CN109341864B - 一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 - Google Patents
一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109341864B CN109341864B CN201811240511.5A CN201811240511A CN109341864B CN 109341864 B CN109341864 B CN 109341864B CN 201811240511 A CN201811240511 A CN 201811240511A CN 109341864 B CN109341864 B CN 109341864B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- infrared
- calibration
- correction
- focal plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 83
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 57
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 54
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims description 21
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 15
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/80—Calibration
Abstract
一种轻小型宽动态范围空间红外定量测量装置，包括光学系统、红外探测器、非均匀校正机构、图像预处理电路和信息处理机。光学系统收集来自目标和背景的红外辐射，汇聚到红外探测器上；红外探测器将光信号转换为模拟电信号，输出给图像预处理电路；图像预处理电路将模拟电信号转化为数字信号，控制非均匀校正机构运动完成系统非均匀校正，得到校正后的数字图像输出给信息处理机；非均匀校正机构为系统非均匀校正提供均匀场景；信息处理机对获得的数字图像进行红外辐射定量计算和修正，并向外输出。本发明装置实现了对空间目标红外辐射定量测量，且具有测量动态范围宽，测温精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，属于光电探测与特性测量技术领域。
背景技术
红外定量测量的基本原理是：光学系统接收来自目标和背景的红外辐射，并汇聚到红外探测器焦平面上，红外探测器将光信号转换为模拟电信号，经由图像预处理电路读出、校正后输出数字图像。通过建立数字图像和目标红外辐射量之间的对应关系，对测量的红外图像进行反演处理，获得目标和背景的辐射特性信息。红外热像仪是红外定量测量技术的最典型应用，在民用、科研和军事领域已经十分普遍，但是，空间环境下直接对空间目标红外特性进行测量的应用尚未查到相关的文献。
空间环境下红外定量测量装置面临的问题包括：
1)测量装置在空间释放后，环境压力、温度迅速变化导致系统定量测量结果偏差；
2)传统红外辐射标定方法(温箱法)难以避免大气和周围环境辐射干扰，导致空间定量测量结果偏差；
3)空间测量无法根据目标实测数据调整测量装置工作参数，无法适应宽温度范围目标定量测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有手段的不足，提供一种能够适应空间飞行环境的轻小型宽动态空间红外定量测量装置，实现空间环境下对空间目标红外特性直接定量测量，且具有测量动态范围宽，测温精度高的特点。
本发明的技术方案是：
一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，包括光学系统、红外探测器、非均匀校正机构、图像预处理电路和信息处理机，所述空间红外定量测量装置工作在大气层外空间环境下；
光学系统：收集来自目标和背景的红外辐射，并汇聚到红外探测器上；
红外探测器：将光信号转换为模拟电信号，并输出给图像预处理电路；
图像预处理电路：将模拟电信号转化为数字信号，在测量过程中控制非均匀校正机构运动，完成系统非均匀校正，得到校正后的数字图像，输出给信息处理机；
非均匀校正机构：在图像预处理电路控制下动作，为系统非均匀校正提供均匀场景；
信息处理机：对获得的数字图像进行红外辐射定量计算，并采集红外探测器焦平面和光学系统温度，对计算得到的红外辐射特性进行修正，并向外输出。
