度的图像数据按照参数计算公式进行运算并得到非均匀校正参数：

G (i, j) = \frac{\overset{&OverBar;}{U_{2}} - \overset{&OverBar;}{U_{1}}}{U_{2} (i, j) - U_{1} (i, j)},

O (i, j) = \overset{&OverBar;}{U_{1}} - G (i, j) \times U_{1} (i, j)

然后开始每隔一段时间判断参数是否发生漂移，如果漂移了则修正非均匀校正参数，保证非均匀校正参数始终满足校正的需要；

开始使用非均匀校正后的探测器进行测温的定标。

将黑体温度调整到10℃，即令T₁将探测器的中心对准黑体中心，记录下探测器中心的响应值U₁。然后将黑体分别调整到20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，即令T_i＝10i℃(i＝2，3，...，6)，记录下探测器中心的响应值U_i(i＝2，3，...，6)。由此得出T-U曲线，假设响应函数U＝f(T)＝AT²+BT+C，使用最小二乘法，拟合响应函数的系数A，B，C并保存下来。得到实用的温度响应函数U＝AT²+BT+C。

在非均匀校正和测温定标完整之后，可以开始调整好探测器，进入测温工作阶段。

测温时，将探测器对准待测物体，采集到物体对应的探测器响应电压，根据温度响应函数U＝AT²+BT+C，就可以求解出物体的表面温度。由于红外焦平面探测器是阵列型探测器，还可以将物体表面每一个像素的电压响应用来求取温度，可以得到物体表面温度分布。

根据红外焦平面的类型的不同和使用范围的不同，该方法可以作适当改变调整采集温度的温度值和温度点的个数以适应不同的应用需求，在此不再一一详述。