CN106644091A - 红外热成像机芯标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外热成像机芯标定装置及利用所述装置进行红外热成像机芯标定的方法，装置包括可调温黑体、可调恒温箱、XY位移电机平台以及待标定红外热成像机芯；方法为划分焦平面衬底工作温度T^*，调节可调恒温箱箱内温度至划分的起始温度点，记录此时对应的焦平面衬底温度，计算出增益校正系数G、失调校正系数O参数并存储；划分环境温度S，从低到高调节黑体的温度至划分的不同温度点，计算出不同环境温度下的失调校正系数O参数并存储，随后改变恒温箱的温度，测定下一个焦平面衬底温度下的G、O参数以及不同环境温度下的O参数；本发明成功剔除了挡板，增加了系统的稳定性，并且能够对多个探测器进行校正，满足工业化检测校正的需求。

Description

红外热成像机芯标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及非制冷红外探测器领域，特别涉及到一种红外热成像机芯标定装置及其标定方法。

背景技术

非制冷红外焦平面探测器技术带动了红外技术的一次革命，其具有体积小、重量轻、高性价比和功耗低等特点，在国防和民用领域得到了广泛的应用。受工艺和材料的影响，非制冷红外焦平面探测器输出的原始图像或多或少会有失调和响应非均匀性等缺陷。失调的非均匀性又被称为固定图像噪声，固定图像噪声是指在同一辐射条件下个像素输出电压的不均匀性，主要表现为加性噪声。响应的非均匀性是指在相同辐射变化量下，各个像元的电压变化呈现的不均匀性，其主要表现为图像的乘性噪声。

非均匀性校正算法的种类很多，目前使用最多的是基于一点定标的校正算法和基于两点定标的校正算法，两种算法均需要在探测器前加入均匀的挡板，使得挡板覆盖焦平面阵列，获取均匀辐射下的图像，进行一点校正或是两点校正。由于两点校正需要不同温度下的挡板分别覆盖焦平面阵列，这在红外产品的设计实现上较为困难，红外厂商一般会在出厂前使用黑体进行两点校正并将增益校正系数G和失调校正系数O存储在机芯内部的存储器中，这样只使用一个挡板进行一点校正，更新失调校正系数O即可。但是挡板的使用会造成红外探测器数秒至数十秒的视觉盲视，并且挡板在启用或停用时，电流变化很大，不仅增加了功耗，还会降低机芯系统的稳定性，减少机芯的使用寿命。因此，剔除挡板能够很好地减少红外热像仪的功耗和重量、增加其稳定性、扩展其应用市场并延长使用寿命。

目前大多数非制冷红外探测器内部集成了NTC热敏电阻以测定焦平面衬底的温度，衬底温度漂移时，探测器输出图像的非均匀性往往发生变化。不同外界环境温度，也会对输出图像的非均匀性产生影响。现有的红外探测器校正装置，进行非均匀校正时，只能对单颗探测器进行非均匀校正参数的采集计算，效率低下。若要采集计算不同衬底温度下的非均匀校正参数，用时更长，效率更低，对于工业化生产的大批量的红外探测器的校正是不可接受的。综上所述，目前的非均匀校正装置及方法存在以下问题：(1)挡板的使用会造成红外探测器盲视、功耗增加、重量增大、稳定性降低等问题；(2)现有的红外探测器校正装置只能对单颗探测器进行校正，效率低下，不能满足工业化检测校正的需求。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效的红外热成像机芯标定装置及其标定方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种红外热成像机芯标定装置，包括可调温黑体、可调恒温箱、XY位移电机平台以及待标定红外热成像机芯；

其中可调温黑体用于对待标定红外热成像机芯提供均匀辐射且辐射功率可调节，可调恒温箱用于为待标定红外热成像机芯提供温度稳定的环境且箱内温度可调节，XY位移电机平台用于调节负载于其上的可调温黑体的位置，待标定红外热成像机芯用于提供探测器工作需要的偏压和驱动时序；XY位移电机平台包括两条水平的横向导轨、与横向导轨滑动连接的垂直于横向导轨的垂直滑轨，两个可调温黑体分别放置于垂直滑轨上且可在垂直滑轨上纵向移动，待标定红外热成像机芯放置于可调恒温箱内部，可调恒温箱的顶部正对待标定红外热成像机芯的位置设有可透红外辐射的窗口，所述垂直滑轨在横向导轨上移动从而使所述可调温黑体的中心透过窗口与待标定红外热成像机芯内的非制冷红外焦平面探测器的光轴对准；

