CN102829873A - 红外热像仪非均匀性评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热像仪非均匀性评价装置，包括可调温黑体、待测试红外热像仪、NI信号采集系统和光学平台，其中可调温黑体、待测试红外热像仪和NI信号采集系统均放置于光学平台上，且待测试红外热像仪的光轴对准可调温黑体的中心，可调温黑体为待测试红外热像仪提供不同温度的标准黑体源，待测试红外热像仪对可调温黑体成像，输出的红外视频通过BNC接口连接到NI信号采集系统上，并进入NI信号采集系统；NI信号采集系统根据不同温度的数据计算出待测试红外热像仪的非均匀性，并将该非均匀性数据绘制成非均匀性-可调温黑体温度的曲线。本装置具有较高的稳定性，待测试热像仪的非均匀性指标为一条随可调温黑体的温度变化而变化的一条曲线，非均匀性指标更全面。

Description

红外热像仪非均匀性评价装置

技术领域

本发明属于红外热像仪性能评价装置，特别是一种红外热像仪的非均匀性评价装置。

背景技术

红外热成像系统普遍具有严重的非均匀性，影响成像系统的性能。为了降低成像系统的非均匀性，各种各样的非均匀性校正算法被提出来，并取得了较好的效果。为了选择具有较低非均匀性的成像系统，对热成像系统的非均匀性进行评价就显得极为重要。非均匀性评价标准至少要满足几个要求：1、评价标准具有客观性，即其能够真正反映系统的非均匀性水平；2、评价标准具有全面性，即其能够反应成像系统工作全部测量范围的非均匀性水平。当前对非均匀性指标的评价方法较多，其中有国家提出的非均匀性指标评价国家标准(GB／T 17444．红外焦平面阵列特性参数测试技术规范,(1998))。

定义为：

$\mathrm{NU}=\frac{1}{V_{\mathrm{avg}}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(V_{i,j}-V_{\mathrm{avg}})}^2}---\left(1\right)$

其中，

V_avg表示一帧图像的平均响应；M、N分别为一帧图像的行列数；d、h分别为图像的过热像元和死像元；V_i，j为像元响应；i,j分别表示像元的行数和列数。系统测试时需要对均匀黑体成像。该测试方法对热成像系统的非均匀性性能鉴别起到了一定作用，但是并非任何情况下其均是客观的测试指标。比如，在式（1）中，没有测试用黑体的温度的参数，但是，当测试用黑体的温度不同时，式（1）计算出的非均匀性却可能不同。比如当黑体温度为T1时，像元的响应和一帧图像的平均值分别为，V1_i，j、V1_avg，则此时的NU为：

$\mathrm{NU}1=\frac{1}{{V1}_{\mathrm{avg}}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({V1}_{i,j}-{V1}_{\mathrm{avg}})}^2}---\left(2\right)$

当黑体温度变为T1+ΔT时，假设像元的响应变为V1_i,j+ΔV，根据V_avg的定义可知，此时V_avg的值为V1_avg+ΔV，则此时的NU为：

$\mathrm{NU}2=\frac{1}{{V1}_{\mathrm{avg}}+\mathrm{\ΔV}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({V1}_{i,j}-{V1}_{\mathrm{avg}})}^2}---\left(3\right)$

对比式（2）和式（3）可知，当黑体温度变化时，非均匀性参数发生了变化。然而实际上，黑体温度作为外界的一个测量参数，在热像仪响应特性（比如响应率）不变时，非均匀性参数不应该发生改变，而该测试标准则没有体现这种测试的稳定性。当因黑体温度变化范围较大，热像仪响应特性（比如响应率）改变时，其非均匀性指标应当发生改变，但式（1）中也并不含有测试用的黑体温度的参数，因此该测试标准并不反应因测试用黑体温度不同所带来的测试差别，是非客观的测试标准。采用该测试标准，即使对不同的热像仪进行测试时标明了测试时的黑体温度，但当两台热像仪测试时的黑体温度不同时，依然无法对两台热像仪的非均匀性指标给出准确评价。

不仅该测试标准没有反映测试用黑体温度对非均匀性的影响，而且对有相同非均匀性的热像仪其也可能测试出不同的结果。比如对某热像仪c，其对黑体温度T的平均响应为Vc_avg，如果改变c热像仪的算法，在热像仪的输出级叠加一个常数ΔV，即此时其对温度为T的黑体的平均响应为Vc_avg+ΔV，除此之外其它不做任何改变，此时的热像仪定义为热像仪d，由c、d两热像仪的转化过程可知，两台热像仪的非均匀性特性没有发生任何改变，但是由式（1）可知，黑体平均响应会影响到非均匀性指标，计算出的结果完全不同，这也说明式（1）并非是客观准确的非均匀性测试标准。

