CN107748011A - 中波红外探测器成像延迟时间的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中波红外探测器成像延迟时间的测试系统及测试方法，该系统包括便携式计算机、控制记录仪、靶板(中波红外LED阵列)、中波红外探测器，其中便携式计算机为笔记本电脑，与控制记录仪通过以太网电缆连接，靶板的控制端口和探测器信号输出端口通过特制电缆连接到控制记录仪上。本发明能够实现实时采集探测器输出视频信号，通过高精度控制LED阵列工作状态以及对采集图像实时处理，实现中波红外探测器成像延迟时间检测，并输出到计算机实时显示成像延迟时间动态变化，具有精度高，环境适应性强，具有良好的可读性、便携性以及鲁棒性。

Description

中波红外探测器成像延迟时间的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体是一种中波红外探测器成像延迟时间的测试系统及测试方法。

背景技术

中波红外探测器在机载光电系统中常用来对热源目标的检测跟踪，因此红外探测器的成像时间直接影响战机对地环境侦查、目标检测跟踪的实时性。中波红外探测器的成像延迟时间需要足够小，在一定的范围内，以保证侦查图像成像实时性的要求。

通过测试中波红外探测器成像延迟时间，保证红外探测器质量合格，以确保机载光电系统的正常运行。测试中波红外探测器成像延迟时间，需要解决两个核心问题：一是红外探测器图像成像的起始时刻的确定；二是如何确定红外探测器成像完毕的时间。

目前的探测器成像延迟时间的测试方法通常为：1)给探测器上电的时刻为探测器成像的起始时刻t₁，以输出图像为成像的结束时刻t₂，则图像成像延迟时刻Δt＝t₂-t₁；2)计算机软件给红外灯源上电的时刻作为红外探测器成像的起始时刻t₁，以计算机检测到输出特定的光源图像为红外探测器成像的结束时刻t₂，则图像成像延迟时刻Δt＝t₂-t₁。(1)方法由于探测器的启动需要时间，难以准确检测到探测器成像延迟时间，误差极大；(2)方法由于计算机的运行时间误差，精度最高在秒级，更高精度无法达到。

发明内容

本发明为了解决现有对中波红外探测器成像延迟时间精度不高的问题，提供了一种高精度检测中波红外探测器成像延迟时间的方法，实现了基于便携式计算机和嵌入式实时系统的延迟时间测试系统，对中波红外探测器成像延迟时间单次检测并且多次统计求延迟时间均值，精度高，环境适应性强，具有良好的可读性、便携性，能够高可靠的连续测试。

一种中波红外探测器成像延迟时间测试系统，包括红外探测器、靶板、控制记录仪、便携式计算机四个部分，其中红外探测器、靶板、便携式计算机通过特制电缆连接到控制记录仪上。

本发明还提供了一种中波红外探测器成像延迟时间测试方法，包括以下步骤：

1)计算机向控制记录仪发送启动设备命令，建立控制记录仪与便携式计算机之间的网络连接，检测整套设备工作状态，并将检测结果传回到计算机上；

2)将靶板放置于视场中心，在计算机上显示位置正确；

3)控制记录仪中DSP获取判定探测器成像是否完善的判定阈值T；

4)发送指令给控制记录仪，给靶板上的中波红外LED光源供电，被测探测器成像开始积分的时刻作为红外探测器成像的起始时刻t₁，控制记录仪始终不停接收图像，进行图像处理，通过阈值T判定探测器成像完善时刻为t₂，单次测试的红外探测器成像延迟时间为Δt＝t₂-t₁；

5)循环进行步骤4)，得到一组测试数据Δt_i(i＝1,2,3,4…n)，并实时画图显示测试数据的动态变化；

6)便携式计算机发送计算一组测试数据的均值作为红外探测器成像延迟时间。

步骤1)中包含以下内容。

1.1)计算机加载基于TCP/IP网络通信协议的windows套接字库，建立控制记录仪中DSP与计算机的网络实时通信，并在计算机上显示网络连接是否正常；

1.2)定义DSP中向PC机发送数据的数据格式data。data为20个字节大小。其中前4个字节为int型的标识头flag，用于标识数据包类型。后16个字节用于存储参数以及错误检查，每个参数均为4个字节。