非均匀校正机构包括真空电机、非均匀校正挡板和扭簧，真空电机控制端与图像预处理电路连接，驱动端与扭簧连接，扭簧与非均匀校正挡板固连；真空电机在图像预处理电路的控制下转动，通过扭簧控制非均匀校正挡板实现开关动作。
所述红外探测器焦平面和光学系统上均设置有温度传感器，实时监测温度，并将红外探测器焦平面和光学系统的温度实时反馈给信息处理机。
所述信息处理机采用动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法对获得的数字图像进行红外辐射定量计算和修正。
所述动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法，步骤如下：
1)基于黑体标定的红外辐射标定：
将高温黑体和空间红外定量测量装置放置在温箱中，在-10℃～60℃范围内每间隔10℃设置一个标定点，每个标定点采集不同黑体温度下的图像数据，黑体温度以20℃为间隔；
2)每个标定点得到一条灰度—黑体温度的标定曲线，最终得到若干条不同焦平面温度下的标定曲线；
3)实际空间测温时，根据红外探测器焦平面和光学系统的温度选择最邻近的两条标定曲线进行线性插值，计算得到对应焦平面温度下的标定曲线；
4)使用二次多项式拟合出步骤3)标定曲线的数学方程，利用该数学方程，根据实际场景的灰度值反演计算得到其温度值。
在步骤1)标定时，对固定温度的黑体采集开机后200s的图像数据、光学系统温度、红外探测器焦平面温度，对黑体温度、光学系统与红外探测器焦平面温差两个变量进行线性拟合，用得到的斜率对步骤2)的标定曲线进行修正。
在大气层外空间应用前，所述空间红外定量测量装置需置于模拟空间环境下完成红外辐射定标，以剔除大气和周围环境辐射。
图像预处理电路采用基于积分时间轮换的非均匀性校正算法完成系统非均匀校正，所述基于积分时间轮换的非均匀性校正算法步骤如下：
1)根据所要观测的目标动态温度范围，设计合适的档位和每一档积分时间对应的数值，使得所有档位的积分时间能够覆盖目标的动态温度范围；
2)根据不同档位的积分时间，预先为每个档位装订相应的增益校正参数K；
3)进行单点补偿时，根据不同档位的积分时间及相对应的增益校正参数生成每个档位的偏置校正参数B；
4)实际工作时，对红外探测器进行不同档位积分时间的轮换设置，同时提取每个档位的增益校正参数K和偏置校正参数B进行非均匀性校正，输出校正后的数字图像。
红外探测器采用非制冷红外探测器。
光学系统采用无热化设计。
本发明的装置可以可靠工作在大气层外空间环境下，对空间目标红外辐射特性进行定量测量，与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的装置采用一种动态插值与曲线拟合相结合的算法，能够有效避免环境压力、温度迅速变化引起的定量测量偏差，提高定量测量准确性和精度。
(2)本发明的装置采用模拟空间环境下辐射定标方法，有效避免大气及周围环境干扰，提高定量测量精度。
(3)本发明采用积分时间轮换的空间在线非均匀校正方法，解决了单积分时间动态响应范围窄的问题，满足了宽温度范围的目标测温要求，可适应宽动态范围红外定量测量能力。
(4)本发明采用非制冷红外探测器，装置具有体积小、重量轻、成本低的特点。
(5)本发明真空电机控制端与图像预处理电路连接，在图像预处理电路的控制下转动，通过扭簧控制非均匀校正挡板实现开关动作，实现空间在线实时非均匀校正。
附图说明
图1为本发明空间红外测量装置示意图；
图2为光学系统成像光路图；
图3为图像预处理电路的硬件框图；
图4为不同焦平面温度下的标定曲线；
图5为测量温度随开机时间变化曲线；
图6为焦平面温度随开机时间变化曲线；
图7为测量温度值随焦平面、镜头温度的差值变化曲线。
具体实施方式
本发明提出一种轻小型宽动态范围空间红外定量测量装置，工作在大气层外空间环境下，实现空间环境下直接对空间目标红外定量测量。
如图1所示，本发明测量装置包括光学系统、红外探测器、非均匀校正机构、图像预处理电路和信息处理机。
光学系统收集来自目标和背景的红外辐射，并汇聚到红外探测器焦平面上。
红外探测器将光信号转换为模拟电信号，并输出给图像预处理电路。
红外探测器焦平面和光学系统上均设置有温度传感器，实时监测温度，并将红外探测器焦平面和光学系统的温度实时反馈给信息处理机。
图像预处理电路将模拟电信号转化为数字信号，在测量过程中控制积分时间参数轮换设置，控制非均匀校正机构运动，完成系统非均匀校正，得到校正后的数字图像，输出给信息处理机。
非均匀校正机构在图像预处理电路控制下动作，为系统非均匀校正提供均匀场景。
