CN102589705A - 热成像仪单黑体温控mrtd野外在线自动检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置及检测方法。自动检测装置包括单黑体温差发生器、红外准直光学系统、图像采集系统和微机控制处理系统。所述检测方法是：先调节面源黑体的温度，使四杆靶与环境产生需要的红外辐射温差；再用卡塞格林平行光管进行准直后进入被检热成像仪的物镜；再由图像采集卡采集成像结果后，输入到微机控制处理系统，进行计算处理并显示计算出的MRTD结果，从而完成对被检热成像仪MRTD参数的自动检测。本发明检测装置的体积重量小，精度有保证，操作简便，自动化程度高，适用于红外热成像设备MRTD的野外在线检测。

Description

热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种光电仪器计量设备，具体地说是一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置及检测方法。

背景技术

近年来红外热成像技术发展迅速，红外热成像设备几乎运用于各个领域。红外热成像设备技术含量高、结构精密、电路系统复杂，由于其结构工艺及技术特点而与一般的机电类仪器设备相比，在客观上故障率较高，因此对红外热成像设备性能参数的检测就显得尤为重要。

评价热成像设备性能的一个重要参数是最小可分辨温差(简称“MRTD”)。MRTD的定义为：对于空间频率的高宽比为7∶1的亮暗相间的四条纹处于均匀的背景中，在观察者刚好能分辨出四条纹图案时的四条纹与背景之间的温差，即为该空间频率下的MRTD。

MRTD函数是表征热成像系统热灵敏度和高频极限分辨力的综合度量，它是带有主观判断定义的物理量，融合了系统的成像质量、显示器和人眼观察等因素，能够较全面反映热成像系统的温度分辨力和空间分辨力。

MRTD的传统检测方法是基于专业检测人员主观判断得到的，其结果受检测人员的影响较大，检测结果不稳定，测试周期长，可重复性差。虽然目前也存在一些MRTD的客观检测方法，但这些检测方法操作繁琐、稳定性较差，容易受到外界因素的影响，大多是在实验室环境下进行，检测装置复杂，体积较大，需要光学平台，从准备工作到完成检测需要的时间较长，而且一般采用双黑体控制目标与环境的温差，这样不仅增加了检测设备的体积和重量，而且在野外复杂的环境温度变化条件下，很难实现精确的温差控制，这些均不能满足野外在线检测的需要。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置，以实现红外热成像设备在野外环境下的MRTD检测。

本发明的目的之二就是提供一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测方法，以解决红外热成像设备在野外环境下的MRTD检测问题。

本发明是的目的之一这样实现的：一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置，包括有：

单黑体温差发生器，与微机控制处理系统相接，用于产生模拟目标与环境间的红外辐射温差；

红外准直光学系统，与所述单黑体温差发生器相接，用于接收所述单黑体温差发生器产生的红外辐射温差，以形成无限远的目标供被检热成像仪接收；

图像采集系统，与微机控制处理系统相接，用于采集被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果，并向微机控制处理系统进行传送；以及

微机控制处理系统，与所述单黑体温差发生器和所述图像采集系统相接，用于对输入的被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果进行分析和计算处理。

本发明所述单黑体温差发生器是由单个面源黑体与四杆靶和温差控制电路连接组成。采用单黑体温度控制技术来模拟目标与背景的温差，通过采用两个温度传感器来分别探测四杆靶和面源黑体的温度，根据探测到的四杆靶温度和预设温差值的大小，来控制面源黑体温度，通过反馈调节，使模拟温差维持在预设温差值。

本发明所述红外准直光学系统是采用折返式结构的同轴卡塞格林平行光管，用来接收单黑体温差发生器的红外辐射温差，以形成无限远的目标供被检热成像仪接收。

本发明所述图像采集系统是由CCD和图像采集卡组成。图像采集卡通过USB接口与微机相连，形成移动式的图像处理工作站。微机控制处理系统通过图像采集卡对CCD进行控制；单帧或者实时的采集被检测仪器的成像结果，传输到微机处理系统中进行分析处理。

