CN107101727A - 非均匀性校正时校正参数的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种非均匀性校正时校正参数的标定方法，属于红外热成像技术领域。所述方法包括：TEC为红外焦平面探测器提供与待测试温区对应的基准温度；在TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度后，黑体辐射源在待测试温区的下限温度值工作，计算机保存红外焦平面探测器采集的第一原始图像；黑体辐射源在待测试温区的上限温度值工作，计算机保存红外焦平面探测器采集的第二原始图像；计算机利用第一原始图像和第二原始图像，计算与待测试温区对应的校正参数。本申请利用简单的设备对非制冷红外热成像仪进行快速标定，获得其在高温工作环境中的校正参数，简化标定流程，同时保证非制冷红外热成像仪在高温工作环境中成像质量较好。

Description

非均匀性校正时校正参数的标定方法

技术领域

本发明涉及红外热成像技术领域中的非均匀性参数标定领域，特别涉及一种对非制冷红外热成像仪进行非均匀性校正时校正参数的标定方法。

背景技术

非制冷红外热成像仪包括红外焦平面探测器，红外焦平面探测器上排列有感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在红外焦平面探测器的这些感光元件（也称像元）上，红外焦平面探测器将接受到的光信号转换为电信号，并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达非制冷红外热成像仪的监视系统形成图像。由于红外焦平面探测器各像元间的输出响应不一致以及光学镜头、移位读出电路和放大电路等的差异导致原始红外图像具有非均匀性，目前工程上常用的非均匀性校正方法主要是基于定标的两点温度定标法，需要将非制冷红外热成像仪置于温度稳定的环境中，接收温度分布均匀的黑体的辐射来计算红外焦平面探测器上感光元件阵列的校正参数。

非制冷红外热成像仪采用半导体热电制冷器（英文：Thermo Electric Cooler，简称：TEC）来稳定红外焦平面探测器的基准温度，尽可能地保证红外焦平面阵列中各像元自身基准温度稳定且一致。而当红外焦平面阵列中各像元的基准温度与环境温度相差过大时，TEC的电流比较大，且稳定温度较慢，导致非制冷红外热成像仪功耗较大，需要较长的时间稳定工作。常用的解决办法是将非制冷红外热成像仪工作的环境温度划分为不同的温区，根据不同的温区设定相应的基准温度值。那么不同的温区也应该使用相应的校正参数。

现有非制冷红外热成像仪的高温工作环境下的校正参数的标定需要将非制冷红外热成像仪放置于稳定的高温环境中，且工作状态稳定，然后对参考辐射源（一般为辐射均匀的黑体）进行定标。

非制冷红外热成像仪的温度标定必须将非制冷红外热成像仪放置于不同的工作环境中对黑体进行定标来获得不同工作环境下的校正参数，标定设备比较复杂，成本较高，且标定流程比较繁琐，花费时间较长。

发明内容

本发明提供一种非均匀性校正时校正参数的标定方法，其目的是用于改善非制冷红外热成像仪在不同温度工作环境（尤其是高温工作环境）下的成像质量，使得非制冷红外热成像仪在不同温度工作环境下的校正参数能够快速、简便地获得。所述技术方案如下：

一种非均匀性校正时校正参数的标定方法，应用于标定系统中，该标定系统包括计算机、黑体辐射源以及位于常温环境中的非制冷红外热成像仪，该非制冷红外热成像仪包括红外焦平面探测器以及半导体热电制冷器TEC，该红外焦平面探测器与该黑体辐射源相对，该方法包括：

该TEC为该红外焦平面探测器提供与待测试温区对应的基准温度，该待测试温区为下限温度值至上限温度值形成的温度范围；

在TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度后，该黑体辐射源在该待测试温区的下限温度值工作，该计算机保存该红外焦平面探测器采集的第一原始图像；

该黑体辐射源在该待测试温区的上限温度值工作，该计算机保存该红外焦平面探测器采集的第二原始图像；

该计算机利用该第一原始图像和该第二原始图像，计算与该待测试温区对应的校正参数。

可选的，该TEC为红外焦平面探测器提供与待测试温区对应的基准温度，包括：

将该TEC的设定参数设置为与待测试温区对应的基准温度所对应的设定值，该TEC利用该设定值为该红外焦平面探测器提供该基准温度。

可选的，该黑体辐射源在该待测试温区的下限温度值工作，该计算机保存该红外焦平面探测器采集的第一原始图像，包括：

该黑体辐射源在该待测试温区的上限温度值工作时，该计算机接收该红外焦平面探测器采集的至少一帧原始图像，计算每帧原始图像的平均输出值，在该平均输出值达到第一预定值时，该计算机保存此时该红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为该第一原始图像。