信息处理机对获得的数字图像进行红外辐射定量计算，并采集红外探测器焦平面和光学系统温度，对计算得到的红外辐射特性进行修正，并向外输出。具体地，信息处理机采用动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法对获得的数字图像进行红外辐射定量计算和修正，保证装置在空间环境中焦平面温度和光学镜头温度变化情况下的测温精度。
下面对本发明的各个组成结构进行具体介绍：
1、光学系统
光学系统采用一次成像方式，具体成像光路图如图2所示。
光学系统由光学窗口与四片透镜组成。透镜材料为硒化锌ZnSe、硫化锌ZnS、锗Ge与进口砷硒锗IG6。光学系统中使用了两个非球面及一个非球面基底上的衍射面。光学系统设计波段为8μm～14μm，中心波长λ0＝11μm，设计F/#等于1.5，半视场角为13.4°，对应焦距28.5mm。温度变化时，依靠光学材料和机械材料本身的热特性实现无热化。
光学镜头的F数是焦距与口径之比，为了与红外探测器的F数相匹配，非制冷光学镜头的F数通常设计为1～1.2。本发明设计时将镜头F数增大到了1.5，大的F数可以减小镜头的口径，减少系统接收到的红外辐射能量，有利于解决高温目标带来的红外探测器饱和问题。
2、非均匀校正机构
非均匀校正机构包括真空电机、非均匀校正挡板和扭簧，真空电机控制端与图像预处理电路连接，驱动端与扭簧连接，扭簧与非均匀校正挡板固连，主要完成非均匀校正挡板的回位，保证挡板工作完成后恢复原始位置，使挡板在不工作时达到稳定状态。真空电机选用能够在低气压条件使用的直流电机，在图像预处理电路的控制下转动，通过扭簧控制非均匀校正挡板实现开关动作，实现空间在线实时非均匀校正。
3、红外探测器
为适应空间测量时承载平台体积、重量的限制，本发明选用17μm像元尺寸的UL04272非制冷红外探测器。
4、图像预处理电路功能上分为探测器接口电路、采样及处理电路和电源电路。每个电路的电路板尺寸均为38mm×38mm，板厚2mm。
探测器接口电路：为红外探测器提供结构及电气接口。为红外探测器提供偏置电压，调理红外探测器输出的模拟电信号，将模拟电信号转化为数字信号。
采样及处理电路：为红外探测器提供驱动时序、完成红外探测器模拟电信号和温度信号的采样，控制非均匀性校正机构动作。
电源电路：为内部各模块提供电源，提供对外接口。
图像预处理电路采用带软核的FPGA实现，图3为图像预处理电路的硬件框图。红外探测器输出的模拟电信号经调理后由14bit差分A/D芯片转换成数字信号，该数字信号(25Hz)以数据流形式进入FPGA等待进一步的处理，数字图像处理部分由FPGA、外扩SDRAM和FLASH核心器件构成。系统上电后，FPGA首先将FLASH中预存的校正数据读取到外扩的SDRAM中，使用时再进行单点校正。校正后图像由LVDS数字口和PAL视频模拟口输出到后端。FPGA对SDRAM、FLASH操作及串口通信功能均由NIOS II软核完成。
5、非均匀性校正算法
图像预处理电路采用基于积分时间轮换的非均匀性校正算法完成系统非均匀校正。
传统的非均匀性校正算法：
目前，非制冷红外成像器非均匀性校正方法的线性模型主要有两种，分别由公式(1)和公式(2)给出。应用公式(1)进行的非均匀性校正方法称作两点校正方法，应用公式(2)进行的非均匀性校正方法称为单点校正。
Yij(φ)＝KijXij(φ)+Bij (1)
Yij(φ)＝Xij(φ)+Bij (2)
式中：i,j分别为像素所处图像中行数和列数；
Xij(φ)为校正前第i行第j列像素值；
Yij(φ)为校正后第i行第j列像素值；
Kij、Bij分别为增益校正参数和偏置校正参数。
两点校正的增益校正参数K需要预先装订，实际使用时利用挡板遮挡探测器产生均匀场景，生成偏置校正参数B。
由于红外探测器自身特性的限制，在固定条件下其能观测的目标的动态范围是一定的，而本发明所要观测的目标的动态范围则超过了红外探测器所能观测的固有的动态范围，因此传统的两点加单点的非均匀性校正方法难以满足使用需求，为了解决此问题，本发明创新的提出了一种基于积分时间轮换的非均匀性校正算法。其步骤如下：
(1)根据所要观测的目标的动态范围，设计合适的档位和每一档积分时间对应的数值，使得所有档位的积分时间能够覆盖目标的动态温度范围，以获得目标全动态范围内的满足非均匀性要求的红外图像；
(2)根据不同档位的积分时间，预先为每个档位装订相应的增益校正参数K；
(3)进行单点补偿时，根据不同的积分时间及相对应的增益校正参数生成相应的偏置校正参数B；
(4)实际工作时，对红外探测器进行不同积分时间的轮换设置，同时提取相对应的增益校正参数K和偏置校正参数B进行非均匀性校正，输出校正后的红外图像，为后续的观测及测温使用。
6、动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法