所述待标定红外热成像机芯包括非制冷红外焦平面探测器，待标定红外热成像机芯内部集成有：探测器驱动模块，用于提供探测器的驱动偏压及驱动时序；NTC测温模块，用于将NTC测温的模拟信号转换成数字信号；图像采集模块，用于采集探测器捕获的原始图像；两点校正模块，依据图像采集模块采集到的高低温图像数据计算出增益校正系数G和失调校正系数O；一点校正模块，依据图像采集模块采集到的图像数据计算出一点校正参数；存储模块，将校正参数存储到对应地址的存储空间中；环境温度测温模块，用于测量环境温度。

探测器驱动模块使探测器正常工作后，图像采集模块会将探测器的模拟输出转化为数字图像数据，两点校正模块根据这些数字图像数据计算出两点校正参数及一点校正参数并将校正参数通过存储模块存储到对应地址的存储空间中。

作为优选方式，红外热成像机芯具有图像校正及图像增强功能。

本发明还提供一种利用所述的红外热成像机芯标定装置进行红外热成像机芯标定的方法：划分焦平面衬底工作温度T^*，调节可调恒温箱箱内温度至划分的起始温度点，记录此时对应的焦平面衬底温度，通过采集探测器对高低温黑体的响应图像，计算出增益校正系数G、失调校正系数O参数并存储；划分环境温度S，从低到高调节黑体的温度至划分的不同温度点，计算出不同环境温度下的失调校正系数O参数，并存储；随后改变恒温箱的温度，测定下一个焦平面衬底温度下的G、O参数以及不同环境温度下的O参数；黑体在升温前，通过XY位移电机移动其位置，覆盖另一待测探测器的焦平面进行相同步骤的图像采集。

作为优选方式，所述标定方法包括以下步骤：

a)将非制冷红外焦平面探测器的焦平面衬底温度变化范围划分为m个温度区间，即有m+1个温度点T₀～T_m(T₀＜T₁＜T₂＜…＜T_m-1＜T_m),将红外热成像机芯的应用环境的温度变化范围划分为n个温度区间，即有n+1个温度点S₀～S_n(S₀＜S₁＜S₂＜…＜S_n-1＜S_n)，将可调恒温箱的温度值设定为T₀，将待标定红外热成像机芯置于可调恒温箱内，待非制冷红外焦平面探测器内部温度稳定后，记录下来NTC测温模块测得的焦平面衬底温度

b)将两个可调温黑体其中一个设定为低温T_L、另一个设定为高温T_H，分别为低温黑体、高温黑体，移动XY位移电机平台的垂直滑轨，使低温黑体、高温黑体先后对准非制冷红外焦平面探测器，分别采集低温T_L、高温T_H这两个温度值下的探测器探测元的响应电压U_L(i,j)和U_H(i,j)，探测器焦平面阵列大小为M×N,M和N分别表示探测器焦平面阵列的行数和列数，(i,j)表示第(i,j)探测元；

c)分别对两个不同温度黑体下的探测器的响应电压求取平均值：

和

d)求得每个探测元的两点校正参数G(i,j)和O(i,j)：

e)将计算得到校正参数G(i,j)和O(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机平台移动可调温黑体，对该探测器进行步骤b)、c)、d)、e)的操作，否则执行步骤f)；

f)调节两个黑体的温度分别为S₀和S₁,先后对准待测红外焦平面探测器，采集探测元的响应电压U₀(i,j)，U₁(i,j)，并求出平均响应值

g)分别求得探测器在外界环境温度为S₀和S₁下的失调校正参数O₀(i,j)，O₁(i,j)：

h)将计算得到的O₀(i,j)和O₁(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机移动可调温黑体，对该探测器进行步骤f)、g)、h)的操作，否则执行步骤i)；