本发明在所述微机控制处理系统中设置有自动测试模块。

本发明采用单黑体温度控制技术来模拟目标与环境的温差，不仅减小了检测装置的体积和重量，而且提高了在野外环境下对温差的控制精确，采用带有自动测试模块的微机控制处理系统实现了对MRTD参数的自动检测。本发明检测装置的体积重量小，精度有保证，操作简便，自动化程度高，而且装置中各系统可以相互脱离，便于拆装，便携性好，能够很好地适用于红外热成像仪MRTD的野外在线检测。

本发明是的目的之二这样实现的：一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测方法，按以下步骤进行：

a、由微机控制处理系统通过温差控制电路调节单黑体温差发生器中的面源黑体的温度，使单黑体温差发生器中的四杆靶与环境产生需要的红外辐射温差；

b、用无色差的同轴卡塞格林平行光管将上述红外辐射温差进行准直后，形成无穷远的目标进入被检热成像仪的物镜；

c、将通过被检热成像仪的物镜输入的视频信息传给微机控制处理系统；或使用CCD采集被检热成像仪目视窗口的成像结果，再由图像采集卡采集该成像结果后，输入到微机控制处理系统；

d、微机控制处理系统对输入的视频信息或图像进行计算处理并显示计算出的MRTD结果，从而完成对被检热成像仪MRTD参数的自动检测。

在本发明检测方法中，所述红外辐射温差的产生，是采用一个面源黑体来模拟目标的温度，采用两个温差传感器分别探测四杆靶和面源黑体的温度，根据探测到的环境温度和预设温差值的大小，来控制面源黑体的温度，并通过实时的反馈调节，使模拟温差维持在预设温差值。

微机控制处理系统通过所述图像采集卡对所述CCD进行控制，单帧或者实时地采集被检热成像仪的成像结果，再传输到微机处理系统中进行分析处理。

通过微机控制处理系统中的自动测试模块，结合所述四杆靶的形态特征以及MRTD检测的特点，对采集的红外图像进行降噪处理，以自动准确地提取出四杆靶区域，并以刚好包含四杆靶的矩形区域作为背景区域，根据模拟目标与环境的红外辐射温差与其在红外图像中灰度差的对应关系，利用计算公式计算得出被检热成像仪的MRTD。

所述计算公式为：

MRTD＝k[(温差1-温差2)÷(灰度差1-灰度差2)]

其中系数k是根据被检热成像仪视频输出的性能参数、经过标定得到的修正参数。

在本发明中，采用单个面源黑体温度控制技术来模拟目标与环境的温差，有效地保证了模拟温差的稳定性，减小复杂的环境温度变化对模拟温差的影响，提高温差的控制精度，保证热成像仪MRTD在野外环境下的检测精度；选择刚好包含四杆靶区域的大矩形区域作为背景区域，这样既可以减少噪声污染区域对计算结果的影响，提高检测精度，同时可以减少计算量，提高检测的实时性；由此实现了红外热成像设备在野外环境下的MRTD检测。

附图说明

图1是本发明自动检测装置的总体结构及工作流程框图。

图2是本发明中可程控的单黑体温差发生器的结构及工作流程框图。

图3是微机控制处理系统的MRTD自动检测流程图。

图4是微机控制处理系统中自动测试模块的目标与背景提取原理框图。

具体实施方式

本发明自动检测装置包括用于产生模拟目标与环境间的红外辐射温差的单黑体温差发生器，用于接收所述单黑体温差发生器产生的红外辐射温差、以形成无限远的目标供被检热成像仪接收的红外准直光学系统，用于采集被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果并向微机控制处理系统进行传送的图像采集系统，以及用于对输入的被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果进行分析和计算处理的微机控制处理系统。单黑体温差发生器和图像采集系统分别与微机控制处理系统相连接，红外准直光学系统与单黑体温差发生器相连接。

所述单黑体温差发生器是由单黑体热像靶标和温差控制电路连接组成，所述单黑体热像靶标为单个面源黑体与四杆靶的组合体。所述红外准直光学系统为折返式结构的同轴卡塞格林平行光管。所述图像采集系统包括CCD和图像采集卡组成；所述图像采集卡采用黑白图像采集卡。所述微机控制处理系统是以PC机为主，在其中设置有自动测试模块。