采用基于黑体标定的红外辐射测温法进行红外图像的温度反演，主要包含两部分：基于黑体标定的红外辐射标定和测温算法。
基于黑体标定的红外辐射标定目的是获取红外成像系统输出与黑体辐射间的关系。在光学镜头上加装温度传感器，实时监控光学镜头温度和探测器焦平面温度，试验采集不同温度点处红外成像器的输出灰度值，通过曲线拟合和线性插值的方法计算出光学镜头温度和焦平面温度对输出灰度值变化的影响，可以降低焦平面温度和镜头温度变化导致的系统输出不稳定性，从而实现高精度的辐射标定。
测温算法的基本流程为：将红外成像器的辐射标定数据拟合为最接近的曲线方程，测温时根据曲线方程将系统的输出解算为温度值。选择适合红外探测器响应模型的拟合曲线形式是提高测温精度的关键。通过研究非制冷红外探测器的响应曲线特性，使用多项式进行曲线拟合，再通过温度与灰度的对应关系进行反演计算实现测温。
难点在于：利用红外成像器拍摄的红外图像来准确的计算目标温度，精确测温就需要准确的对黑体温度进行标定并选择合适的反演算法，来达到通过已知的离散温度点的红外图像亮度计算图像中任意点的红外辐射温度的目的。基于黑体的辐射标定是最为基础也是最关键的过程，其目的是获取红外成像系统输出与黑体辐射间的关系，标定精度直接影响测温精度。红外辐射标定技术的难点在于：
(1)红外探测器焦平面温度影响标定精度
与制冷型红外探测器不同，非制冷红外探测器没有杜瓦结构和温控模块，焦平面温度会随周围环境和工作时间变化，导致输出不稳定，影响标定精度。
(2)光学镜头温度影响标定精度
红外成像系统的输出不仅受红外探测器自身影响，还受到光学镜头自身辐射影响，光学镜头温度的变化也会导致系统输出不稳定，降低系统的标定精度。
针对以上技术难点，采用在光学镜头上加装温度传感器的方法，实时监控光学镜头温度和探测器焦平面温度，通过试验采集不同温度点处红外成像器的输出灰度值，通过曲线拟合和插值的方法计算出光学镜头温度和焦平面温度对输出灰度值变化的影响，可大幅降低焦平面温度和镜头温度变化导致的系统输出不稳定性。
具体地，本发明动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法，步骤如下：
1)基于黑体标定的红外辐射标定：
将高温黑体和空间红外定量测量装置放置在温箱中，在-10℃～60℃范围内每间隔5℃设置一个标定点，每个标定点采集不同黑体温度下的图像数据，黑体温度以20℃为间隔；
2)每个标定点得到一条灰度—黑体温度的标定曲线，最终得到若干条不同焦平面温度下的标定曲线；
3)实际空间测温时，根据红外探测器焦平面和光学系统的温度选择最邻近的三条标定曲线进行线性插值，计算得到对应焦平面温度下的标定曲线；光学系统温度即为温箱温度。
4)使用二次多项式拟合出步骤3)标定曲线的数学方程，利用该数学方程，根据实际场景的灰度值反演计算得到其温度值。
具体地，使用非制冷长波红外成像器进行辐射标定，红外探测器型号为ULIS公司的UL04272，工作波段为8μm～14μm，视场为21.6o×16.3。黑体使用HGH公司ECN100-N6型，最大温度范围50℃～300℃。标定时成像系统在1m远处对黑体成像，此距离下可避免高温黑体对成像器工作温度的影响且可忽略大气透过率的影响。
以常温温度段为例，验证上述标定方法和测温算法的精度。温箱温度分别设置为5℃、15℃和25℃，得到了焦平面温度4℃、8.5℃、12.5℃、18.5℃、23.5℃、28℃和32.5℃下的标定曲线，黑体温度范围50℃～230℃，间隔20℃。图4为得到的标定曲线。
标定完成后，对测温精度进行了验证，采集了焦平面温度30℃(非标定点)时采集了不同黑体温度的图像数据，测温精度如表1所示。
表1测温精度
可以看出，本发明方法在成像器工作状态稳定时，测温精度可以达到±2℃或±2％的精度。
上述方法仅解决了探测器焦平面温度对辐射标定的影响，只适用于成像器工作状态稳定(焦平面温度与镜头温度相对稳定)时测温的情况。但实际应用时，成像器上电5s后就开始采集红外图像数据，到200s左右工作结束，整个过程中焦平面温度上升较快，而镜头温度变化不大，成像器未达到稳定状态，无法保证全过程的测温精度。
因此，本发明在步骤1)标定时，对固定温度的黑体采集开机后200s的图像数据、光学系统温度、红外探测器焦平面温度，对黑体温度、光学系统与红外探测器焦平面温差两个变量进行线性拟合，用得到的斜率对步骤2)的标定曲线进行修正。
以黑体60℃，环境温度25℃为例，表2列出了从开机至200s成像器的镜头温度、焦平面温度的变化情况以及对60℃黑体的测量温度值。整个过程中镜头温度仅升高了0.12℃，焦平面温度升高了1.99℃，焦平面与镜头的温差从1.48℃升高至3.35℃，对60℃黑体的测量温误差由+8℃逐渐变化至-7.7℃。图5和图6分别给出了测量温度和焦平面温度随开机时间的曲线关系。