标识头flag

参数0 arg0

参数1 arg1

参数2 arg2

保留字reserved

1.3)控制记录仪进行自检测。自检测内容包含两个方面，即针对红外LED光源和探测器输出信号是否工作正常进行检测。红外LED光源的开关通过对控制记录仪中DSP的GPIO口的控制实现。其中，GPIO_0，GPIO_1，GPIO_3配置为输出模式，GPIO_4和GPIO_5配置为输入模式。

1.3.1)红外LED光源自检测中，通过配置GPIO_0和GPIO_1的电平输出，实现配置红外LED光源的不同的工作状态。GPIO_0和GPIO_1输出设置为0和1，此时，红外LED光源完全受GPIO_3控制。即当GPIO_3为低电平时，开启红外LED光源，当GPIO_3为高电平时，关闭红外LED光源。GPIO_5反映红外LED光源是否已通电流，输入为1，表明已通电流，否则未通。在自检测过程中，先将GPIO_3置为低电平，检测GPIO_5读取的是否为‘1’；再将GPIO_3置为高电平，检测GPIO_5读取的是否为‘0’。若开闭两种情况均正常，则红外LED光源工作正常。

1.3.2)帧同步信号自检测中，由红外探测器输出，TTL接口，每帧的起始在上升沿时刻。t1为1.5ms～4ms；t2为40ms。通过读取GPIO_4，可以检测输入的帧同步信号上升沿与下降沿时刻。通过判断相邻的上升沿与下降沿的时间间隔t1是否在合理区间内来判断上升沿来判断帧同步信号是否工作正常。

1.4)计算机中定义相同的数据结构，用以接收控制记录仪中DSP发送的数据data。

1.5)计算机对接收到数据进行分析处理并且判断红外LED光源和探测器输出信号是否正常，若设备自检通过，在计算机上显示自检测通过，若任何一项检测不通过，则计算机弹出相应检测失败的警告提醒。

步骤2)中包含以下内容：

2.1)计算机向控制记录仪发送指令，使控制记录仪给红外LED灯上电，使靶板上的LED光源处于工作状态；

2.2)计算机对接收到的数据进行解码，得到红外图像；

2.3)对2.2)获取的红外图像进行自适应二值分割，并且形态学处理，产生只有光源目标的二值图像；

2.4)计算2.3)产生的二值图像的质心；

2.5)若质心在视场中心区域，则计算机上显示位置正确提醒；若质心不在视场中心区域，则提示靶板移动方向，将靶板移动到视场中心区域。

步骤3)包含以下内容：

3.1)靶板位置已经正确后，计算机向控制记录仪发送指令，使控制记录仪获取当前环境下判定是否成像完成的阈值T；

3.2)控制记录仪接收到指令后，控制记录仪给红外LED光源上电，使LED光源处于工作状态。根据步骤2.3)获取的二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₁；

3.3)控制记录仪给红外LED灯断电，使LED灯处于非工作状态。根据步骤2.3)获取的二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₂；

3.4)根据步骤3.2)和步骤3.3)获取的均值T₁和T₂，取T₁和T₂的均值T作为探测器图像是否成像完善的判定阈值。

步骤4)包含以下步骤：

4.1)计算机向控制记录仪发送测试探测器成像延迟时间指令；

4.2)控制记录仪接收到该命令后，使得红外LED光源处于非工作状态，然后设立定时器，同时检测帧同步信号上升沿。

4.3)在检测到帧同步信号上升沿的同时，控制记录仪给红外LED光源上电，令定时器计数值置零，记此时为成像的起始时刻t₁。启动图像采集、解压处理，记录下采集的每一帧图像的帧尾时刻，并将这一帧图像发送给计算机，对采集的每一帧图像进行分析，判断是否已成像完善。当图像目标区域的灰度均值大于阈值T时，说明成像完善。当判断到某一帧已成像完善后，该帧的帧尾时刻即是探测器成像的完善时刻t₂，则探测器成像延迟时刻Δt＝t₂-t₁；

4.4)控制记录仪将包含有测试结果Δt的特定标识头数据包发送给计算机。计算机根据标识头识别出数据包后，解析数据，并将测试数据转化为以毫秒为单位的时间数据，并将测试结果在计算机界面上实时显示，结束定时器。

步骤5)包含以下内容：

5.1)控制记录仪每隔一定时间执行一次步骤4)，得到一次测试延迟时间数据，将数据发送至计算机，

5.2)计算机接收数据解析后获取测试的延迟时间数据，转化之后存储在double型指针中，并根据已有的数据画出探测器成像延迟时间的曲线图。

5.3)计算机向控制记录仪的DSP发送结束测试的指令，控制记录仪中DSP接收指令后停止测试。计算机将指针所指向的数据存储在指令位置的计算机硬盘中，存储格式为txt格式。

本发明有益效果在于：

(1)本发明通过嵌入式开发系统，对成像延迟时间的获得做了新的定义，并且更准确的提取到成像完成时间，极大地提高了测试精度；

(2)本发明根据具体环境进行系统参数自适应配置，具有较强的环境的适应性；

(3)本发明根据探测器成像图像和帧同步信号进行延迟时间测试，可支持多种图像探测器成像延迟时间的测试；

(4)本发明中的便携式计算机和控制记录仪分离，使得控制记录仪中嵌入式开发系统较多的端口适宜进一步增加其他功能，具有良好的可扩展性。

附图说明

图1是本发明系统结构框图；

图2是本发明测试系统设备连接示意图；

图3为靶板的结构示意图；

图4为控制记录仪的模块连接示意图；

图5是本发明数据通信处理流程图；

图6是本发明成像判定阈值求解流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的成像延迟测试设备系统结构框图，如图1、2所示，包括靶板、控制记录仪和便携式计算机三部分。

如图3所示，其中靶板由目标板、遮光罩和三脚架组成。目标板和遮光罩为铝合金材料，形状像一个喇叭口的盒子。目标板是盒子的底部，其中心位置安装了红外LED阵列，边沿为遮光罩。三脚架用于固定目标板和遮光罩，在测试时可以调整目标板的高度。

如图4所示，控制记录仪的内部包含电源模块、图像处理模块、LED恒流源模块，接口模块四个部分，对外具有以太网口、220V电源接口、靶板电缆接口、红外探测设备电缆接口以及相应的指示灯，整个仪表盒的尺寸大约为300mm×200mm×10mm。采集图像格式为PAL制式。

便携式计算机为笔记本电脑，与控制记录仪通过以太网电缆连接。便携式计算机通过控制信号使控制记录仪开始测试；控制记录仪通过高精度的同步信号控制靶板打开并记录起始时刻，同时开始检测并处理红外探测器产生的视频信号；当得到完善的红外图像时，记录结束时刻；计算结束时刻与起始时刻的差便可得到红外探测器的成像延迟时间。将测试时所得到的各种测试数据传输给便携式计算机，计算机将数据处理后可以图形化的输出和显示。

本发明的成像延迟测试设备的数据通信处理流程如图5所示，具体实现方式如下：

(1)连接设备，启动网络连接并进行设备自检测；

(2)移动靶板(LED阵列)位置，使得LED阵列显示在视场中心；

(3)获取当前环境下判断目标图像成像完善与否的判定阈值T；

(4)计算机发送测试指令，控制记录仪执行测试指令，获取成像延迟时间数据，并发送至计算机。

(5)计算机接收数据并画图显示；

(6)计算机向控制记录仪发送结束测试指令，停止接收数据，并求数据均值。具体的说：

1、步骤(1)中启动网络连接及其设备自检的方法如下：

A.便携式计算机与控制记录仪的通信基于TCP/IP协议。便携式计算机作为客户端，负责向控制记录仪发送控制命令。控制记录仪上的DSP芯片作为服务器端，接受命令，向计算机发送数据。计算机通过延迟测试设备软件发送控制命令数据包。控制命令数据包定义为一个1字节的字符数据包，内容为char型数据。控制记录仪接收到一个控制命令数据包时，根据命令数据进入相应的处理操作中。

B.控制记录仪向计算机发送两类数据。第一类是压缩后的JPG图像数据，第二类是成像信息和系统参数。第二类具体包括处理后的图像参数(每帧图像压缩后的大小，感兴趣区域的灰度值)，系统自检结果和某种测试模式下的延迟测试结果。将第二类数据打包成固定格式，数据包共20个字节大小。其中前4个字节为int型的标识头flag，用于标识数据包类型。后16个字节用于存储参数以及错误检查，每个参数均为4个字节。具体定义如下所示：

标识头flag

参数0 arg0

参数1 arg1

参数2 arg2

保留字reserved

C.计算机向控制记录仪发送连接计算机和控制记录仪的命令和控制记录仪自检命令。控制记录仪接收到该命令后，立刻与计算机进行网络连接，并进行设备自检测，检测控制记录仪控制红外LED阵列通断电是否正常，检测控制记录仪接收到的探测器信号是否正常，并将自检测的结果发送给计算机。若自检测不通过，计算机根据返回结果显示相应的问题，表明问题原因是网络连接、控制红外LED阵列设备工作不正常或者连接不正常，无法进行测试，需要检查。若自检测通过，可以进行后续步骤。

2、步骤(2)中，移动靶板位置，使得红外LED灯阵列在图像中处于中心位置，是为了排除延迟时间的测试时的部分干扰因素。

A.对当前输入的只包含LED阵列以及噪声的图像进行二值分割，分割后的二值图像为LED阵列，计算二值分割图像的质心，即LED灯阵列在图像中的中心位置。质心的计算公式为：

B.根据计算的质心判断LED阵列是否在视场中心，当质心满足下述条件即表示在视场中心，该条件为：

其中，width和height为图形的宽和高，α和β为图像中心偏移量。

步骤3)包含以下内容：

3.1)靶板位置已经正确后，计算机向控制记录仪发送指令，使控制记录仪获取当前环境下判定是否成像完成的阈值T；

3.2)控制记录仪接收到指令后，控制记录仪给红外LED光源上电，使LED光源处于工作状态。根据步骤2.3)获取的二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₁；

3.3)控制记录仪给红外LED灯断电，使LED灯处于非工作状态。根据步骤2.3)获取的二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₂；3.4)根据步骤3.2)和步骤3.3)获取的均值T₁和T₂，取T₁和T₂的均值T作为探测器图像是否成像完善的判定阈值。

3、步骤4)计算延迟时间的方式如下：

A.计算机向控制记录仪发送测试探测器成像延迟时间指令；

B.控制记录仪接收到该命令字符后，先关闭红外LED光源，打开定时器，随即检测帧同步信号上升沿。

C.在检测到帧同步信号上升沿的同时，打开红外LED光源，令定时器计数值置零，记此时可为探测器采集图像积分的起始时刻t₁。启动图像采集和处理任务，图像压缩任务。对采集的每一帧图像进行分析，判断是否已成像，当图像目标区域的灰度均值大于阈值T时，说明成像完善。记录下采集的每一帧图像的帧尾时刻，并将这一帧图像发送给计算机。当判断到某一帧已成像后，该帧的帧尾时刻就是探测器成像的结束时刻t₂，则图像成像延迟时刻Δt＝t₂-t₁；

D.控制记录仪将包含有测试结果Δt的标识头数据包发送给计算机。计算机根据标识头识别出数据包后，解析数据，并将测试数据转化为以毫秒为单位的时间数据，并将测试结果发送到计算机，结束定时器。

