CN106872042A - 红外光学系统全自动宽温度范围标定系统 - Google Patents

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张涛
杨帅
王成龙
王东鹤
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Abstract

红外光学系统全自动宽温度范围标定系统涉及红外光学领域，该系统包括：宽视场低温黑体、窄视场高温黑体、平行光管、温控器、温度传感器、处理器和红外光学系统；所述处理器通过控制两个温控器，分别控制宽视场低温黑体和/或窄视场高温黑体的温度，通过安装在其上的温度传感器采集温度并反馈至处理器；当温度达到预期值时，处理器控制温控器停止升温，温度稳定后，处理器控制红外光学系统采集窄视场高温黑体通过平行光管扩大辐射口径出射的图像和/或宽视场低温黑体出射的图像，实现宽温度范围的标定。本发明可有效提高标定速度、标定精度，进而改进红外图像的不均匀性，提高红外特性测量的精度。同时可为红外光学系统的设计提供改进依据。

Description

红外光学系统全自动宽温度范围标定系统
技术领域
本发明涉及红外光学领域，具体涉及红外光学系统全自动宽温度范围标定系统。
背景技术
随着红外光学系统广泛应用于成像、测量等领域，因红外相机成像天然具有不均匀性，必须对其所有像素的不均匀性进行校正方能实现良好的成像效果，需要计算相机各像素的响应，进而修正其不均匀性；而为了进行目标红外特性测量，也需要计算各像素的响应，进而计算某成像灰度值下目标亮度、等效温度等参数。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，该系统利用低成本、覆盖温度方位宽、高精度、使用简单、速度较快的方法和相应设备建立测量系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，该系统包括：宽视场低温黑体、窄视场高温黑体、平行光管、温控器、温度传感器、处理器和红外光学系统；所述处理器通过控制两个温控器，分别控制宽视场低温黑体和/或窄视场高温黑体的温度，通过安装在其上的温度传感器采集温度并反馈至处理器；当温度达到预期值时，处理器控制温控器停止升温，温度稳定后，处理器控制红外光学系统采集窄视场高温黑体通过平行光管扩大辐射口径出射的图像和/或宽视场低温黑体出射的图像，实现宽温度范围的标定。
本发明的有益效果是：本发明实现了全自动、快速、高精度、宽温度范围、多温度点、多工作参数的红外光学系统响应标定。可有效提高标定速度、标定精度，进而改进红外图像的不均匀性，提高红外特性测量的精度。同时可为红外光学系统的设计提供改进依据。
附图说明
图1本发明红外光学系统全自动宽温度范围标定系统。
图2本发明宽视场低温黑体辐射面示意图。
图3本发明处理器接口图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，该系统包括：宽视场低温黑体、窄视场高温黑体、平行光管、温控器、温度传感器、处理器和红外光学系统；所述处理器通过控制两个温控器，分别控制宽视场低温黑体和/或窄视场高温黑体的温度，通过安装在其上的温度传感器采集温度并反馈至处理器；当温度达到预期值时，处理器控制温控器停止升温，温度稳定后，处理器控制红外光学系统采集窄视场高温黑体通过平行光管扩大辐射口径出射的图像和/或宽视场低温黑体出射的图像，实现宽温度范围的标定。
本发明使用宽视场低温黑体和窄视场高温黑体配合平行光管作为标定源。黑体是一种辐射率接近于100％的物体，其能量几乎全部以热辐射的形式表现。其核心技术在于温度稳定性和温度均匀性。理论上进行红外系统标定时黑体辐射面应大于光学系统口径，但制造在较宽的温度范围(-20℃～1000℃)内都能达到整个辐射面温度稳定性和温度均匀性都很好的黑体非常困难，所以本系统使用了两种黑体。在低温段(-20℃～100℃)内，使用宽视场低温黑体，其辐射面可覆盖光学系统口径，而在高温段(100℃～1000℃)内，窄视场黑体通过平行光管将辐射口径扩大，达到覆盖光学系统的目的。
如图2所示，对于宽视场低温黑体，其辐射面直径达到了650mm，将其划分为4个象限，在每个象限内均放置1个温度传感器，并通过希曼顿公司生产的SR系列温控器对其进行PID闭环控制，可实现较高的温度控制精度，根据测试，在-20℃～100℃范围内，可达到±0.5℃的控制精度。对于窄视场高温黑体，其辐射面直径为30mm，使用1个温度传感器和温控器进行PID闭环控制即可，在100℃～1000℃范围内，可达到±0.5％的控制精度。考虑到红外光学系统的实际情况，可对低温黑体实现每5℃一个间隔的升温、降温、温度稳定控制，对高温黑体实现每20℃一个间隔的升温、降温、温度稳定控制。
处理器连接红外光学系统的相机、滤光片控制器、衰减片控制器，当处理器判断温度稳定后，切换相机积分时间、滤光片、衰减片等工作参数，而后采集红外图像；通过温控器改变温度或者通过电机选择不同的黑体，采集所有不同的温度点；当所有温度点的图像均采集完毕，根据图像标定响应。
红外光学系统全自动宽温度范围标定系统的工作流程如下：
1.处理器开机后，使用人员设定需要标定的温度范围和间隔，设定待标定的红外相机的积分时间、光学系统的滤光片、衰减片档位；
2.上位机控制继电器给黑体加电、红外光学系统加电，检查如下内容，如图3所示，
a)与温控器的RS-232通信连接是否正常；
b)和红外相机的Camera-Link通信连接是否正常；
c)和光学系统的滤光片、衰减片控制器的RS-422通信连接是否正常；
如果连接不正常，则报警提示使用人员检查，如正常，则控制红外相机进行校正，发送黑体升温或降温命令至初始测量温度；
3.温控器控制黑体升温或降温，通过温度传感器判断是否达到预设温度，温度稳定状态是否合格，如未达到或未合格则继续等待，如达到则向处理器发送到位命令，处理器控制温控器停止黑体温度变化；
4.处理器接收到到位命令，则按预先设定参数控制切换积分时间、滤光片、衰减片，通过电机调整切换滤光片和衰减片的位置时，因各种红外系统性能不一，安装位置不同，其切换时间不固定，所以需对其是否到位进行判断，待切换到位后再采集图像；
5.在当前温度采集各工作参数条件下的图像完毕后，处理器发送完毕命令和下一温度点命令至温控器，温控器软件收到后重复3、4两步骤直至所有温度点全部采集完毕；
6.采集完毕后，处理器发送升降温命令至温控器，控制黑体升降温至初始状态以保证使用寿命，而后控制继电器给黑体、红外光学系统关电；
7.计算响应。其原理如下，定标的数学模型为：
DN＝t(Gw·Lb+hout)＝hin (1)
其中：
DN——成像灰度值；
t——相机积分时间；
Gw——像元对黑体辐射响应率；
hout——系统内部杂散辐射引起灰度响应；
hin——相机暗电流引起的灰度响应。
以积分时间t为自变量，选择任意两个温度点，得到以积分时间为横轴，以像元灰度为纵轴的线性曲线，联立两个线性曲线，可解出(1)中的Gw、hout和hin。即相机的响应。由于系统标定了多个温度点，可使用最小二乘法等手段进行进一步的精确修正与拟合。

Claims (5)

1.红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，其特征在于，该系统包括：宽视场低温黑体、窄视场高温黑体、平行光管、温控器、温度传感器、处理器和红外光学系统；所述处理器通过控制两个温控器，分别控制宽视场低温黑体和/或窄视场高温黑体的温度，通过安装在其上的温度传感器采集温度并反馈至处理器；当温度达到预期值时，处理器控制温控器停止升温，温度稳定后，处理器控制红外光学系统采集窄视场高温黑体通过平行光管扩大辐射口径出射的图像和/或宽视场低温黑体出射的图像，实现宽温度范围的标定。
2.根据权利要求1所述的红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，其特征在于，所述宽视场低温黑体的温度范围为-20℃～100℃；窄视场高温黑体的温度范围为100℃～1000℃。
3.根据权利要求1所述的红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，其特征在于，将所述宽视场低温黑体的辐射面划为四个象限，每个象限设置一个温度传感器。
4.根据权利要求1所述的红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，其特征在于，所述处理器中的Camera-Link与红外光学系统中的红外相机连接；所述处理器中的RS-232接口与温控器连接；所述处理器中的RS-422与红外光学系统中的滤光片和衰减片控制器连接。
5.根据权利要求1所述的红外光学系统全自动宽温度范围标定系统，其特征在于，在所述红外光学系统上设置电机，通过处理器控制与平行光管或者宽视场低温黑体对接。
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