表2镜头温度、焦平面温度及测量温度随开机时间变化
| 开机时间(s) | 镜头温度(℃) | 焦平面温度(℃) | 温差(℃) | 测量温度值(℃) | 测量误差(℃) |
| 5 | 24.94 | 26.42 | 1.48 | 68 | 8 |
| 9 | 24.94 | 26.6 | 1.66 | 66.4 | 6.4 |
| 12 | 24.94 | 26.74 | 1.8 | 65.4 | 5.4 |
| 15 | 24.94 | 26.83 | 1.89 | 64.7 | 4.7 |
| 18 | 24.94 | 26.92 | 1.98 | 64 | 4 |
| 21 | 24.94 | 26.99 | 2.05 | 63.4 | 3.4 |
| 24 | 24.94 | 27.09 | 2.15 | 62.7 | 2.7 |
| 27 | 24.94 | 27.16 | 2.22 | 62 | 2 |
| 31 | 24.94 | 27.23 | 2.29 | 61.4 | 1.4 |
| 33 | 24.94 | 27.29 | 2.35 | 60.9 | 0.9 |
| 36 | 24.94 | 27.34 | 2.4 | 60.4 | 0.4 |
| 41 | 24.94 | 27.42 | 2.48 | 59.6 | -0.4 |
| 46 | 24.94 | 27.5 | 2.56 | 58.9 | -1.1 |
| 52 | 24.94 | 27.59 | 2.65 | 58.2 | -1.8 |
| 59 | 24.94 | 27.67 | 2.73 | 57.4 | -2.6 |
| 70 | 24.94 | 27.79 | 2.85 | 56.6 | -3.4 |
| 79 | 24.94 | 27.87 | 2.93 | 56 | -4 |
| 94 | 24.94 | 28 | 3.06 | 55.4 | -4.6 |
| 107 | 25 | 28.06 | 3.06 | 54.6 | -5.4 |
| 119 | 25 | 28.13 | 3.13 | 54.1 | -5.9 |
| 146 | 25 | 28.25 | 3.25 | 53.3 | -6.7 |
| 174 | 25.06 | 28.35 | 3.29 | 52.6 | -7.4 |
| 201 | 25.06 | 28.41 | 3.35 | 52.3 | -7.7 |
开机后200s内镜头与焦平面温升情况不同导致成像器的使用状态与标定状态不一致，是造成上述测温误差的主要原因。开机的前40s，镜头温度较标定时的状态偏高，成像器的响应灰度值也偏高，导致测量温度值较实际值偏高；开机约40s时，成像器使用状态与标定状态一致，测量温度值最接近实际值；开机40s至200s，镜头温度较标定时的状态偏低，成像器的响应灰度值也偏低，导致测量温度值较实际值偏低。
图7给出了测量温度值随焦平面温度与镜头温度的差值的变化关系，图中圈标示出了明显奇异点，这两个奇异处是由于镜头测温传感器与焦平面测温传感器精度不同导致的(镜头温度精度0.06℃，焦平面温度精度为0.01℃)。可以看出在比较窄的温度范围内测量温度与焦平面、镜头温度的差值成近似线性关系。
因此，本发明在标定时对固定温度的黑体采集开机前200s的图像数据、镜头温度、焦平面温度等数据信息，对测量温度、镜头与焦平面温差两个变量进行线性拟合，用得到的斜率对数据进行修正，得到较精确的测温结果。
经验证，进行镜头温度修正后，在开机后的任意时间均可以满足±2℃或±2％的测温精度。
另外，在大气层外空间应用前，本发明空间红外定量测量装置需置于模拟空间环境下完成红外辐射定标，以剔除大气和周围环境辐射，进一步提高测量精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：包括光学系统、红外探测器、非均匀校正机构、图像预处理电路和信息处理机，所述空间红外定量测量装置工作在大气层外空间环境下；
光学系统：收集来自目标和背景的红外辐射，并汇聚到红外探测器上；
红外探测器：将光信号转换为模拟电信号，并输出给图像预处理电路；
图像预处理电路：将模拟电信号转化为数字信号，在测量过程中控制非均匀校正机构运动，完成系统非均匀校正，得到校正后的数字图像，输出给信息处理机；
非均匀校正机构：在图像预处理电路控制下动作，为系统非均匀校正提供均匀场景；
非均匀校正机构包括真空电机、非均匀校正挡板和扭簧，真空电机控制端与图像预处理电路连接，驱动端与扭簧连接，扭簧与非均匀校正挡板固连；真空电机在图像预处理电路的控制下转动，通过扭簧控制非均匀校正挡板实现开关动作；