4、计算机接收到数据包，解析出探测器成像延迟时间画图方法如下：

A.对当前接收到的n(n＞1)个数据，首先将接收到的数据存储在double型指针p指向的地址中；

B.找出double型指针数据中的最大值m_max和m_min最小值，方法如下：

C.计算m_max和m_min的差值Δm，图像曲线的横坐标为测试的次数n,纵坐标为测试的延迟时间数据，纵坐标起点为m_min，纵坐标最大值为m_max，计算Δm/20的值，若Δm/20小于数据精度，则纵坐标刻度单位为数据精度，若Δm/20大于数据精度，则纵坐标刻度单位为Δm/20。

D.在曲线图中，将前后接收到的数据用直线连接起来。

E.每接收一次数据则执行一次A、B、C、D。

5、当计算机向控制记录仪发送结束测试指令，控制记录仪停止测试且不再向计算机发送数据，计算测试数据的均值

本发明在成像判定时，采用了设置灰度阈值的方法，当当前图像目标区域的灰度均值大于阈值时，说明成像完成，在此介绍本发明中对灰度阈值设置的方法，如图6流程图所示，具体实现方式如下：

(1)输入一帧LED灯亮的图像f₀(x,y)；(2)计算图像f₀(x,y)的灰度均值T₀；(3)设置i＝0；(4)对图像f_i(x,y)使用阈值T_i进行分割，得到分割后图像f_i+1(x,y)，并计算图像f_i+1(x,y)非零区域的均值T_i+1；(5)判断图像目标是否分割完成：当T_i+1＝T_i时，分割完成，执行步骤(6)；否则分割未完成，则i++,并且执行步骤(4)；(6)标记图像f_i+1(x,y)的非零区域E，并得到T_height＝T_i+1；(7)输入一帧灯灭的图像f’(x,y)，并计算图像f’(x,y)对应非零区域E的灰度均值T_low；(8)得到成像判定阈值T＝(T_height+T_low)/2；

1、步骤(4)的图像分割表述如下：

输入图像为f_i，分割后的图像为f_i+1，x，y为图像水平方向和垂直方向上的坐标。

分割图像f_i+1的非零像素均值的计算方法为：

其中，s为图像f_i+1非零像素的个数。

2、步骤(7)计算图像f’(x,y)对应非零区域E的灰度均值T_low的方法为：

其中，s’为目标分割完毕图像f_i+1非零像素的个数。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种中波红外探测器成像延迟时间的测试系统，其特征在于：该系统包括控制器、控制记录仪、靶板、中波红外探测器；其中，所述控制器与控制记录仪通过连接，靶板的控制端口和探测器信号输出端口通过电缆连接到控制记录仪上。

2.根据权利要求1所述的一种中波红外探测器成像延迟时间的测试系统，其特征在于：所述控制器为便携式计算机。

3.根据权利要求2所述中波红外探测器成像延迟时间测试系统的测试方法，其特征在于，所述测试方法将采用靶板上电时刻记为t₁，靶板完成显示时刻记为t₂，单次测试的红外探测器成像延迟时间为Δt＝t₂-t₁；循环测试得到一组测试数据Δt_i，i＝1,2,3,4…n，计算均值作为红外探测器成像延迟时间。

4.根据权利要求3所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于，

该方法包括以下步骤：

1)计算机向控制记录仪发送启动设备命令，建立控制记录仪与便携式计算机之间的网络连接，检测整套设备工作状态，并将检测结果传回到计算机上；

2)将靶板放置于视场中心，在计算机上显示位置正确；

3)控制记录仪中DSP获取判定探测器成像是否完善的判定阈值T；

4)计算机向控制记录仪发送测试指令，控制记录仪给靶板上的中波红外LED光源通电，被测探测器图像开始积分的时刻作为红外探测器成像的起始时刻t₁，控制记录仪始终连续接收红外图像，并对图像进行处理，通过判定阈值T判定探测器成像完善的时刻为t₂，单次测试的红外探测器成像延迟时间为Δt＝t₂-t₁；

5)循环进行步骤4)，得到一组测试数据Δt_i，i＝1,2,3,4…n，并实时画图显示测试数据的动态变化；

6)便携式计算机发送结束测试指令，并计算一组测试数据的均值作为红外探测器成像延迟时间。

5.根据权利要求4所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

3.1)靶板处于正确位置后，计算机向控制记录仪发送指令，使控制记录仪获取当前环境下判定是否成像完善的阈值T；

3.2)控制记录仪接收到指令后，控制记录仪给红外LED光源上电，使LED灯处于工作状态；计算机根据红外探测器检测到的红外图像进行自适应二值分割，以及形态学处理，产生只有光源目标的二值图像；根据所述二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₁；

3.3)控制记录仪给红外LED灯断电，使LED灯处于非工作状态；根据二值图像作为目标标记图像，计算当前图像目标区域的灰度均值T₂；

3.4)根据步骤3.2)和步骤3.3)获取的均值T₁和T₂，取T₁和T₂的均值T作为探测器图像是否成像完成的判断阈值。

6.根据权利要求4所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于：所述步骤1)包含以下步骤：

1.1)计算机加载基于TCP/IP网络通信协议的套接字库，建立控制记录仪中DSP与计算机的网络实时通信，并在计算机上显示网络连接是否正常；

1.2)定义DSP中向PC机发送数据的数据格式data，，其中前部为int型的标识头flag，用于标识数据包类型；后部用于存储参数以及错误检查；

1.3)控制记录仪进行自检测，所述自检测内容包含针对红外LED光源和红外探测器输出信号是否工作正常进行检测两部分；

1.4)计算机中定义相同的数据结构，用以接收控制记录仪中DSP发送的数据data；

1.5)计算机对接收到数据进行分析处理并且判断红外LED光源和红外探测器输出信号是否正常，若设备自检通过，在计算机上显示自检测通过，若任何一项检测不通过，则计算机弹出相应检测失败的警告提醒。

7.根据权利要求4所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于：所述步骤2)包含以下步骤：

2.1)计算机向控制记录仪发送指令，使控制记录仪给红外LED灯上电，使靶板上的LED光源始终处于工作状态；

2.2)计算机对接收到的数据进行解码，得到红外图像；

2.3)对2.2)获取的红外图像进行自适应二值分割，并且形态学处理，产生只有光源目标的二值图像；

2.4)计算2.3)产生的二值图像的质心；

2.5)若质心在视场中心区域，则计算机上显示位置正确提醒；若质心不在视场中心区域，则提示靶板移动方向，将靶板移动到视场中心区域。

8.根据权利要求4所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于：所述步骤4)包含以下步骤：

4.1)计算机向控制记录仪发送测试探测器成像延迟时间指令；

4.2)控制记录仪接收到该命令后，使得红外LED光源处于非工作状态，然后设立定时器，同时检测帧同步信号上升沿；

4.3)在检测到帧同步信号上升沿的同时，控制记录仪给红外LED光源上电，令定时器计数值置零，记此时为成像的起始时刻t₁；启动图像采集、解压处理，记录下采集的每一帧图像的帧尾时刻，并将这一帧图像发送给计算机，对采集的每一帧图像进行分析，判断是否已成像完善；当图像目标区域的灰度均值大于阈值T时，说明成像完善；当判断到某一帧已成像完善后，该帧的帧尾时刻即是探测器成像的完善时刻t₂，则探测器成像延迟时刻Δt＝t₂-t₁；

4.4)控制记录仪将包含有测试结果Δt的标识的数据包发送给计算机。计算机根据标识头识别出数据包后，解析数据，并将测试数据转化为以毫秒为单位的时间数据，并将测试结果在计算机界面上实时显示，结束定时器。

9.根据权利要求4所述的中波红外探测器成像延迟时间的测试方法，其特征在于：所述步骤5)包含以下步骤：

5.1)控制记录仪每隔一定时间执行一次步骤4)，得到一次测试延迟时间数据，将数据发送至计算机，

5.2)计算机对接收的数据解析后获取测试的延迟时间数据，转化之后存储在double型指针中，并根据已有的数据画出探测器成像延迟时间的曲线图；

5.3)计算机向控制记录仪发送结束测试的指令，控制记录仪中DSP接收指令后停止测试；计算机将指针所指向的数据存储在指令位置的计算机硬盘中，存储格式为txt格式。