可选的，该黑体辐射源在该待测试温区的上限温度值工作，该计算机保存该红外焦平面探测器采集的第二原始图像，包括：

该黑体辐射源在该待测试温区的上限温度值工作时，该计算机接收该红外焦平面探测器采集的至少一帧原始图像，计算每帧原始图像的平均输出值，在该平均输出值达到第二预定值时，该计算机保存此时该红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为该第二原始图像。

可选的，该计算机利用该第一原始图像和该第二原始图像，计算与该待测试温区对应的校正参数，包括：

该计算机利用该第一原始图像各像元的像素值以及该第二原始图像各像元的像素值，计算与该待测试温区对应的校正参数。

通过上述技术方案，本申请可以实现的技术效果至少包括：能够利用简单的设备对非制冷红外热成像仪进行快速标定，获得非制冷红外热成像仪在高温工作环境中的校正参数，简化标定流程，同时保证非制冷红外热成像仪在高温工作环境中成像质量较好。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明根据一示例性实施例提供的一种标定系统的结构示意图；

图2是本发明根据一示例性实施例提供的一种非均匀性校正时校正参数的标定方法的流程图；

图3是不同像元的在不同温度黑体辐射下的输入值和输出值的曲线示意图；

图4是红外焦平面探测器各像元的输出响应曲线。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

相关技术中，当需要测试非制冷红外热成像仪在不同温区下的非均匀性校正参数时，均需要将非制冷红外热成像仪放置在需要测试的温区所对应的下限温度的保温箱内以及上限温度的保温箱内，测试成本较高。针对于此，本申请只需黑体辐射源即可在常温工作环境下完成对非制冷红外热成像仪在不同工作环境（尤其是高温工作环境）下非均匀性校正参数的标定，无需将非制冷红外热成像仪放置于不同温度的保温箱内，设备简单，可同时进行常温、高温校正参数的标定。

请参见图1所示，其是本发明一个实施例中提供非均匀性校正参数的标定方法所涉及的标定系统的结构示意图，该标定系统包括计算机110、待标定的非制冷红外热成像仪120以及黑体辐射源130，其中，非制冷红外热成像仪120包括相互电性连接的红外焦平面探测器121和半导体热电制冷器（TEC） 122，此外，非制冷红外热成像仪120与计算机110电性连接。该标定系统的各类器件的功能如下：

计算机110：采集非制冷红外热成像仪120受不同温度黑体均匀辐射下各像元的输出值，计算求得最终校正参数。本申请中，该计算机110可以是与非制冷红外热成像仪120相互独立的设备，也可以是非制冷红外热像仪120的一部分，比如可以为非制冷红外热像仪120的一个计算单元，本申请中对此不进行限定。

非制冷红外热成像仪120：非制冷红外热成像仪120内的TEC 122为红外焦平面探测器121提供与温区对应的基准温度，红外焦平面探测器121接收黑体辐射源130辐射的不同温度黑体的均匀辐射并转换为电信号，最终转换为数字信号输出。

黑体辐射源130：发射出不同温度的红外辐射。

结合图1中的标定系统，在实际标定过程中，首先需要将非制冷红外热成像仪120放置于常温环境中，并使非制冷红外热成像仪120内红外焦平面探测器121放置于黑体辐射源130的正前方，调焦至最远处。也就是说，需要将红外焦平面探测器121黑体辐射源130相对。对应的，请参见图2所示，本申请提供的对非制冷红外热成像仪的非均匀性校正时校正参数的标定方法包括如下步骤：

步骤201，TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度。

首先需要将TEC的设定参数设置为与待测试温区对应的基准温度所对应的设定值，以使TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度。

待测试温区为下限温度值至上限温度值所形成的温度范围。通常，待测试温区可以至少分为高温温区和低温温区。一般的，高温温区为常温或者高于常温的温度范围，比如20℃-50℃，低温温区通常为零下温度形成的温度范围，比如-40℃-0℃。

相对于TEC来讲，需要根据每个待测试温区为红外焦平面探测器提供一个基准温度，该基准温度一般为待测试温区内的一个温度值。以待测试温区20℃-50℃为例，该待测试温区对应的基准温度可以为30℃。再以待测试温区-40℃-0℃为例，该待测试温区对应的基准温度可以为-20℃。

一般来讲，为了保证TEC可以为红外焦平面探测器提供基准温度，通常需要调整TEC内的一些元件的设定参数，TEC根据这些设定参数的设置值则可以为非制冷红外热成像仪内的红外焦平面探测器提供该基准温度。

在实际测试时，为了减少测试成本，可以将非制冷红外热成像仪放置于常温环境下，并使非制冷红外热成像仪放置于黑体辐射源正前方，调焦至最远处。然后调整TEC的设定参数至与待测试温区对应的基准温度所对应的设定值。

步骤202，在TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度后，黑体辐射源在待测试温区的下限温度值工作，计算机保存红外焦平面探测器采集的第一原始图像。

当TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度后，红外焦平面探测器的温度几乎不变。

当黑体辐射源调整在待测试温区的下限温度工作时，计算机保存红外焦平面探测器采集到的一帧原始图像（为了便于区分，这里将该帧原始图像记为第一原始图像）。

为了使得得到的校正参数更为精准，可以利用计算机接收红外焦平面探测器经模数（英文：Analog-to-Digital，简称：AD）转换器采样后的至少一帧原始图像，计算每帧原始图像的平均输出值，在平均输出值达到第一预定值，或者位于包含第一预定值的第一预定范围内时，保存此时红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为第一原始图像，从而得到黑体温度在该待测试温区的下限温度时所对应的红外焦平面探测器各像元的像素值。

以待测试温区为20℃-50℃为例，经过试验测试，第一预定值可以为4500，一般不低于4000。

这里需要注意的是，由于计算机不断的接收红外焦平面探测器经模数转换器采样后的至少一帧原始图像，并实时计算各帧图像的平均输出值，并在计算到的平均输出值达到第一预定值或者位于上述第一预定范围内时，才开始保存红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，因此最后保存的第一原始图像通常是计算出的平均输出值符合上述条件的图像帧后面的第一帧原始图像，因此第一原始图像的平均输出值并不一定是该第一预定值。

步骤203，黑体辐射源在待测试温区的上限温度值工作，计算机保存红外焦平面探测器采集的第二原始图像。

当黑体辐射源调整在待测试温区的上限温度工作时，计算机保存红外焦平面探测器采集到的一帧原始图像，为了便于区分，这里将该帧原始图像记为第二原始图像。

为了使得得到的校正参数更为精准，可以利用计算机接收红外焦平面探测器经模数转换器采样后的至少一帧图像，计算每帧图像的平均输出值，在平均输出值达到第二预定值，或者位于包含第二预定值得第二预定范围内时，保存此时红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为第一原始图像，从而得到黑体温度在该待测试温区的上限温度时所对应的红外焦平面探测器各像元的像素值。

以待测试温区为20℃-50℃为例，经过试验测试，第二预定值可以为11500，一般不高于12000。

这里需要注意的是，由于计算机不断的接收红外焦平面探测器经模数转换器采样后的至少一帧原始图像，并实时计算各帧图像的平均输出值，并在计算到的平均输出值达到第二预定值或者位于上述第二预定范围内时，才开始保存红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，因此最后保存的第二原始图像通常是计算出的平均输出值符合上述条件的图像帧后面的第一帧原始图像，因此第二原始图像的平均输出值并不一定是该第二预定值。

在实际应用中，在TEC为红外焦平面探测器提供稳定的基准温度后，可以先执行步骤202，再执行步骤203，也可以先执行步骤203，再执行步骤202，本实施例中对步骤202和步骤203的执行顺序不进行限定。

步骤204，计算机根据第一原始图像和第二原始图像计算与该待测试温区对应的校正参数。

计算机在接收到第一原始图像之后，可以获知该第一原始图像上各像元的像素值，类似的，计算机在接收到第二原始图像之后，可以获知该第二原始图像上各像元的像素值，然后计算机可以利用第一原始图像各像元的像素值以及第二原始图像各像元的像素值，计算该待测试温区对应的校正参数。

两点法的温度定标是指在光路中插入一个均匀辐射的黑体，通过红外焦平面探测器各阵列像元对待测试温区的上限温度值TH和下限温度值TL下均匀黑体辐射的响应计算G_ij和O_ij，从而实现非均匀性校正。校正后的各像元的输出值在一定温度区间内近似为一条直线，如图3所示。

也就是说，红外焦平面探测器受黑体的均匀红外辐射下各像元的输出响应曲线为a、s、b，如图3左侧图所示，经两点校正后，各像元的输出响应曲线应为同一直线，如图3右侧图所示。校正后各像元受待测试温区的下限温度为黑体的均匀红外辐射下输出为，受待测试温区的上限温度为黑体的均匀红外辐射下输出为，显然这里的。