信息处理机：对获得的数字图像进行红外辐射定量计算，并采集红外探测器焦平面和光学系统温度，对计算得到的红外辐射特性进行修正，并向外输出。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：所述红外探测器焦平面和光学系统上均设置有温度传感器，实时监测温度，并将红外探测器焦平面和光学系统的温度实时反馈给信息处理机。
3.根据权利要求2所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：所述信息处理机采用动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法对获得的数字图像进行红外辐射定量计算和修正：
所述动态插值与曲线拟合相结合的红外辐射定量反演算法，步骤如下：
1)基于黑体标定的红外辐射标定：
将高温黑体和空间红外定量测量装置放置在温箱中，在-10℃～60℃范围内每间隔10℃设置一个标定点，每个标定点采集不同黑体温度下的图像数据，黑体温度以20℃为间隔；
2)每个标定点得到一条灰度—黑体温度的标定曲线，最终得到若干条不同焦平面温度下的标定曲线；
3)实际空间测温时，根据红外探测器焦平面和光学系统的温度选择最邻近的两条标定曲线进行线性插值，计算得到对应焦平面温度下的标定曲线；
4)使用二次多项式拟合出步骤3)标定曲线的数学方程，利用该数学方程，根据实际场景的灰度值反演计算得到其温度值。
4.根据权利要求3所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：在步骤1)标定时，对固定温度的黑体采集开机后200s的图像数据、光学系统温度、红外探测器焦平面温度，对黑体温度、光学系统与红外探测器焦平面温差两个变量进行线性拟合，用得到的斜率对步骤2)的标定曲线进行修正。
5.根据权利要求1所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：在大气层外空间应用前，所述空间红外定量测量装置需置于模拟空间环境下完成红外辐射定标，以剔除大气和周围环境辐射。
6.根据权利要求1所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：图像预处理电路采用基于积分时间轮换的非均匀性校正算法完成系统非均匀校正，所述基于积分时间轮换的非均匀性校正算法步骤如下：
1)根据所要观测的目标动态温度范围，设计合适的档位和每一档积分时间对应的数值，使得所有档位的积分时间能够覆盖目标的动态温度范围；
2)根据不同档位的积分时间，预先为每个档位装订相应的增益校正参数K；
3)进行单点补偿时，根据不同档位的积分时间及相对应的增益校正参数生成每个档位的偏置校正参数B；
4)实际工作时，对红外探测器进行不同档位积分时间的轮换设置，同时提取每个档位的增益校正参数K和偏置校正参数B进行非均匀性校正，输出校正后的数字图像。
7.根据权利要求1所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：红外探测器采用非制冷红外探测器。
8.根据权利要求1所述的一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置，其特征在于：光学系统采用无热化设计。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811240511.5A CN109341864B (zh) | 2018-10-24 | 2018-10-24 | 一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811240511.5A CN109341864B (zh) | 2018-10-24 | 2018-10-24 | 一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109341864A CN109341864A (zh) | 2019-02-15 |
| CN109341864B true CN109341864B (zh) | 2020-04-10 |
Family
ID=65311672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811240511.5A Active CN109341864B (zh) | 2018-10-24 | 2018-10-24 | 一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109341864B (zh) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109870239B (zh) * | 2019-03-12 | 2020-04-07 | 北京环境特性研究所 | 非制冷红外焦平面探测器自适应定标方法 |
