CN109459147A - 空间模拟环境下热像仪在线标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间模拟环境下热像仪在线标校方法，设置一空间模拟容器，黑体作为标校装置置于空间模拟容器内壁与热沉的夹层中，和/或者在空间模拟容器内部，测试目标也置于空间模拟容器中，热像仪置于空间模拟容器外或内，热像仪与黑体之间相对位置可调，通过采集黑体的图像实时在线标校热像仪。本发明能够在一次试验中灵活移入、移出标校装置，可实现在同一试验场对热像仪在内或在外两种情况的标定和对目标的测量，测量误差小。

Description

空间模拟环境下热像仪在线标校方法

技术领域

本发明涉及空间目标地面测试技术，尤其涉及一种空间目标地面模拟试验中热像仪实时在线标校方法。

背景技术

空间目标地面环境模拟试验是一个时间很长的过程，红外热像仪在该环境下测试时，一次标定往往不能满足精度要求。

因此开展地面光学特性测量试验时，需要为红外测量设备配备辐射标校装置。目前关于标校设备，国内以往真空低温环境下的标校装置，普遍是安装在固定位置，为某一特定设备进行标校，或者多台测量设备在试验前移到该固定位置进行标校，而无法在一次试验过程中不改变测量光路条件下对多台测量设备同时标校，更无法同时兼顾容器内、外标校，并且装置多数不具备-100℃以下低温标校能力，或者具备低温能力的又不能兼顾100℃以上高温标校。

并且传统的采用试验前后离线标定的方法，所产生的误差也很大。目前用于目标辐射测量的热像仪布置有两种方式，一种是布置在空间模拟容器外，通过罐壁上的窗口观测目标，由于窗口玻璃的自身辐射和对环境的反射，引起了很大测量误差，即便是用外部黑体对设备进行了标定，也无法消除窗口的影响，尤其是对低温目标的测量，这个影响已经大于目标辐射量。第二种情况是，试验前后在罐外对设备进行标定，然后将测量设备布置在空间模拟容器内，由于测量过程中设备处于真空冷环境下，设备的工作温度远远低于标定时的温度，而工作温度对测量结果的影响很大，所以会造成很大得测量误差。

另外，热像仪图像的非均匀性校正多采用自带标准板或者外部标准板的方法，但真空低温环境下标准板温度很低，甚至低于热像仪可测量的温度，已经不能用于非均匀性校正。

总之，测量设备在特定环境下的自身失效问题，以及环境变化带来的采集数据不准确问题，都是目前面临的问题。

发明内容

为了提高低温真空环境下的热像仪的测量精度，本发明提出了一种空间目标红外辐射模拟试验热像仪在线标校方法。该方法利用真空低温黑体实现了图像在线非均匀性校正和设备的在线标定。将黑体置于空间模拟容器内热像仪可观测到的位置，黑体和热像仪相对位置可调，不影响热像仪对目标的测量，同时，黑体辐射面充满热像仪的视场满足非均匀性校正的需要。

本发明采取的技术方案如下：一种空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：设置一空间模拟容器，采用黑体作为标校装置对所述热像仪在线标校，热像仪置于所述空间模拟容器外或内，所述黑体设置在空间模拟容器内壁与热沉之间的夹层中，和/或所述空间模拟容器内部，当所述热像仪置于所述空间模拟容器外部时，所述黑体对应设置在所述空间模拟容器内壁与热沉之间的夹层中，当所述热像仪置于所述空间模拟容器内部时，所述黑体对应设置在所述空间模拟容器内部；所述热像仪与黑体之间相对位置可调，所述热像仪通过采集所述黑体的图像实时在线标校。

进一步地：所述热像仪置于所述空间模拟容器外时，在所述空间模拟容器上开设测量窗口，所述热像仪通过测量窗口采集黑体和测试目标的图像；所述热像仪置于所述空间模拟容器内时，所述热像仪直接采集黑体和测试目标的图像。

进一步地：所述热像仪与所述黑体之间通过移动旋转装置调整相对位置。

进一步地：所述移动旋转装置上设置所述热像仪，或黑体。

进一步地：设置黑体的所述移动旋转装置能够带动所述黑体在空间模拟容器内壁与热沉的夹层中移动，和/或在空间模拟容器内部移动，所述移动旋转机构包括直线驱动电机、旋转驱动电机、减速机、导轨、导轨滑块、丝杆、螺套、载物转盘，直线驱动电机通过减速机驱动连接丝杆，丝杆上套设螺套，螺套上承载载物转盘，丝杆安装在两根导轨中间，与两根导轨平行，载物转盘通过导轨滑块支撑在导轨上；直线驱动电机带动丝杆转动，丝杆带动螺套转动，螺套带动载物转盘在导轨上水平移动，载物转盘上安装黑体，转盘下部安装旋转驱动电机，电机带动转盘产生旋转运动。

进一步地：标校时所述黑体位于所述热像仪的测量光路上，测量测试目标时所述黑体移出所述光路。

进一步地：所述标校包括两方面内容：一是图像非均匀性修正，一是热像仪的定量标定，先做图像非均匀性修正，再做定量标定，均采用所述黑体标校。

进一步地：在做图像非均匀性修正时，所述热像仪到黑体距离应满足L＜(r-d)/tan(a/2),r为黑体辐射半径，d为热像仪镜头半径，a为热像仪视场角。

进一步地：所述图像非均匀性修正，包括黑亮随机噪声的去除和局部响应不均匀性修正，其中，所述黑亮随机噪声的去除采用基于歧异点检测替换的方法将歧异点去除，所述局部响应不均匀性修正采用单点非均性修正，或两点非均性修正，或多点非均性修正。

进一步地：所述定量标定的步骤是：

1)在模拟试验环境建立后，设定环境温度为T1，启动各装置，将黑体移动到热像仪测量光路上，使热像仪满视场拍摄到所述黑体辐射场图像，记录此温度时的像素值；

2)然后改变环境温度，设定为T2，同样拍摄下此温度下的图像，记录此时的像素值；

3)然后热像仪根据采集的温度值以及对应的像素值，建立温度与像素的在T1-T2温度区间内的标定曲线，至此关于该场景、该温度区间下的标定完成。

进一步地：至少对两个温度值进行标定，且每个温度值由多个传感器测量取平均值。

进一步地：标定完成后，将黑体移出热像仪的拍摄视野，在标定的温度区间内随意调整模拟场内的温度，使热像仪对准测试目标进行拍摄，记录像素值；结合得到的标定曲线，将采集到的测试目标像素值对应到曲线中，得到对应的温度值，从而建立测试目标的温度场。

采用本发明技术方案，其有益效果在于：

1)可以利用黑体在一次试验中对容器内外多台测量设备在线实时标校，灵活移入移出测量光路，不影响测量过程，且在试验过程中可多次标校。

2)采用黑体作为标校体，具备130K～450K宽温度范围变温控制能力，且具有均匀性好、稳定性高和环境适应性强等特点。

3)热像仪与黑体之间可以灵活调整位置，黑体的标校不影响实际测试目标的测量。

4)尽管热像仪在外部设计时，其在低温真空下仍能保障红外热像仪的工作。

5)热像仪与黑体都在试验模拟器上进行，可实现实时在线校正，对目标的测量误差小。

附图说明

图1为标校黑体的结构示意图；

图2为模拟容器内热像仪的移动机构图；

图3为黑体移动旋转机构在容器内布置图；

图4为黑体在测量窗口间的移动图；

图5为黑体移动旋转机构结构图；

图6为标校温度拟合曲线。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例进行详细描述。应理解，所描述的具体实施例仅被视为解释本发明，并不被视为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。

本发明提供一种空间目标红外辐射模拟试验热像仪在线标校方法，该方法中采用一种黑体作为标校装置。如图1所示，黑体的结构主体是一变温源，变温源由辐射体101、调温体102、屏蔽筒103和配套组件组成，低温面源黑体工作在真空低温环境内，可实现130K-450K宽温度范围可变温控制，变温源用于产生温度可控的、均匀、稳定的近似黑体的辐射面，是标校装置的核心部件，温度控制可采用液氮结合电加热双控方式实现。本发明设置黑体作为标校体，设置在空间模拟容器内，才能实时跟踪环境变化，尽量保持与测试目标的一致性，标校结果才能更准确；并且，在标校与实际测试切换之间，环境无需破坏，切换时间短，无需调动测试设备(热像仪)。

对于本发明的标校方法，适用于热像仪在空间模拟容器5内或外两种测量情形，所以还需配备移动旋转装置，其上安装热像仪2和/或黑体1上，其作用是在标校时用于调整热像仪和黑体之间的相对位置关系，标校时黑体处于热像仪的测量视场内，实际测试目标时移走黑体，使热像仪对准测试目标。对于热像仪在空间模拟容器外情形，因为热像仪需要固定在空间模拟容器测量窗口处，所以需要黑体在空间模拟容器里移动旋转，黑体安装在移动旋转装置上调整位置；对于热像仪在空间模拟容器内情形，因为热像仪也在空间模拟容器里，黑体也在空间模拟容器内，所以只需调整两者其一位置即可，移动旋转装置上安装黑体或热像仪都行。如图2所示情形是移动旋转装置设置在黑体1上，热像仪2安装在一种弧形轨道的滑行移动机构3上，在轨道上还设置角度调整机构构成移动旋转装置，热像仪上下俯仰和左右摆动，黑体1位于热像仪2与测试目标4之间的光路上。

一个具体实施例中，黑体的移动旋转机构7，如图3-图5所示，移动旋转机构安装在容器5的内壁与热沉6之间，靠近容器测量窗口位置，能够被测量设备探测到，通过行走与旋转复合运动实现黑体在容器多个测量窗口间的移动，以及改变变温源辐射面在容器内、容器外的指向，可在同一次试验中实现容器内、外多台测量仪器在线实时辐射标校。

黑体移动旋转机构的原理与测量设备的移动旋转机构原理类似，都是可以实现移动和旋转。包括直线驱动电机、旋转驱动电机、减速机、导轨、导轨滑块、丝杆、螺套、载物转盘等。直线驱动电机71通过减速机驱动连接丝杆72，丝杆72上套设螺套，螺套上承载载物转盘73；丝杆72安装在两根导轨74中间，与两根导轨平行，载物转盘74通过导轨滑块75支撑在导轨上；直线驱动电机带动丝杆转动，丝杆带动螺套转动，螺套带动载物转盘在导轨上水平移动。载物转盘74上安装变温源，转盘下部安装旋转驱动电机76，电机带动转盘产生旋转运动。

以上基本设施具备后，进行标校。标校包括两方面内容，一方面是进行热像仪自身的图像修正，另一方面是进行设备的定量标定。

一、图像修正

热像仪是常用的红外定量测量设备，测试结果有可能随测试环境和条件变化，因此需要标定各种测试条件下的光电响应曲线，如不同黑体温度、不同环境温度、不同积分时间等的光电响应特性，在试验前需对设备所在的试验状态再次标定，确保测量精度。

非均匀性校正是红外焦平面阵列成像处理中必不可少的预处理技术。现有测量系统的定标校正大多是建立在线性或分段线性的理论模型基础上的，在这一理论模型的局限下，非均匀性对测量精度的影响不可忽略。因此对一套焦平面成像测量系统来说，建立较为完善的非均匀性校正机制是非常必要的。

由于仪器自身的非均匀性修正不完善，使得红外焦平面传感器采集的红外图像呈现不同程度的不均匀，不仅影响图像的视觉效果，也很大程度影响了后续定量标定处理的精度。

目前红外焦平面成像系统的非均匀性主要表现为：

(1)黑亮随机噪声，主要表现为图像上不均匀分布的亮或暗的点，且会随场景辐射变化而变化，位置也不固定。

(2)系统响应不均匀，主要有光学系统不完善引起的图像边缘不均匀和探测器像素间响应不一致引起的图像局部区域响应不均匀，图像上表现为呈面积分布的不均匀性。

由于响应引起的不均匀性，通过一点或两点校正可以去除其影响。对于黑亮随机噪声引起的非均匀性，由于其随机性、不稳定性，常规的非均匀性校正方法效果不理想。基于国内外多家热像仪的使用经验，针对引起焦平面成像中黑亮随机噪声的特点，本发明中拟采用基于统计的红外焦平面非均匀校正方法，利用统计学的算法解决焦平面成像常见的黑亮随机噪声不均匀性现象。

本发明采取的非均匀性修正方法是，以黑体作为标校装置，通过面对标校装置采集热图像，反向标校热像仪参数，为将来的空间测量目标的测试提供精准基础。非均匀性修正时，其基本条件是：热像仪到黑体距离应满足L＜(r-d)/tan(a/2),r为黑体辐射半径，d为热像仪镜头半径，a为热像仪视场角。

(1)黑亮随机噪声去除方法

红外焦平面成像的黑亮随机噪声在图像中表现为歧异点，若采用常规的移动平均等方法去除歧异点会改变邻域像素的信号值，从而影响定量测量的精度，本发明采用一种基于歧异点检测替换的方法来实现歧异点的去除，在调整局部像素的成像响应的基础上实现成像的非均匀性修正。

本方法采用的是基于多阈值统计的思想来去除黑白随机噪声点，具体方法简述如下：

1)首先，设定像素多阈值矩阵thes_s：

thes_s＝[thes_s₁,thes_s₂,thes_s_i,thes_s_n]

其中：thes_s_i表示不同的阈值。

2)其次，根据自定义的评估准则建立图像的噪声评估指标参数矩阵Δ：

Δ＝[Δ₁,Δ₂,Δ_i...,Δ_n-1]

定义图像X_i处的噪声评估指标参数为Δ_i，

Δ_i＝max{abs(X_i-X_i-1),abs(X_i-X_i+1)}

3)再次，比较thes_s_i和Δ_i，根据比较结果给出评估结果矩阵：

D_i＝[D_i,1,D_i,2,D_i,3,D_i,4]

其中：

4)再次，根据叠加评估结果矩阵Num_s，判断歧异点：

Num_s＝[Num_s₁,Num_s₂,…Num_s_i]i∈n

其中：

如果存在Num_s_i＞k(1≤k≤n)，则判断该对应的点为歧异点，予以剔除；如此迭代进行，当信号中再也找不到满足要求的歧异点，迭代中止。

5)最后，把确定为歧异点的像素采用邻域均值替换的方法给歧异点重新赋值，实现非均匀性的修正。

(2)局部响应不均匀性修正方法

由于响应不一致和外干扰引起的不均匀性，可以通过修正的方法实现，常用的方法有：单点非均性修正、两点非均性修正、多点非均性修正。

本发明设计的不均匀性校正算法是针对传感器采集的图像每个像素进行的，分别计算每个像素的修正因子，并作相应的记录，为后续的定量处理提供参数。具体修正算法如下：

采集多个温度点充满热像仪视场的图像，多个图像记录为：G_i(x,y)，i∈N，x∈m,y∈n，N为均匀热像帧数，m、n为图像行列值。

计算每一帧图像的像素均值

计算公式为：

假设每个像素的修正因子为：α(x,y)，β(x,y)，具体的计算公式为：

等效为：

简化方程为：

联立方程组：

利用最小二乘法求解得到：α(x,y)、β(x,y)，x∈m,y∈n。

在得到修正因子后，利用下面的校正图像计算公式：

G′(x,y)＝αG(x,y)+β

即可实现响应引起的非均匀性校正。G′(x,y)是修正后像素值。

利用热像仪采集黑体图像，应用上述方法可采用单点、两点或多点非均匀性修正。单点修正就是采用一个点修正，是假设探测器响应是线性的，且增益一致的条件下成立，通过单点修正，可修正像素间响应的偏置差。同样两点修正也是假设探测器的像素响应是线性的，通过两个高低温温度点来修正每个像素响应的增益和偏置。

在两点修正的基础上，可更进一步采用多点修正，首先建立热像仪的响应模型，建立N个子线性响应区，分别界定每个子区域的动态范围，然后在每个子区域范围内采用两点线性修正的方法处理，这样处理的精度会更高。

二、定量标定

非均匀性修正相当于对像素响应做了强制调整，改善了图像质量，提高了目标辐射面积提取的精度，但同时也带来了新的问题，由于修正了图像像素的响应，原始的定量标定数据不再适用，需要重新对定量标定数据同步校正，从而可实现非均匀修正后的定量处理。

定量标定是针对不同测量设备的传感器特性，综合采集参数，比如：积分时间、滤光片选择以及温度等，建立相应的定量标定方法，形成标定程序的规范化，用数学统计的方法实现多参数的综合标定。

本发明同样利用黑体作为基准进行标定，由于黑体和热像仪都在试验设备上进行标定，所以可实现实时在线标定，对热像仪标定完成后即对测试目标进行测量，时间差小，测量误差小。

标定的步骤如下：

1)在模拟试验环境建立后，启动各装置，首先将黑体移动到热像仪前方，使热像仪满视场拍摄到黑体辐射场，此时设定环境的温度为T1，记录此温度时的像素值；

2)然后改变环境温度，设定为T2，同样拍摄下此温度下的图像，记录此温度时的像素值；

进一步地，还可以再取更多温度值拍摄图像记录像素值，但是至少要有两个温度点；

3)然后热像仪内根据采集的温度值以及对应的像素值，建立温度与像素的拟合曲线(或直线)，至此T1-T2温度区间内的标校标准生成；

以上是在某一种测量方位下以及温度区间下的标定测试，改变其中任一条件，可进行另一条件下标定；

4)标定完成后可迅速将黑体移出热像仪的视野区域，在标定的温度区间内调整模拟场内的温度，使热像仪对准测试目标进行拍摄，记录像素值；

5)结合步骤3)得到的拟合曲线，将采集到的测试目标像素值对应到拟合曲线中，得到对应的温度值，从而建立测试目标的温度场，如图6所示。

本发明的至关优点在于实时辐射标校装置具备行走和角度调整能力，能够在一次试验中，灵活移入、移出测量路径，有效剔除测量路径杂散辐射，提高辐射定标精度，并且能够对容器内外的热像仪都能标校；同时，通过面对标校装置采集热图像，反向标校热像仪参数，为将来的空间测量目标的测试提供精准基础。可实现在同一试验场内对设备的标定以及目标测量，使得测量结果准确。

以上实施例步骤仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：设置一空间模拟容器，采用黑体作为标校装置对所述热像仪在线标校，热像仪置于所述空间模拟容器外或内，所述黑体设置在空间模拟容器内壁与热沉之间的夹层中，和/或所述空间模拟容器内部，当所述热像仪置于所述空间模拟容器外部时，所述黑体对应设置在所述空间模拟容器内壁与热沉之间的夹层中，当所述热像仪置于所述空间模拟容器内部时，所述黑体对应设置在所述空间模拟容器内部；所述热像仪与黑体之间相对位置可调，所述热像仪通过采集所述黑体的图像实时在线标校。

2.根据权利要求1所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：

所述热像仪置于所述空间模拟容器外时，在所述空间模拟容器上开设测量窗口，所述热像仪通过测量窗口采集黑体和测试目标的图像；

所述热像仪置于所述空间模拟容器内时，所述热像仪直接采集黑体和测试目标的图像。

3.根据权利要求1或2所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：所述热像仪与所述黑体之间通过移动旋转装置调整相对位置。

4.根据权利要求3所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：所述移动旋转装置上设置所述热像仪，或黑体。

5.根据权利要求3所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：设置黑体的所述移动旋转装置能够带动所述黑体在空间模拟容器内壁与热沉的夹层中移动，和/或在所述空间模拟容器内部移动；所述移动旋转机构包括直线驱动电机、旋转驱动电机、减速机、导轨、导轨滑块、丝杆、螺套、载物转盘，直线驱动电机通过减速机驱动连接丝杆，丝杆上套设螺套，螺套上承载载物转盘，丝杆安装在两根导轨中间，与两根导轨平行，载物转盘通过导轨滑块支撑在导轨上；直线驱动电机带动丝杆转动，丝杆带动螺套转动，螺套带动载物转盘在导轨上水平移动，载物转盘上安装黑体，转盘下部安装旋转驱动电机，电机带动转盘产生旋转运动。

6.根据权利要求1所述的一种空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：

标校时所述黑体位于所述热像仪的测量光路上，测量测试目标时所述黑体移出所述光路。

7.根据权利要求1所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：所述标校包括两方面内容：一是图像非均匀性修正，一是热像仪的定量标定，先做图像非均匀性修正，再做定量标定，均采用所述黑体标校；优选地，在做图像非均匀性修正时，所述热像仪到黑体距离应满足L＜(r-d)/tan(a/2),r为黑体辐射半径，d为热像仪镜头半径，a为热像仪视场角。

8.根据权利要求7所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：所述图像非均匀性修正，包括黑亮随机噪声的去除和局部响应不均匀性修正，其中，所述黑亮随机噪声的去除采用基于歧异点检测替换的方法将歧异点去除，所述局部响应不均匀性修正采用单点非均性修正，或两点非均性修正，或多点非均性修正。

9.根据权利要求7所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：所述定量标定的步骤是：

1)在模拟试验环境建立后，设定黑体温度为T1，启动各装置，将黑体移动到热像仪测量光路上，使热像仪满视场拍摄到所述黑体辐射场图像，记录此温度时的像素值；

2)然后改变黑体温度，设定为T2，同样拍摄下此温度下的图像，记录此时的像素值；

3)然后热像仪根据采集的温度值以及对应的像素值，建立温度与像素的在T1-T2温度区间内的标定曲线，至此关于该场景、该温度区间下的标定完成。

10.根据权利要求7所述的空间模拟环境下热像仪在线标校方法，其特征在于：

至少对两个温度值进行标定，且每个温度值由多个传感器测量取平均值；和/或

标定完成后，将黑体移出热像仪的拍摄视野，在标定的温度区间内随意调整模拟场内的温度，使热像仪对准测试目标进行拍摄，记录像素值；结合得到的标定曲线，将采集到的测试目标像素值对应到曲线中，得到对应的温度值，从而建立测试目标的温度场。