此外,国内学者对红外图像的非均匀性校正技术的评价方法进行了深入研究，比如汪民等提出了利用校正率方法对红外焦平面阵列的非均匀性进行评估（汪民等,基于校正率的红外焦平面阵列非均匀性校正评估新方法，红外与毫米波学报，26卷1期（2007）：56-60）。虽然这些方法能够对同一台热像仪的非均匀性校正技术的性能进行评价，但是采用这些方法的前提是：非均匀性校正技术前后的热像仪其它性能相同，而对两台不同的热像仪而言，这种前提并不成立，因此无法对两台热像仪的非均匀性水平评价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对红外热像仪的非均匀性水平进行评价的装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种红外热像仪非均匀性评价装置，包括可调温黑体、待测试红外热像仪、NI信号采集系统和光学平台，其特征在于：可调温黑体、待测试红外热像仪和NI信号采集系统均放置于光学平台上，且待测试红外热像仪的光轴对准可调温黑体的中心，可调温黑体能够通过手动方式调节黑体温度；可调温黑体为待测试红外热像仪提供不同温度的标准黑体源，待测试红外热像仪对可调温黑体成像，输出的红外视频通过BNC接口连接到NI信号采集系统上，并进入NI信号采集系统，调节可调温黑体的黑体温度，NI信号采集系统则获得不同黑体温度的红外图像；NI信号采集系统根据不同温度的数据计算出待测试红外热像仪的非均匀性，并将该非均匀性数据绘制成非均匀性-可调温黑体温度的曲线。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用了比红外焦平面阵列特性参数测试技术规范的国家标准更为客观的评价原理，当可调温黑体的温度变化较大时，本装置具有更高的稳定性；(2)待测试热像仪的非均匀性指标为一条随可调温黑体的温度变化而变化的一条曲线，非均匀性指标更全面。

附图说明

图1是本发明的红外热像仪非均匀性校正方法示意图。

图2是本发明的NI信号采集系统的采集界面。

图3是本发明的红外热像仪非均匀性校正方法与国家标准测试结果对比图。

图4是本发明的红外热像仪非均匀性校正方法对三种不同的热像仪的测试结果。

图5是K2000CCM热像仪对不同温度黑体的响应曲线,测试用黑体的温度范围(a)从300K至330K时，K2000CCM热像仪对温度黑体的响应曲线，(b)从300至600K，K2000CCM热像仪对温度黑体的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明的一种红外热像仪非均匀性评价装置包括可调温黑体1（本发明选用的可调温黑体为以色列CI公司生产的SR800）、待测试红外热像仪2、美国国家仪器（NI）信号采集系统3（本发明选用的信号采集系统为美国国家仪器生产的PXI-6624）和光学平台4。可调温黑体1、待测试红外热像仪2和NI信号采集系统3均放置于光学平台4上，且待测试红外热像仪2的光轴对准可调温黑体1的中心，可调温黑体1能够通过手动方式调节黑体温度。可调温黑体1为待测试红外热像仪2提供不同温度的标准黑体源，待测试红外热像仪2对可调温黑体1成像，输出的红外视频通过BNC接口连接到NI信号采集系统3上，并进入NI信号采集系统3，调节可调温黑体1的黑体温度，NI信号采集系统3则获得不同黑体温度的红外图像。NI信号采集系统3根据不同温度的数据计算出待测试红外热像仪2的非均匀性，并将该非均匀性数据绘制成非均匀性-可调温黑体温度的曲线。NI信号采集系统3界面采用labview软件编写。

结合图2，本发明的红外热像仪非均匀性评价装置中的NI信号采集系统3的操作界面由labview软件编写，界面中有黑体温度设置框5、开始采集数据按钮6、清除数据按钮7、计算非均匀性曲线按钮8、非均匀性曲线及数据存储按钮9、非均匀性曲线显示区10和非均匀性数据显示区11共7个部分。其中，界面中的黑体温度设置框5用来设定当前可调温黑体1的温度，该设置的目的是通知NI信号采集系统3当前可调温黑体1的温度，便于后续数据的存储和计算。当可调温黑体1的温度被调整后，黑体温度设置框5的温度也需要随时更新。开始采集数据按钮6被执行时，NI信号采集系统2对当前的待测试红外热像仪2输出的模拟数据进行采集，并将该数据记录。清除数据按钮7则是在获取待测试红外热像仪2输出的模拟信号失败，或者该组数据需要被清除时，通过该按键将数据清除。计算非均匀性曲线按钮8则是在获得多组待测试红外热像仪2的模拟信号后（测试数据的组数由非均匀性曲线的分辨能力决定）进行非均匀性曲线的计算，非均匀性曲线和非均匀性数据分别显示在非均匀性曲线显示区10和非均匀性数据显示区11中。计算非均匀性曲线按钮8被执行时所采用的计算公式为：

${\mathrm{NU}}_{\mathrm{new}}\left(T\right)=\frac{1}{X^{\′}\left(T\right)}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{i,j}-X_{\mathrm{avg}})}^2}$

其中，X_i，j是待测试红外热像仪2模拟输出响应的数字化表现形式，即，X_i，j是待测试红外热像仪2的模拟信号经过模数转化后的数字形式。X′(T)是在可调温黑体1温度为T时所有的有效像元像元响应对温度T的导数的平均值；

X_avg表示一帧图像的平均响应；M、N分别为一帧图像的行列数；d、h分别为图像的过热像元和死像元；i、j分别表示像元的行列数。当测试完成后，如果需要将待测试热像仪2的非均匀性曲线和数据存储，则通过非均匀性曲线及数据存储按钮9，NI信号采集系统将待测试热像仪2的非均匀性曲线、数据存储到内存中。

与式（1）相比，在本发明提出的标准中，由X'(T)代替了V_avg，本发明不仅将可调温黑体温度引入评价标准中，而且X′(T)的出现克服了式(1)中待测试红外热像仪响应直流偏置对非均匀性指标的干扰。

为了验证非均匀性新测试理论的客观性，首先我们进行理论分析：当可调温黑体温度改变时，如果温度变化不大，则待测试红外热像仪像元响应随黑体温度的变化为一条直线，如附图5（a）所示，即，X′(T)在黑体温度（300K，330K）时基本为常数，测试得到的非均匀性与可调温黑体温度无关，该测试结果比式（1）具有更高的可靠性。而当可调温黑体温度变化范围较大时，如附图5(b)中的（300K，600K）温度范围内时，待测试红外热像仪像元的非线性响应特性表现明显，X′(T)将发生改变，即非均匀指标会发生改变，这种改变反应了待测试红外热像仪的实际性能变化。

本发明的工作过程为：

1）可调温黑体1、待测试红外热像仪2、NI信号采集系统3均放置于光学平台4上，待测试红外热像仪2的模拟视频通过BNC接口与NI信号采集系统3的视频接收头相连。确定待测试热像仪非均匀性测试黑体的调节范围（T1,T2），该调节范围决定最终测试曲线的横坐标范围。

2）可调温黑体1开机自检，黑体温度设置为T1（T1为待测试热像仪非均匀性指标测试条件的最小值）；待测试红外热像仪2开机自检；NI信号采集系统3开机，信号采集系统测试界面启动，根据黑体温度设置黑体温度设置框5的温度为T1，等待可调温黑体1、待测试红外热像仪2和NI信号采集系统3预热完毕。

3）执行NI信号采集系统3采集界面中的开始采集数据按钮6，则NI信号采集系统3采集T1黑体温度下的每个像元响应和平均响应。

4）可调温黑体1温度进入调节状态，在现有温度基础上增大ΔT，其中ΔT需要由非均匀性的测试精度决定，测试精度越高，ΔT的值越小，测试精度越低，ΔT的值越大，在没有特殊情况下，ΔT可设为1K或者10K。

5）重复3）和4）的步骤，直到可调温黑体1温度调节到T2（T2为待测试热像仪非均匀性指标测试条件的最大值）。

6）执行NI信号采集系统3采集界面中的计算非均匀性曲线按钮8，则NI信号采集系统3根据采集到的数据在非均匀性曲线显示区10绘出待测试红外热像仪的非均匀性曲线，非均匀性数据则在非均匀性数据显示区11中输出，最终获得待测试红外热像仪的非均匀性。

下面以具体实例对本发明进行阐述。

首先针对英国ISG公司的K2000CCM热像仪，分别采用国家标准和本发明的方法进行测试，采用本发明的测试条件为：可调温黑体1的黑体温度条件范围为300K-600K，调节步长为10K，相应的采用国家标准测试时的黑体温度也在300K-600K范围，并且可调温黑体的温度每升高一度测试一次数据，最终测试数据如附图3所示，由附图3可知，随着可调温黑体1温度的逐渐升高，通过国家标准测试的非均匀性指标迅速下降，而采用本发明的测试方法测试则非均匀性指标具有较好的稳定性，这充分说明了本发明的测试方法具有更好的准确性。

其次，采用本发明评价装置分别对640×512制冷热像仪、384×288非制冷热像仪和320×256制冷热像仪进行测试，可调温黑体1的黑体温度调节范围为300K-600K，调节步长为10K。根据本发明工作过程的步骤，NI信号采集系统3共采集31组数据，最终计算出的非均匀性曲线展示于附图4中，由附图4可知，当可调温黑体1的温度不同时，三种热像仪的非均匀性发生改变，并且三种热像仪的非均匀性的性能对比也发生变化，比如在可调温黑体的温度为300K时，640×512制冷热像仪的非均匀性性能优于320×256制冷热像仪优于384×288非制冷热像仪。而当可调温黑体的温度为600K时，性能顺序则刚好相反。这也说明本发明的评价装置更全面。

Claims (3)

1.一种红外热像仪非均匀性评价装置，包括可调温黑体（1）、待测试红外热像仪（2）、NI信号采集系统（3）和光学平台（4），其特征在于：可调温黑体（1）、待测试红外热像仪（2）和NI信号采集系统（3）均放置于光学平台（4）上，且待测试红外热像仪（2）的光轴对准可调温黑体（1）的中心，可调温黑体（1）能够通过手动方式调节黑体温度；可调温黑体（1）为待测试红外热像仪（2）提供不同温度的标准黑体源，待测试红外热像仪（2）对可调温黑体（1）成像，输出的红外视频通过BNC接口连接到NI信号采集系统（3）上，并进入NI信号采集系统（3），调节可调温黑体（1）的黑体温度，NI信号采集系统（3）则获得不同黑体温度的红外图像；NI信号采集系统（3）根据不同温度的数据计算出待测试红外热像仪（2）的非均匀性，并将该非均匀性数据绘制成非均匀性-可调温黑体温度的曲线。

2.根据权利要求1所述的一种红外热像仪非均匀性评价装置，其特征在于：所述的NI信号采集系统（3）操作界面由lavbiew软件编写，界面包括黑体温度设置框（5）、开始采集数据按钮（6）、清除数据按钮（7）、计算非均匀性曲线按钮（8）、非均匀性曲线及数据存储按钮（9）、非均匀性曲线显示区（10）和非均匀性数据显示区（11）共7个部；其中，界面中的黑体温度设置框（5）用来设定当前可调温黑体（1）的温度，该设置的目的是通知NI信号采集系统（3）当前可调温黑体（1）的温度，便于后续数据的存储和计算；当可调温黑体（1）的温度被调整后，黑体温度设置框（5）的温度也需要随时更新；开始采集数据按钮（6）被执行时，NI信号采集系统（3）对当前的待测试红外热像仪（2）输出的模拟数据进行采集，并将该数据记录；清除数据按钮（7）则是在获取待测试红外热像仪（2）输出的模拟信号失败，或者该组数据需要被清除时，通过该按键将数据清除；计算非均匀性曲线按钮（8）则是在获得多组待测试红外热像仪（2）的模拟信号后进行非均匀性曲线的计算；非均匀性曲线显示在非均匀性曲线显示区（10），非均匀性数据显示在非均匀性数据显示区（11）中；当测试完成后，如果需要将待测试热像仪（2）的非均匀性曲线和数据存储，则执行非均匀性曲线及数据存储按钮（9），则NI信号采集系统将待测试热像仪（2）的非均匀性曲线及数据存储到内存中。

3.根据权利要求1所述的一种红外热像仪非均匀性评价装置，其特征在于：所述的NI信号采集系统（3）根据不同温度的数据计算出待测试红外热像仪（2）的非均匀性，采用以下计算方法获得：

${\mathrm{NU}}_{\mathrm{new}}\left(T\right)=\frac{1}{X^{\′}\left(T\right)}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{MN}-(d+h)}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{i,j}-X_{\mathrm{avg}})}^2}$

其中，X_i，j是待测试红外热像仪（2）模拟输出响应的数字化表现形式，即，X_i，j是待测试红外热像仪（2）的模拟信号经过模数转化后的数字形式；X′(T)是在可调温黑体（1）温度为T时所有的有效像元的像元响应对温度T的导数的平均值；

X_avg表示一帧图像的平均响应，M、N分别为一帧图像的行列数；d、h分别为图像的过热像元和死像元，i,j分别表示像元的行数和列数；X_i，j为待测试红外热像仪（2）的像元响应。

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