| CN109870240A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-11 | 北京环境特性研究所 | 具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统 |
| CN111721418B (zh) * | 2019-03-20 | 2021-08-27 | 北京振兴计量测试研究所 | 空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统 |
| CN110418060B (zh) * | 2019-08-05 | 2021-06-08 | 苏州中科全象智能科技有限公司 | 一种高速相机的图像校正方法及系统 |
| CN110595626A (zh) * | 2019-09-18 | 2019-12-20 | 深圳市一体医疗科技有限公司 | 一种红外探测器系统及成像方法 |
| CN110852976B (zh) * | 2019-11-22 | 2023-04-18 | 昆明物理研究所 | 一种红外图像明暗不均匀校正方法及计算机程序产品 |
| CN111024237A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-17 | 天津津航技术物理研究所 | 非接触式宽温差红外温度测量方法 |
| CN111024238B (zh) * | 2019-11-28 | 2021-10-15 | 天津津航技术物理研究所 | 非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法 |
| CN111044156B (zh) * | 2019-12-13 | 2021-04-02 | 上海交通大学 | 一种光学快门式非调制红外测温系统及方法 |
| CN111664944B (zh) * | 2020-06-16 | 2022-10-18 | 上海乂义实业有限公司 | 一种基于微扫描平台的稳像、非均匀校正及超分辨系统 |
| CN111780876B (zh) * | 2020-06-30 | 2023-12-01 | 平安国际智慧城市科技股份有限公司 | 温度测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质 |
| CN112033546A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-12-04 | 北京遥感设备研究所 | 一种用于体温筛查系统的制冷红外热像仪 |
| CN112229521B (zh) * | 2020-09-29 | 2022-02-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种具有温度自校正的红外探测器电子学系统及校正方法 |
| CN112903109A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-06-04 | 中科和光（天津）应用激光技术研究所有限公司 | 基于红外图像的工业测温成像设备及其图像处理方法 |
| CN112964372B (zh) * | 2021-02-05 | 2023-04-07 | 黑龙江迅锐科技有限公司 | 一种新型红外测温装置及测温方法 |
| CN113701899B (zh) * | 2021-09-27 | 2023-06-23 | 西安中科立德红外科技有限公司 | 一种非制冷红外热像仪及获取温度信息的方法 |
| CN114076888A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-22 | 北京芯同汇科技有限公司 | 电路板辐射场频谱分量测量装置及电路板运行检测方法 |
| CN114441043B (zh) * | 2022-01-21 | 2022-10-04 | 武汉新朗光电科技有限公司 | 非制冷红外测温仪的温度修正方法、测温仪 |
| JP7318049B1 (ja) | 2022-03-31 | 2023-07-31 | 國家中山科學研究院 | 感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE0600574L (sv) * | 2006-03-16 | 2007-09-04 | Flir Systems Ab | Metod för korrektion av olikheter hos detektorelement ingående i en IR-detektor |