如图1所示，本发明自动检测装置的一种具体构成形式包括单黑体热像靶标、温差控制电路、卡塞格林平行光管、CCD、图像采集卡和微机控制处理系统等部分；单黑体温差发生器中的温差控制电路通过串行接口与微机控制处理系统相连接；CCD连接到被检热成像仪的目视窗口，以通过被检热成像仪上的物镜对卡塞格林平行光管进行观测，接收单黑体温差发生器产生的红外辐射温差信号；对于具有视频输出的被检热成像仪，是将被检热成像仪上的视频输出信号直接经图像采集卡传输给微机控制处理系统进行分析处理。

如图2所示，本发明中可程控的单黑体温差发生器的一种具体结构是由单个面源黑体、四杆靶、两个温度传感器(温度传感器一、温度传感器二)、两个继电器(继电器一、继电器二)和温差控制电路等连接构成。本发明采用单个面源黑体温度控制技术来模拟目标与环境的温差，保证了目标与环境温差的控制精度和模拟温差的稳定性，由此解决了野外环境条件下温度变化较大的问题。

本发明的检测方法是按以下步骤进行：

a、由微机控制处理系统通过温差控制电路调节单黑体温差发生器中的面源黑体的温度，使单黑体温差发生器中的四杆靶与环境产生需要的红外辐射温差；

b、用无色差的同轴卡塞格林平行光管将上述红外辐射温差进行准直后，形成无穷远的目标进入被检热成像仪的物镜；

c、将通过被检热成像仪的物镜输入的视频信息传给微机控制处理系统；或使用CCD采集被检热成像仪目视窗口的成像结果，再由图像采集卡采集该成像结果后，输入到微机控制处理系统；

d、微机控制处理系统对输入的视频信息或图像进行计算处理并显示计算出的MRTD结果，从而完成对被检热成像仪MRTD参数的自动检测。

具体是由微机控制处理系统控制温差控制电路，调节面源黑体的温度，使目标(四杆靶)与环境产生需要的红外辐射温差，该红外辐射温差经无色差的同轴卡塞格林平行光管准直后，形成无穷远的目标进入被检热成像仪的物镜；对于有视频输出接口的热成像仪，可将视频接口与图像采集卡直接相连，以将由测热成像仪物镜输入的视频信息直接传输给微机控制处理系统；对于没有视频输出接口的热成像仪，是由CCD采集被检热成像仪目视窗口的成像结果，然后由图像采集卡采集后输入到微机控制处理系统中；微机控制处理系统对输入的图像信息或视频信息进行分析处理和计算，并显示计算结果，从而完成对被检测热成像仪MRTD参数的自动测量。

本发明中单黑体温差发生器的工作流程是：首先由测试人员向微机控制处理系统输入需要的温差设定值ΔT，由微机控制处理系统读取并保持。在某一时刻(t1)继电器一接通，温度传感器一将四杆靶的温度值T1送至温差控制电路，由微机控制处理系统读取后保存，并把该温度值作为环境温度值。T1与温差设定值ΔT做加法运算得T2＝T1+ΔT(此温度值即为面源黑体应达到的温度值)，把结果T2送至微机控制处理系统中保存；经过Δt1时间，微机控制处理系统控制温度传感器二接通，温度传感器一断开，此时读入面源黑体的实测温度，在t2时刻，继电器二接通，微机控制处理系统控制温差控制电路，调节面源黑体的温度，待面源黑体的温度升至T2后，此时其与四杆靶间的温差即为ΔT。

经过Δt2时间后，继电器一和继电器二再次工作，温度传感器一接通，温度传感器二断开，温差控制电路测得四杆靶的温度为T1′，则面源黑体设置温度即为T2′＝T1′+ΔT，当经过Δt1时间后，继电器一和继电器二又工作，温度传感器一断开，温度传感器二接通，此时面源黑体设置为T2′，而面源黑体与四杆靶的温差仍为ΔT。经过时间Δt2后，继电器一再次接通温度传感器一，断开温度传感器二，重复以上过程，这样始终使面源黑体与四杆靶标间的温差保持为ΔT，使模拟的目标与环境温差保持稳定。同时对测量四杆靶和面源黑体温度所用的温度传感器进行一致性筛选，选出线性一致的两只温度传感器，以此来消除温控仪自身精度带来的误差，进一步提高温差的控制精度。采用单黑体温度控制技术模拟目标与环境的温差，可以有效的减小复杂的环境温度变化对模拟温差的影响，提高温差的控制精度，保证了热成像仪MRTD在野外环境下的检测精度。

