CN106500848A - 用于红外测温系统的发射率校准方法 - Google Patents

用于红外测温系统的发射率校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于红外测温系统的发射率校准方法，包括：（1）采用可控温度的黑体近距离对红外热像仪的各个探测器刻度函数进行标定；（2）采用红外热像仪对物体进行测温；（3）根据测温结果和刻度函数表达系数构建发射率有关的误差目标函数，通过求解目标函数，达到发射率的校正。根据红外热像仪所得表观温度、各探测器刻度函数、环境温度，利用空域技术校正目标物体的发射率，克服了现有发射率校正的缺陷，该方法简单、易实现、不额外增加硬件模块、不增加功耗。

Description

用于红外测温系统的发射率校准方法
技术领域
本发明涉及红外测温领域，特别是一种用于红外测温系统的发射率校准方法。
背景技术
红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件或热敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。
发射率是红外测温系统的一个重要参数，利用这个参数可以求解出物体的表面温度。由于发射率受波长、温度、物体表面特性影响，因此物体发射率易出现误差，从而影响测温精度。目前有两种规避发射率误差思路，一种是通过手动调节发射率参数，这种方式往往需要借鉴经验信息，因此仍会引入误差；另一种方式通过变谱法，通过在不同的波段下测温并联立方程组求解发射率，有效避免了人为设置带来的不足，但是此方式会增加硬件配置；因此如何准确、简便校正发射率十分有必要研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于红外测温系统的发射率校准方法，根据红外热像仪所得表观温度、各探测器刻度函数、环境温度，利用空域技术校正目标物体的发射率，克服现有发射率校正的缺陷。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：用于红外测温系统的发射率校准方法，它包括如下步骤：
S1：采用可控温度的黑体近距离对红外热像仪的各个探测器刻度函数进行标定；
S2：采用红外热像仪对物体进行测温；
S3：校正发射率。
所述的步骤S1中对探测器刻度函数进行标定具体包括如下步骤：
S11：黑体放置于红外热像仪近焦距清晰成像处，并使黑体充满图像画面；
S12：使黑体温度稳定在某一温度，记录黑体温度T0及黑体在该温度下对应的红外热像仪输出图像G；
S13：调整黑体温度，重复步骤S12，记录多组黑体温度及图像输出值；
S14：依据多组黑体温度及图像输出值，估计探测器刻度函数。
所述的黑体温度的取值范围为[tL,tH]，在调整黑体温度时，黑体温度的步进值为Δt，共调整N次黑体温度。
所述的步骤S12中，红外摄像仪对黑体连续取M帧图像，对M帧图像进行时域平均，得到均值图像G，即输出图像，该图像高宽记为H,W。
所述的探测器刻度函数采用多项式表达，第i个探测器的刻度函数记为Gi(t)，t为温度，Gi(t)＝gi0+gi1·t+gi2·t2+...+gin·tn，其中，n为多项式阶次，i为探测器标号i∈[1,H·W]，Gi(t)的值为图像G中对应探测器i的图像值，然后通过优化估计算法得到刻度函数的参数g0,g1,...,gn。
所述的步骤S2中对物体进行测温包括如下子步骤:
S21：通过测量设备获得环境温度tu或反射补偿温度trtc；
S22：红外热像仪连续取M帧图像，并取时域均值，得到均值图像G，该图像高宽记为H,W；
S23：用户设置物体所在区域，记为rect；
S24：设置物体发射率ε初始值；
S25：对于坐标为i处物体温度计算过程如下：
计算环境温度对应的灰度值Gi_tu＝gi0+gi1·tu+gi2·tu 2+...+gin·tu n；
计算物体温度对应的灰度值
由刻度函数Gi(t)，灰度值Gi_t0通过迭代方法求得物体温度t0i。
所述的步骤S3校正发射率包括如下子步骤：
S31：构建误差目标函数E，
其中i取值范围为用户设置区域rect，j属于i的Ω邻域内；Bi由第i个探测器的刻度函数系数组成，Bi＝[g0i g1i ... gni]，Bj由第j个探测器的刻度函数系数组成，T0i由第i个探测器所得物体温度t0i组成，T0j由第j个探测器所得物体温度t0j组成，p为目标函数的范数，Tri是第i个探测器所得物体的表观温度tri组成，Trj是第j个探测器所得物体的表观温度trj组成，表观温度由探测器对应的图像灰度值G及刻度函数迭代计算而得；
S32:目标函数对发射率求导，采取优化迭代方法，求解发射率最优解。
若当环境中有高温物体时，所述误差目标函数中tu替换为trtc。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于红外测温系统的发射率校准方法，根据红外热像仪所得表观温度、各探测器刻度函数、环境温度，利用空域技术校正目标物体的发射率，克服了现有发射率校正的缺陷，该方法简单、易实现、不额外增加硬件模块、不增加功耗。
附图说明
图1为发射率校准方法流程图；
图2为刻度函数标定流程图；
图3为对物体测温流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，用于红外测温系统的发射率校准方法，它包括如下步骤：
S1：采用可控温度的黑体近距离对红外热像仪的各个探测器刻度函数进行标定；
S2：采用红外热像仪对物体进行测温；
S3：校正发射率。
如图2所示，所述的步骤S1中对探测器刻度函数进行标定具体包括如下步骤：
S11：黑体放置于红外热像仪近焦距清晰成像处，并使黑体充满图像画面，黑体与红外热像仪放置在同一水平位置上，黑体距离红外热像仪距离d＝10cm；
S12：使黑体温度稳定在某一温度，记录黑体温度T0及黑体在该温度下对应的红外热像仪输出图像G，黑体温度的取值范围为[tL,tH]，黑体温度范围下限值tL应接近室温，设为25℃；上限值tH为120℃；红外摄像仪对黑体连续取M帧图像，对M帧图像进行时域平均，得到均值图像G，即输出图像，该图像高宽记为H,W，一般连续取50帧图像；
S13：调整黑体温度，黑体温度的步进值Δt为5℃，共调整N次黑体温度，重复步骤S12，记录多组黑体温度及图像输出值；
S14：依据多组黑体温度及图像输出值，估计探测器刻度函数。
所述的探测器刻度函数采用多项式表达，第i个探测器的刻度函数记为Gi(t)，Gi(t)＝gi0+gi1·t+gi2·t2+...+gin·tn，其中，n为多项式阶次，n取值4，i为探测器标号i∈[1,H·W]，Gi(t)的值为图像G中对应探测器i的图像值，然后通过优化估计算法得到刻度函数的参数g0,g1,...,gn。
如图3所示，所述的步骤S2中对物体进行测温包括如下子步骤:
S21：通过测量设备获得环境温度tu或反射补偿温度trtc；
S22：红外热像仪连续取M帧图像，并取时域均值，得到均值图像G，该图像高宽记为H,W；
S23：用户设置物体所在区域，记为rect，该区域应包含测温物体的大部分信息；
S24：设置物体发射率ε初始值，参照现有物体发射率经验值设置或者给某定值；
S25：对于坐标为i处物体温度计算过程如下：
计算环境温度对应的灰度值Gi_tu＝gi0+gi1·tu+gi2·tu 2+...+gin·tu n；
计算物体温度对应的灰度值
由刻度函数Gi(t)，灰度值Gi_t0通过迭代方法求得物体温度t0i。
所述的步骤S3校正发射率包括如下子步骤：
S31：构建误差目标函数E，
其中i取值范围为用户设置区域rect，j属于i的Ω邻域内；Bi由第i个探测器的刻度函数系数组成，Bi＝[g0i g1i ... gni]，Bj由第j个探测器的刻度函数系数组成，T0i由第i个探测器所得物体温度t0i组成，T0j由第j个探测器所得物体温度t0j组成，p为目标函数的范数，Tri是第i个探测器所得物体的表观温度tri组成，Trj是第j个探测器所得物体的表观温度trj组成，表观温度由探测器对应的图像灰度值G及刻度函数迭代计算而得，在本实施例中误差目标函数范数p取2，邻域Ω取3邻域；
S32:目标函数对发射率求导，采取优化迭代方法，求解发射率最优解。
在本实施例中，发射率校正提高测量精度，测温结果更接近目标真实温度，测温误差减少。
若当环境中有高温物体时，所述误差目标函数中tu替换为trtc。