而红外焦平面探测器各像元的输出响应曲线实际上又是“S”型曲线，如图4所示，分为三个区域，分别为截止区（Ⅰ）、工作区（Ⅱ）和饱和曲（Ⅲ）。当黑体温度在~即工作区内时，红外焦平面探测器各像元的输出响应曲线近似为一直线，所以必须选择合适的和才能得到具有普遍适用性的校正参数，本实施例中~即为待测试温区。

一般来讲，红外焦平面探测器采集的原始图像的实际输出值与真实响应值的关系为一阶函数，如下：

（1）

其中，为红外焦平面探测器上在上限温度值TH下像元（i，j）的真实响应值，而为红外焦平面探测器上在待测试温区的上限温度值TH下像元（i，j）的实际输出值，为红外焦平面探测器上在上限温度值TL 下像元（i，j）的真实响应值，而为红外焦平面探测器上在待测试温区的上限温度值TH下像元（i，j）的实际输出值，和则分别代表的是红外焦平面探测器与待测试温区对应的增益系数和偏置系数，为像元的坐标。

第一原始图像各像元的实际输出平均值为：

（2）

其中M为红外焦平面探测器上像元的行数，N为红外焦平面探测器上像元的列数。

第二原始图像各像元的实际输出平均值为：

（3）

因此，根据上述公式（1）、公式（2）和公式（3）可以计算得到像元（i，j）的增益系统为：

（4）

根据上述公式（1）、公式（2）和公式（3）可以计算得到像元（i，j）的偏置系数为：

（5）

综上所述，本发明实施例提供的非均匀性校正时校正参数的标定方法，能够利用简单的设备对非制冷红外热成像仪进行快速标定，获得非制冷红外热成像仪在待测试温区环境（尤其是高温工作环境）中的校正参数，简化标定流程，同时保证非制冷红外热成像仪在待测试温区环境中成像质量较好。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种非均匀性校正时校正参数的标定方法，其特征在于，应用于标定系统中，所述标定系统包括计算机、黑体辐射源以及位于常温环境中的非制冷红外热成像仪，所述非制冷红外热成像仪包括红外焦平面探测器以及半导体热电制冷器TEC，所述红外焦平面探测器与所述黑体辐射源相对，所述方法包括：

所述TEC为所述红外焦平面探测器提供与待测试温区对应的基准温度，所述待测试温区为下限温度值至上限温度值形成的温度范围；

在所述TEC为所述红外焦平面探测器提供稳定的所述基准温度后，所述黑体辐射源在所述待测试温区的下限温度值工作，所述计算机保存所述红外焦平面探测器采集的第一原始图像；

所述黑体辐射源在所述待测试温区的上限温度值工作，所述计算机保存所述红外焦平面探测器采集的第二原始图像；

所述计算机利用所述第一原始图像和所述第二原始图像，计算与所述待测试温区对应的校正参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TEC为红外焦平面探测器提供与待测试温区对应的基准温度，包括：

将所述TEC的设定参数设置为与待测试温区对应的基准温度所对应的设定值，所述TEC利用所述设定值为所述红外焦平面探测器提供所述基准温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述黑体辐射源在所述待测试温区的下限温度值工作，所述计算机保存所述红外焦平面探测器采集的第一原始图像，包括：

所述黑体辐射源在所述待测试温区的上限温度值工作时，所述计算机接收所述红外焦平面探测器采集的至少一帧原始图像，计算每帧原始图像的平均输出值，在所述平均输出值达到第一预定值时，所述计算机保存此时所述红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为所述第一原始图像。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述黑体辐射源在所述待测试温区的上限温度值工作，所述计算机保存所述红外焦平面探测器采集的第二原始图像，包括：

所述黑体辐射源在所述待测试温区的上限温度值工作时，所述计算机接收所述红外焦平面探测器采集的至少一帧原始图像，计算每帧原始图像的平均输出值，在所述平均输出值达到第二预定值时，所述计算机保存此时所述红外焦平面探测器采集的一帧原始图像，记为所述第二原始图像。

5.根据权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，所述计算机利用所述第一原始图像和所述第二原始图像，计算与所述待测试温区对应的校正参数，包括：

所述计算机利用所述第一原始图像各像元的像素值以及所述第二原始图像各像元的像素值，计算与所述待测试温区对应的校正参数。