i)调节黑体的温度值为S₂,S₃…S_n,利用步骤f)、g)的公式，计算出对应的每个探测元的失调校正参数O₂(i,j)，O₃(i,j)…O_n(i,j)并存储；

j)将可调恒温箱的依次升温调节至不同的温度值T₁，T₂…T_m,重复以上操作，求得不同焦平面衬底温度下的两点校正参数及不同外部环境温度下的失调校正参数并存储；探测器在使用时，根据衬底的温度T^*，若选择对应温度T_i ^*的增益校正参数，T_i ^*是对应恒温箱箱内温度为T_i时由NTC测温模块测得的焦平面衬底温度；若选择对应温度T₀ ^*的增益校正参数，若选择对应温度T_m ^*的增益校正参数；利用待标定红外热成像机芯的环境温度测温模块测量环境温度S，若选择对应温度S_j的失调校正参数O_j(i,j)，若选择对应温度S₀的失调校正参数O₀(i,j)，若选择对应温度S_n的失调校正参数O_n(i,j)，然后利用选定的增益校正参数和失调校正参数对探测器的响应进行校正。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、剔除了挡板，使得非制冷红外焦平面探测器可根据衬底温度及外界环境温度选择校正参数进行校正,减少了红外热成像机芯的功耗、体积和重量，增加了系统的稳定性。2、融合了两点校正参数与一点校正参数的测试环节，节省了可调恒温箱及可调温黑体调节温度所用的时间，适用于多个探测器的测试校正，满足工业生产的需求。

附图说明

图1为本发明装置架构示意图；

图2为校正参数获取流程示意图；

图3为校正参数使用流程示意图；

图4为红外热成像机芯内的模块图。

其中，1011第一可调温黑体，1012是第二可调温黑体，1021是横向导轨，1022是第一垂直滑轨，1023是第二垂直滑轨，103是可调恒温箱，104是待标定红外热成像机芯，105是窗口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例提供一种红外热成像机芯标定装置，包括第一可调温黑体1011和第二可调温黑体1012、可调恒温箱103、XY位移电机平台以及待标定红外热成像机芯104；

其中第一可调温黑体1011和第二可调温黑体1012用于对待标定红外热成像机芯104提供均匀辐射且辐射功率可调节，可调恒温箱103用于为待标定红外热成像机芯提供温度稳定的环境且箱内温度可调节，XY位移电机平台用于调节负载于其上的可调温黑体的位置，待标定红外热成像机芯104用于提供探测器工作需要的偏压和驱动时序；XY位移电机平台包括两条水平的横向导轨1021、与横向导轨1021滑动连接的垂直于横向导轨1021的第一垂直滑轨1022和第一垂直滑轨1023，第一可调温黑体1011和第二可调温黑体1012分别放置于第一垂直滑轨1022和第一垂直滑轨1023上且可在第一垂直滑轨1022和第一垂直滑轨1023上纵向移动，待标定红外热成像机芯104放置于可调恒温箱103内部，可调恒温箱103的顶部正对待标定红外热成像机芯104的位置设有可透红外辐射的窗口105，所述垂直滑轨在横向导轨上移动从而使所述第一可调温黑体1011和第二可调温黑体1012的中心透过窗口105与待标定红外热成像机芯104内的非制冷红外焦平面探测器的光轴对准；

所述待标定红外热成像机芯104包括非制冷红外焦平面探测器，待标定红外热成像机芯内部集成有：探测器驱动模块，用于提供探测器的驱动偏压及驱动时序；NTC测温模块，用于将NTC测温的模拟信号转换成数字信号；图像采集模块，用于采集探测器捕获的原始图像；两点校正模块，依据图像采集模块采集到的高低温图像数据计算出增益校正系数G和失调校正系数O；一点校正模块，依据图像采集模块采集到的图像数据计算出一点校正参数；存储模块，将校正参数存储到对应地址的存储空间中；环境温度测温模块，用于测量环境温度。

进一步的，红外热成像机芯具有图像校正及图像增强功能。

利用上述的红外热成像机芯标定装置进行红外热成像机芯标定的方法为：划分焦平面衬底工作温度T^*，调节可调恒温箱箱内温度至划分的起始温度点，记录此时对应的焦平面衬底温度，通过采集探测器对高低温黑体的响应图像，计算出增益校正系数G、失调校正系数O参数并存储；划分环境温度S，从低到高调节黑体的温度至划分的不同温度点，计算出不同环境温度下的失调校正系数O参数，并存储。随后改变恒温箱的温度，测定下一个焦平面衬底温度下的G、O参数以及不同环境温度下的O参数。黑体在升温前，通过XY位移电机移动其位置，覆盖另一待测探测器的焦平面进行相同步骤的图像采集。

具体的，上述标定的方法包括以下步骤：

a)将非制冷红外焦平面探测器的焦平面衬底温度变化范围划分为m个温度区间，即有m+1个温度点T₀～T_m(T₀＜T₁＜T₂＜…＜T_m-1＜T_m),将红外热成像机芯的应用环境的温度变化范围划分为n个温度区间，即有n+1个温度点S₀～S_n(S₀＜S₁＜S₂＜…＜S_n-1＜S_n)，将可调恒温箱的温度值设定为T₀，将待标定红外热成像机芯置于可调恒温箱内，待非制冷红外焦平面探测器内部温度稳定后，记录下来NTC测温模块测得的焦平面衬底温度

b)将两个可调温黑体其中一个设定为低温T_L、另一个设定为高温T_H，分别为低温黑体、高温黑体，移动XY位移电机平台的垂直滑轨，使低温黑体、高温黑体先后对准非制冷红外焦平面探测器，分别采集低温T_L、高温T_H这两个温度值下的探测器探测元的响应电压U_L(i,j)和U_H(i,j)，探测器焦平面阵列大小为M×N,M和N分别表示探测器焦平面阵列的行数和列数，(i,j)表示第(i,j)探测元；

c)分别对两个不同温度黑体下的探测器的响应电压求取平均值：

和

d)求得每个探测元的两点校正参数G(i,j)和O(i,j)：

e)将计算得到校正参数G(i,j)和O(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机平台移动可调温黑体，对该探测器进行步骤b)、c)、d)、e)的操作，否则执行步骤f)；

f)调节两个黑体的温度分别为S₀和S₁,先后对准待测红外焦平面探测器，采集探测元的响应电压U₀(i,j)，U₁(i,j)，并求出平均响应值

g)分别求得探测器在外界环境温度为S₀和S₁下的失调校正参数O₀(i,j)，O₁(i,j)：

h)将计算得到的O₀(i,j)和O₁(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机移动可调温黑体，对该探测器进行步骤f)、g)、h)的操作，否则执行步骤i)；

i)依次升温调节黑体的温度值为S₂,S₃…S_n,利用步骤f)、g)的公式，计算出对应的每个探测元的失调校正参数O₂(i,j)，O₃(i,j)…O_n(i,j)并存储；

j)将可调恒温箱的依次升温调节至不同的温度值T₁，T₂…T_m,重复以上操作，求得不同焦平面衬底温度下的两点校正参数及不同外部环境温度下的失调校正参数并存储。探测器在使用时，根据衬底的温度T^*，若选择对应温度T_i ^*的增益校正参数，T_i ^*是对应恒温箱箱内温度为T_i时由NTC测温模块测得的焦平面衬底温度；若选择对应温度T₀ ^*的增益校正参数，若选择对应温度T_m ^*的增益校正参数；利用待标定红外热成像机芯的环境温度测温模块测量环境温度S，若选择对应温度S_j的失调校正参数O_j(i,j)，若选择对应温度S₀的失调校正参数O₀(i,j)，若选择对应温度S_n的失调校正参数O_n(i,j)，然后利用选定的增益校正参数和失调校正参数对探测器的响应进行校正。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种红外热成像机芯标定装置，其特征在于：包括可调温黑体(1011、1012)、可调恒温箱(103)、XY位移电机平台以及待标定红外热成像机芯(104)；

其中可调温黑体(1011、1012)用于对待标定红外热成像机芯(104)提供均匀辐射且辐射功率可调节，可调恒温箱(103)用于为待标定红外热成像机芯提供温度稳定的环境且箱内温度可调节，XY位移电机平台用于调节负载于其上的可调温黑体的位置，待标定红外热成像机芯(104)用于提供探测器工作需要的偏压和驱动时序；XY位移电机平台包括两条水平的横向导轨(1021)、与横向导轨(1021)滑动连接的垂直于横向导轨(1021)的垂直滑轨(1022、1023)，两个可调温黑体(1011、1012)分别放置于垂直滑轨(1022、1023)上且可在垂直滑轨(1022、1023)上纵向移动，待标定红外热成像机芯(104)放置于可调恒温箱(103)内部，可调恒温箱(103)的顶部正对待标定红外热成像机芯(104)的位置设有可透红外辐射的窗口(105)，所述垂直滑轨在横向导轨上移动从而使所述可调温黑体(1011、1012)的中心透过窗口(105)与待标定红外热成像机芯(104)内的非制冷红外焦平面探测器的光轴对准；

所述待标定红外热成像机芯(104)包括非制冷红外焦平面探测器，待标定红外热成像机芯内部集成有：探测器驱动模块，用于提供探测器的驱动偏压及驱动时序；NTC测温模块，用于将NTC测温的模拟信号转换成数字信号；图像采集模块，用于采集探测器捕获的原始图像；两点校正模块，依据图像采集模块采集到的高低温图像数据计算出增益校正系数G和失调校正系数O；一点校正模块，依据图像采集模块采集到的图像数据计算出一点校正参数；存储模块，将校正参数存储到对应地址的存储空间中；环境温度测温模块，用于测量环境温度。