| CN102338665B (zh) * | 2011-06-10 | 2013-03-20 | 中国船舶重工集团公司第七一七研究所 | 一种红外热像仪及其用于探测红外物像的方法 |
| CN104702862B (zh) * | 2014-02-24 | 2018-05-11 | 杭州海康威视数字技术股份有限公司 | 一种红外热成像设备 |
| CN107741279A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-02-27 | 北京遥感设备研究所 | 一种非制冷红外探测器的两点校正方法 |
-
2018
- 2018-10-24 CN CN201811240511.5A patent/CN109341864B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109341864A (zh) | 2019-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109341864B (zh) | 一种轻小型宽动态空间红外定量测量装置 | |
| CN107677375B (zh) | 一种红外辐射测量系统定标装置及定标方法 | |
| CN103528694B (zh) | 一种用红外热像仪测量目标物体的温度的方法 | |
| CN111272290B (zh) | 基于深度神经网络的测温红外热像仪标定方法及装置 | |
| CN109813438B (zh) | 傅里叶变换红外光谱仪在轨辐射非线性定标方法 | |
| CN101183026A (zh) | 一种红外测温在线自校准装置及其方法 | |
| CN111256835B (zh) | 超参数多项式物理模型的测温红外热像仪标定方法及装置 | |
| CN111024238A (zh) | 非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法 | |
| CN112393808B (zh) | 一种热敏相机温度补偿方法和系统 | |
| Zhang et al. | A method for improving temperature measurement precision on the uncooled infrared thermal imager | |
| CN109540297B (zh) | 基于fpa温度的红外热像仪标定方法 | |
| CN105890873A (zh) | 一种热红外高光谱成像仪盲元检测的装置和方法 | |
| CN111044153B (zh) | 一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置 | |
| CN110361094B (zh) | 凝视型焦平面阵列的非均匀性校正方法及装置 | |
| CN111609937B (zh) | 一种红外热像仪外场标定方法及装置 | |
| CN110146173B (zh) | 基于红外测温技术的测温一致性校验方法 | |
| JP6769838B2 (ja) | ゲイン正規化 | |
| CN101852650B (zh) | 提高红外热像仪测温均匀性的装置及方法 | |
| CN113970374A (zh) | 一种分焦平面偏振探测系统定标方法 | |
| CN111595458B (zh) | 红外热像仪辐射定标方法和装置 | |
| CN112129420B (zh) | 一种小面元黑体扩束定标方法及系统 | |
| RU132887U1 (ru) | Прибор ориентации по земле на основе микроболометрической матрицы | |
| Bieszczad et al. | Thermal camera for autonomous mobile platforms | |
| CN111598815A (zh) | 一种红外热像仪图像非均匀校正方法及装置 | |
| Zhou et al. | Realized multipoint method for real-time correction of nonuniformity of uncooled IRFPA |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |