CN103335717A - 一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，包括以下步骤：1)实现两组循环交替的驱动时序，使红外热像仪周期性的交替工作于两种积分模式下；2)实现红外热像仪两种积分模式下输出的响应图像的循环采集，并统计两种响应图像的均值，计算出差值响应图像；3)对差值响应图像进行标定，获取非均匀校正所需的增益校正系数和偏置校正系数，利用两点校正算法对差值响应图像进行非均匀性校正。4)对非均匀校正后的差值响应图像进行标定，确定图像均值与温度的对应关系曲线；基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，该方法易于集成在红外热像仪的嵌入式信号处理平台中，具有实施简单，操作方便的优点。

Description

一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法

技术领域

本发明涉及红外测温领域，尤其涉及一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法。

背景技术

随着红外成像技术的不断发展和红外焦平面阵列图像传感器的日益成熟，红外热像仪对于景物的热辐射获取能力越来越精确，因此被广泛应用于军事、工业和商业等领域的多种热成像系统中。

红外热像仪用于测温时，是靠接收被测物体表面发射的热辐射来确定其温度的，属于非接触式测温。其测温原理为红外热像仪将被测物体表面发射的热辐射转换为电压信号，依靠A/D转换将电压信号进一步变为数字化的图像灰度值，再将图像灰度值转换为物体的辐亮度，利用辐亮度和温度间的关系，计算出物体的温度，从而实现测温。

将图像灰度值转换为最终的温度值，需要利用黑体进行标定。通常使用的标定方法是使红外热像仪对准面源黑体，调整黑体的温度，记录不同温度下热像仪的输出数据，建立温度-图像灰度值曲线。在测温时，利用该曲线就可以计算出某个灰度值对应的测温结果。

实际测温时，红外热像仪除了接收到被测目标自身的辐射能量之外，还会接收到目标反射周围环境物体的辐射能量，以及大气辐射能量。因此，影响测温精度的因素主要集中在四个方面：(1)物体表面发射率的影响；(2)大气对红外辐射衰减造成的影响；(3)测温距离对测温精度的影响；(4)环境温度漂移对测温精度的影响。

为了减小测温误差，增强测温精度，国内外的学者针对各种因素进行了深入的研究，其措施主要包括：一是采取严格的测量方法精确测量被测物体的发射率；二是选择晴朗无尘的天气，降低空气湿度和空气中微粒对测温精度的影响；三是尽量缩小测温距离，降低测温距离对测温精度的影响；为了避免环境温度漂移的影响，通常选择让环境温度低于目标物体温度，以减小环境对测温精度的影响。

以上措施在某些简单应用下可以提高测温的精度，但由于测温任务的复杂性，尤其是在某些温度变化剧烈的密闭空间之内，环境温度的漂移对测温精度起着主导作用，并施加着严重影响，上述措施均无法取得良好的测温精度。

之所以无法取得良好的测温精度，是因为传统的红外热像仪在用于测温时，通常是在固定的积分时间下，将热辐射变为电信号，并通过A/D变换转化为图像灰度。当环境温度升高或降低时，输出的电信号也会相应地增大或降低，从而使得图像的灰度值发生改变，当转换为目标温度时便出现较大的误差。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，该方法易于集成在红外热像仪的嵌入式信号处理平台中，具有实施简单，操作方便的优点。

本发明的技术解决方案是：一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)在嵌入式的可编程逻辑器件(FPGA)内通过编程实现两组循环交替的驱动时序，使红外热像仪周期性的交替工作于两种积分模式下；

2)在嵌入式的可编程逻辑器件内通过编程实现红外热像仪两种积分模式下输出的响应图像的循环采集，并统计两种响应图像的均值，计算出差值响应图像；

3)利用标准面源黑体，对差值响应图像进行标定，获取非均匀校正所需的增益校正系数和偏置校正系数，利用两点校正算法对差值响应图像进行非均匀性校正。

4)改变标准面源黑体的温度，对非均匀校正后的差值响应图像进行标定，确定图像均值与温度的对应关系曲线，利用最小二乘法拟合得到温度-差值响应函数；

5)对目标物体进行测温，利用校正后的差值响应图像以及拟合出的温度-差值响应函数，计算出目标物体的真实温度。

上述步骤1)的具体步骤是：在FPGA内编程实现时序驱动功能模块，使红外热像仪在T₁积分时间下连续输出F(10≤F≤20)帧图像，然后在T₂积分时间下连续输出F(10≤F≤20)帧图像，并依次循环。

上述步骤2)的具体步骤是：在FPGA内编程实现图像采集功能模块，分别采集红外热像仪在积分时间为T₁和T₂时输出的响应图像X₁和X₂，并求出这两个积分时间下的平均响应图像

和

最终计算出两个积分时间下的差值响应图像 $D={\stackrel{\‾}{X}}_1-{\stackrel{\‾}{X}}_2;$

上述步骤3)的具体步骤是：将标准面源黑体分别调温至263K低温与353K高温，采集两个积分时间下的差值响应图像D_L和D_H，利用如下所示的传统的两点校正公式，计算出增益校正系数G(i，j)和偏置校正系数B(i，j)；

$G(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{D}}_H(i,j)-{\stackrel{\‾}{D}}_L(i,j)}{D_H(i,j)-D_L(i,j)}$

$B(i,j)=\frac{D_H(i,j){\stackrel{\‾}{D}}_L(i,j)-D_L(i,j){\stackrel{\‾}{D}}_H(i,j)}{D_H(i,j)-D_L(i,j)}$

采用如下公式执行非均匀性校正，得到校正后的差值响应图像数据D′(i，j)；

D′(i，j)＝D(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

上述步骤4)的具体步骤是：保持环境温度不变，改变标准面源黑体的温度为T₁，T₂，……T_n，采集校正后的差值响应图像数据

设目标温度与差值响应图像的关联函数为T＝f(D′，a，b，…)，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，…，得到目标温度响应函数T＝f(D′)。

将目标温度与差值响应图像的关联函数存储于红外热像仪的内部存储器中，当对目标物体进行测温时，利用校正后的差值响应图像以及标定出的目标温度响应函数，实时计算出目标物体的真实温度值。

本发明提出的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，是建立在如下的物理规律之上的：在环境温度升高或降低时，在不同的积分时间下，红外热像仪的输出均会相应地升高或降低，但是不同积分时间下的响应值之差的变化却较小，受环境温度漂移的影响不大。因此，与传统测温方法相比，红外热像仪采用变积分的工作模式，利用不同积分时间下的响应值之差来反演目标的真实温度，可以大幅度提高测温的精度和准确性。

附图说明

图1为本发明嵌入式的时序驱动功能模块和图像采集功能模块工作示意图；

图2为本发明非均匀性校正和温度-差值响应函数标定示意图；

图3为本发明环境温度漂移时热像仪在不同积分模式下输出的响应均值的变化图；

图4为图3中环境温度漂移时热像仪在两个积分模式下输出的响应均值之差的变化图；

具体实施方式

参见图1，本发明的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法主要的功能模块均集成于嵌入式的可编程逻辑器件(FPGA)中，系统上电后，由FPGA自动执行相应的功能模块。以集成了该方法的非制冷长波640x480面阵红外热像仪为例，具体步骤如下：

1)在FPGA中集成的时序驱动功能模块交替产生两组不同的驱动时序，使红外热像仪周期性地交替工作于两种积分模式下。红外热像仪的帧频为50帧/秒，具体的积分时间分别为20ms和30ms。时序驱动模块使红外热像仪在20ms积分时间下连续输出10帧图像，然后在30ms积分时间下连续输出10帧图像，并依次循环；

2)FPGA中集成的图像采集功能模块分别采集红外热像仪在20ms和30ms时输出的响应图像X₁和X₂，并求出这两个积分时间下的平均响应图像

和

最终计算出两个积分时间下的差值响应图像

3)将标准面源黑体分别调温至263K与353K，采集两个积分时间下的差值响应图像D_L和D_H，利用如下所示的传统的两点校正公式，计算出增益校正系数G(i，j)和偏置校正系数B(i，j)；

$G(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{D}}_H(i,j)-{\stackrel{\‾}{D}}_L(i,j)}{D_H(i,j)-D_L(i,j)}$

$B(i,j)=\frac{D_H(i,j){\stackrel{\‾}{D}}_L(i,j)-D_L(i,j){\stackrel{\‾}{D}}_H(i,j)}{D_H(i,j)-D_L(i,j)}$

4)采用如下所示的公式执行非均匀性校正，得到校正后的差值响应图像数据D′(i，j)；

D′(i，j)＝D(i，j)×G(i，j)+B(i，j)

5)保持环境温度不变，改变标准面源黑体的温度分别为T₁，T₂，……T_n，T₁，T₂，……T_n在263K与353K之间等间隔选取，本发明中选择n＝45。分别采集校正后的差值响应图像数据

设目标温度与差值响应图像的关联函数为T＝f(D′，a，b，…)，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，…，得到目标温度响应函数T＝f(D′)。该非均匀性校正和温度-差值响应函数标定的流程参考图2；

6)将目标温度与差值响应图像的关联函数存储于红外热像仪的内部存储器中，当对目标物体进行测温时，利用校正后的差值响应图像以及标定出的目标温度响应函数，计算出目标物体的真实温度值。

本发明中，变积分模式下的时序驱动功能模块和图像采集功能模块、以及利用响应差值数据对目标温度进行计算的功能模块均由嵌入式的可编程逻辑器件(FPGA)通过软件编程来实现。定标过程中所使用的标准面源黑体是现有的结构，是红外成像领域最为通用的一种设备，凡是现有的标准面源黑体，在满足变温范围的需求后均可以应用于本发明的定标过程。

为进一步定量地考察本发明提出的基于变积分模式的抗温漂测温方法的精度，同时与传统的测温方法相比较，在自行研制的非制冷长波640x480面阵红外热像仪中集成了该方法，并进行了系列实验与测试。该非制冷长波热像仪的读出电路采用的是CTIA结构，当入射辐射固定时，其输出的响应值随着积分时间的增大而减小。

Claims (6)

1.一种基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

1)通过嵌入式的时序驱动功能模块交替产生两组不同的驱动时序，使红外热像仪周期性的交替工作于两种积分模式下； 

2)通过嵌入式的图像采集模块循环采集两种积分模式下输出的响应图像，统计两种响应图像的均值，并计算出差值响应图像； 

3)利用标准面源黑体，对差值响应图像进行标定，获取非均匀校正所需的增益校正系数和偏置校正系数，利用两点校正算法对差值响应图像进行非均匀性校正。 

4)改变标准面源黑体的温度，对非均匀校正后的差值响应图像进行标定，确定图像均值与温度的对应关系曲线，利用最小二乘法拟合得到温度-差值响应函数； 

5)对目标物体进行测温，利用校正后的差值响应图像以及拟合出的温度-差值响应函数，计算出目标物体的真实温度。 

2.根据权利要求1所述的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤是：在嵌入式的可编程逻辑器件(FPGA)内通过编程实现时序驱动模块，使红外热像仪在T₁积分时间下连续输出F(10≤F≤20)帧图像，然后在T₂积分时间下连续输出F(10≤F≤20)帧图像，并依次循环。 

3.根据权利要求2所述的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述步骤2)的具体步骤是：在嵌入式的可编程逻辑器件(FPGA)内通过编程实现图像采集模块，分别循环采集红外热像仪在积分时间为T₁和T₂时输出的响应图像X₁和X₂，并求出这两个积分时间下的平均响应图像 

和

最终计算出两个积分时间下的差值响应图像。

4.根据权利要求3所述的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述步骤3)的具体步骤是：将标准面源黑体分别调温至 263K低温与353K高温，采集两个积分时间下的差值响应图像D_L和D_H，利用如下所示的传统的两点校正公式，计算出增益校正系数G(i，j)和偏置校正系数B(i，j)； 

采用如下公式执行非均匀性校正，得到校正后的差值响应图像数据D′(i，j)； 

D′(i，j)＝D(i，j)×G(i，j)+B(i，j)。 

5.根据权利要求4所述的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：所述步骤4)的具体步骤是：保持环境温度不变，改变标准面源黑体的温度为T₁，T₂，……T_n，采集校正后的差值响应图像数据 

设目标温度与差值响应图像的关联函数为T＝f(D′，a，b，…)，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，…，得到目标温度响应函数T＝f(D′)。 

6.根据权利要求5所述的基于变积分模式的红外热像仪高精度抗温漂测温方法，其特征在于：将目标温度与差值响应图像的关联函数存储于红外热像仪的内部存储器中，当对目标物体进行测温时，利用校正后的差值响应图像以及标定出的目标温度响应函数，实时计算出目标物体的真实温度值。 

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