2.根据权利要求1所述的红外热成像机芯标定装置，其特征在于：红外热成像机芯具有图像校正及图像增强功能。

3.利用权利要求1或2所述的红外热成像机芯标定装置进行红外热成像机芯标定的方法，其特征在于：划分焦平面衬底工作温度T^*，调节可调恒温箱箱内温度至划分的起始温度点，记录此时对应的焦平面衬底温度，通过采集探测器对高低温黑体的响应图像，计算出增益校正系数G、失调校正系数O参数并存储；划分环境温度S，从低到高调节黑体的温度至划分的不同温度点，计算出不同环境温度下的失调校正系数O参数，并存储；随后改变恒温箱的温度，测定下一个焦平面衬底温度下的G、O参数以及不同环境温度下的O参数；黑体在升温前，通过XY位移电机移动其位置，覆盖另一待测探测器的焦平面进行相同步骤的图像采集。

4.利用权利要求3所述的红外热成像机芯标定的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)将非制冷红外焦平面探测器的焦平面衬底温度变化范围划分为m个温度区间，即有m+1个温度点T₀～T_m(T₀＜T₁＜T₂＜…＜T_m-1＜T_m)，将红外热成像机芯的应用环境的温度变化范围划分为n个温度区间，即有n+1个温度点S₀～S_n(S₀＜S₁＜S₂＜…＜S_n-1＜S_n)，将可调恒温箱的温度值设定为T₀，将待标定红外热成像机芯置于可调恒温箱内，待非制冷红外焦平面探测器内部温度稳定后，记录下来NTC测温模块测得的焦平面衬底温度

b)将两个可调温黑体其中一个设定为低温T_L、另一个设定为高温T_H，分别为低温黑体、高温黑体，移动XY位移电机平台的垂直滑轨，使低温黑体、高温黑体先后对准非制冷红外焦平面探测器，分别采集低温T_L、高温T_H这两个温度值下的探测器探测元的响应电压U_L(i,j)和U_H(i,j)，探测器焦平面阵列大小为M×N,M和N分别表示探测器焦平面阵列的行数和列数，(i,j)表示第(i,j)探测元；

c)分别对两个不同温度黑体下的探测器的响应电压求取平均值：

和

d)求得每个探测元的两点校正参数G(i,j)和O(i,j)：

$G(i,j)=\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_H-{\stackrel{\‾}{U}}_L}{U_H(i,j)-U_L(i,j)},O(i,j)={\stackrel{\‾}{U}}_L-G(i,j)\×U_L(i,j);$

e)将计算得到校正参数G(i,j)和O(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机平台移动可调温黑体，对该探测器进行步骤b)、c)、d)、e)的操作，否则执行步骤f)；

f)调节两个黑体的温度分别为S₀和S₁，先后对准待测红外焦平面探测器，采集探测元的响应电压U₀(i,j)，U₁(i,j)，并求出平均响应值

g)分别求得探测器在外界环境温度为S₀和S₁下的失调校正参数O₀(i,j)，O₁(i,j)：

$O_0(i,j)={\stackrel{\‾}{U}}_0-G(i,j)\×U_0(i,j),O_1(i,j)={\stackrel{\‾}{U}}_1-G(i,j)\×U_1(i,j);$

h)将计算得到的O₀(i,j)和O₁(i,j)存储到对应的存储空间中；此时若有另一个待测探测器需要采集计算校正参数，则利用XY位移电机移动可调温黑体，对该探测器进行步骤f)、g)、h)的操作，否则执行步骤i)；

i)调节黑体的温度值为S₂,S₃…S_n,利用步骤f)、g)的公式，计算出对应的每个探测元的失调校正参数O₂(i,j)，O₃(i,j)…O_n(i,j)并存储；

j)将可调恒温箱依次升温调节至不同的温度值T₁，T₂…T_m,重复以上操作，求得不同焦平面衬底温度下的两点校正参数及不同外部环境温度下的失调校正参数并存储；探测器在使用时，根据衬底的温度T^*，若选择对应温度T_i ^*的增益校正参数，T_i ^*是对应恒温箱箱内温度为T_i时由NTC测温模块测得的焦平面衬底温度；若选择对应温度T₀ ^*的增益校正参数，若选择对应温度T_m ^*的增益校正参数；利用待标定红外热成像机芯的环境温度测温模块测量环境温度S，若选择对应温度S_j的失调校正参数O_j(i,j)，若选择对应温度S₀的失调校正参数O₀(i,j)，若选择对应温度S_n的失调校正参数O_n(i,j)，然后利用选定的增益校正参数和失调校正参数对探测器的响应进行校正。