为了实现红外热成像设备的MRTD的自动检测，本发明设计了一个自动检测模块并将其集成于微机控制处理系统中。如图4所示，该自动测试模块是由混合滤波模块、自适应阈值分割模块、形态学开运算模块、轮廓提取模块和矩形区域绘制模块等五部分组成。

自动测试模块的工作流程是：首先由微机控制处理系统控制单黑体温度，使模拟温差达到一个较大的值，四杆靶边缘在背景中清晰可见；CCD采集此时的被检热成像仪的目视输出，并将图像传输至微机控制处理系统，然后提取出四杆靶以及背景区域的坐标，并将该区域坐标保存到微机控制处理系统的缓冲区中；接着微机控制处理系统改变模拟温差值，CCD采集此时图像，根据之前保存的区域坐标计算出在该温差下四杆靶区域与背景区域的灰度差值，并将温差值与对应的灰度差值保存至缓冲区；同样的，依次等间隔改变模拟温差值三次，并计算保存下各温差值和对应的灰度差值。自动检测模块通过对上述四组数据的分析比较，选出灰度差值最小的一组数据，然后根据公式：

MRTD＝k[(温差1-温差2)÷(灰度差1-灰度差2)]

计算得到参数MRTD。式中k是由标准计量单位根据待测热成像仪视频输出的性能参数经过多次标定得到的修正参数。

微机控制处理系统的MRTD自动检测工作过程可参照图3所示的流程框图进行。

为了提高MRTD的检测精度，准确提取出四杆靶目标区域以及背景区域是非常重要的。为此，针对四杆靶的形态特征以及MRTD检测的特点，本发明设计了一套有针对性的四杆靶目标与背景提取方法，并将其集成于自动测试模块中。

如图4所示，四杆靶目标区域与背景区域的提取流程是：首先通过混合滤波模块对被检热成像仪的视频输出图像进行线性与非线性相结合的混合滤波；然后通过自适应阈值分割模块，将图像转化为二值图像；再利用形态学开运算模块去除图像中的毛刺，接着利用轮廓提取模块提取出图像中的四杆靶目标轮廓，最后利用矩形区域绘制模块找出包围四杆靶轮廓的矩形区域和背景矩形区域，并保存两个矩形区域的坐标。

由于恶劣的外界环境条件和探测仪器本身固有的特性，与可见光图像相比，红外图像普遍存在目标与背景对比度较差、边缘模糊、噪声较大等缺点，这在很大程度上影响了四杆靶区域提取的效果。因此，本发明采用线性与非线性相结合的滤波算法，对被检热成像仪的视频输出图像进行滤波。图4中标注“混合滤波模块”字样的区域即为混合滤波模块针对四杆靶形态特征所采用的5×5点阵的滤波窗口，该滤波窗口被划分为(a)、(b)、(c)、(d)四个区域，所划分区域中不包括待处理点本身，其中，中心带○的像素点为待处理像素点，四个区域内像素点的灰度均值和方差分别记为mean_a、mean_b、mean_c、mean_d，δ_a ²、δ_b ²、δ_c ²、δ_d ²。

该滤波算法是：

首先根据下式判断待处理点的噪声类型：

如果待处理点是脉冲噪声，则在以待处理点为中心的3×3领域内进行中值滤波，将滤波后的值赋予待处理点；如果待处理点是边缘点，则将mean(a)、mean(b)、mean(c)、mean(d)、f(x，y)进行中值排序：Medium(mean(a)、mean(b)、mean(c)、mean(d)、f(x，y))，将中值赋予待处理点；如果待测点处于平滑区域，则按照下式对其进行加权均值滤波：

$f(x,y)=\frac{1}{1/{{\mathrm{\δ}}_a}^2+1/{{\mathrm{\δ}}_b}^2+1/{{\mathrm{\δ}}_c}^2+1/{{\mathrm{\δ}}_d}^2}(\frac{1}{{{\mathrm{\δ}}_a}^2}{\mathrm{mean}}_a+\frac{1}{{{\mathrm{\δ}}_b}^2}{\mathrm{mean}}_b+\frac{1}{{{\mathrm{\δ}}_c}^2}{\mathrm{mean}}_c+\frac{1}{{{\mathrm{\δ}}_d}^2}{\mathrm{mean}}_d)$