Claims (8)

1.用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于，它包括如下步骤：
S1：采用可控温度的黑体近距离对红外热像仪的各个探测器刻度函数进行标定；
S2：采用红外热像仪对物体进行测温；
S3：校正发射率。
2.根据权利要求1所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的步骤S1中对探测器刻度函数进行标定具体包括如下步骤：
S11：黑体放置于红外热像仪近焦距清晰成像处，并使黑体充满图像画面；
S12：使黑体温度稳定在某一温度，记录黑体温度T0及黑体在该温度下对应的红外热像仪输出图像G；
S13：调整黑体温度，重复步骤S12，记录多组黑体温度及图像输出值；
S14：依据多组黑体温度及图像输出值，估计探测器刻度函数。
3.根据权利要求2所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的黑体温度的取值范围为[tL,tH]，在调整黑体温度时，黑体温度的步进值为Δt，共调整N次黑体温度。
4.根据权利要求2所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的步骤S12中，红外摄像仪对黑体连续取M帧图像，对M帧图像进行时域平均，得到均值图像G，即输出图像，该图像高宽记为H,W。
5.根据权利要求2所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的探测器刻度函数采用多项式表达，第i个探测器的刻度函数记为Gi(t)，t为温度，Gi(t)＝gi0+gi1·t+gi2·t2+...+gin·tn，其中，n为多项式阶次，i为探测器标号i∈[1,H·W]，Gi(t)的值为图像G中对应探测器i的图像值，然后通过优化估计算法得到刻度函数的参数g0,g1,...,gn。
6.根据权利要求1所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的步骤S2中对物体进行测温包括如下子步骤:
S21：通过测量设备获得环境温度tu或反射补偿温度trtc；
S22：红外热像仪连续取M帧图像，并取时域均值，得到均值图像G，该图像高宽记为H,W；
S23：用户设置物体所在区域，记为rect；
S24：设置物体发射率ε初始值；
S25：对于坐标为i处物体温度计算过程如下：
计算环境温度对应的灰度值Gi_tu＝gi0+gi1·tu+gi2·tu 2+...+gin·tu n；
计算物体温度对应的灰度值Gi_t0，
由刻度函数Gi(t)，灰度值Gi_t0通过迭代方法求得物体温度t0i。
7.根据权利要求1所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：所述的步骤S3校正发射率包括如下子步骤：
S31：构建误差目标函数E，
E = min Σ i , j ∈ r e c t , | | ( B i + B j ) T 0 i - ( B i + B j ) T 0 j | | p ≈ min Σ i , j ∈ r e c t , [ 1 ϵ ( B i T r i - B j T r j ) - 1 - ϵ ϵ ( B i T u - B j T u ) ] p ,
其中i取值范围为用户设置区域rect，j属于i的Ω邻域内；Bi由第i个探测器的刻度函数系数组成，Bi＝[g0i g1i ... gni]，Bj由第j个探测器的刻度函数系数组成，T0i由第i个探测器所得物体温度t0i组成，T0j由第j个探测器所得物体温度t0j组成，p为目标函数的范数，Tri是第i个探测器所得物体的表观温度tri组成，Trj是第j个探测器所得物体的表观温度trj组成，表观温度由探测器对应的图像灰度值G及刻度函数迭代计算而得；
S32:目标函数对发射率求导，采取优化迭代方法，求解发射率最优解。
8.根据权利要求7所述的用于红外测温系统的发射率校准方法，其特征在于：若当环境中有高温物体时，所述误差目标函数中tu替换为trtc。
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