图4中标注“矩形区域提取模块”字样的区域即为自动测试模块的矩形区域提取图。

在提取了四杆靶的轮廓后，我们希望能够得到四杆靶的坐标位置，以便在后续的处理中直接运用该区域计算参数MRTD。为此，本发明根据四杆靶的轮廓，找出单个轮廓的最左、最右、最上、最下的四个坐标点，以此四个点为顶点拟合出刚好包含每个靶杆的四个矩形区域作为目标区域，然后取包含四个小矩形的大矩形区域(除去四个小矩形)作为背景区域。

在计算参数MRTD时最关心的是四杆靶区域以及与其邻近的背景区域，因此，本发明选择刚好包含四杆靶区域的大矩形区域作为背景区域，这样既可减少噪声污染区域对计算结果的影响，提高检测精度，同时又可减少计算量，提高检测的实时性。

Claims (10)

1.一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测装置，其特征是，包括有：

单黑体温差发生器，与微机控制处理系统相接，用于产生模拟目标与环境间的红外辐射温差；

红外准直光学系统，与所述单黑体温差发生器相接，用于接收所述单黑体温差发生器产生的红外辐射温差，以形成无限远的目标供被检热成像仪接收；

图像采集系统，与微机控制处理系统相接，用于采集被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果，并向微机控制处理系统进行传送；以及

微机控制处理系统，与所述单黑体温差发生器和所述图像采集系统相接，用于对输入的被检热成像仪的单帧或者实时的成像结果进行分析和计算处理。

2.根据权利要求1所述的自动检测装置，其特征是，所述单黑体温差发生器是由单个面源黑体与四杆靶和温差控制电路连接组成。

3.根据权利要求1所述的自动检测装置，其特征是，所述红外准直光学系统是采用折返式结构的同轴卡塞格林平行光管。

4.根据权利要求1所述的自动检测装置，其特征是，所述图像采集系统是由CCD和图像采集卡组成。

5.根据权利要求1所述的自动检测装置，其特征是，在所述微机控制处理系统中设置有自动测试模块。

6.一种热成像仪单黑体温控MRTD野外在线自动检测方法，其特征是，按以下步骤进行：

a、由微机控制处理系统通过温差控制电路调节单黑体温差发生器中的面源黑体的温度，使单黑体温差发生器中的四杆靶与环境产生需要的红外辐射温差；

b、用无色差的同轴卡塞格林平行光管将上述红外辐射温差进行准直后，形成无穷远的目标进入被检热成像仪的物镜；

c、将通过被检热成像仪的物镜输入的视频信息传给微机控制处理系统；或使用CCD采集被检热成像仪目视窗口的成像结果，再由图像采集卡采集该成像结果后，输入到微机控制处理系统；

d、微机控制处理系统对输入的视频信息或图像进行计算处理并显示计算出的MRTD结果，从而完成对被检热成像仪MRTD参数的自动检测。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，所述红外辐射温差的产生，是采用一个面源黑体来模拟目标的温度，采用两个温差传感器分别探测四杆靶和面源黑体的温度，根据探测到的环境温度和预设温差值的大小，来控制面源黑体的温度，并通过实时的反馈调节，使模拟温差维持在预设温差值。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，微机控制处理系统通过所述图像采集卡对所述CCD进行控制，单帧或者实时地采集被检热成像仪的成像结果，再传输到微机处理系统中进行分析处理。

9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是，通过微机控制处理系统中的自动测试模块，结合所述四杆靶的形态特征以及MRTD检测的特点，对采集的红外图像进行降噪处理，以自动准确地提取出四杆靶区域，并以刚好包含四杆靶的矩形区域作为背景区域，根据模拟目标与环境的红外辐射温差与其在红外图像中灰度差的对应关系，利用计算公式计算得出被检热成像仪的MRTD。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征是，所述计算公式为：MRTD=k[(温差1-温差2)÷(灰度差1-灰度差2)]；其中系数k是根据被检热成像仪视频输出的性能参数、经过标定得到的修正参数。

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