CN109540297A - 基于fpa温度的红外热像仪标定方法 - Google Patents

基于fpa温度的红外热像仪标定方法 Download PDF

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    • G01J5/80—Calibration

Abstract

本发明提供了一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法，本发明提供一种用于标定红外热像仪的方法，首先，建立红外热像仪输出与FPA温度的分段线性模型，预测标定FPA温度区间之外，红外热像仪的输出；然后将FPA的温度范围划分为若干小区间，在各小区间内，建立FPA温度，红外热像仪输出，校正输出的模型，并在各区间段内，校正红外热像仪的输出，消除FPA温度变化而引入的热像仪的输出畸变；最后，分段建立温度与红外热像仪的校正输出的模型，实现红外热像仪的测温。本方案可以在传感器厂商不支持测温的情况下，在传感器外部进行FPA温度补偿，从而实现精确测温。

Description

基于FPA温度的红外热像仪标定方法
技术领域
本发明涉及一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法。
背景技术
红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接收外界目标的红外辐射能量，通过红外探测器的光敏元件，获得红外热像图，热像图反映了被测目标平面的热分布场，因此，红外热像仪可以用来对物体进行测温，并且这种测温是非接触式的，在消防、电力、故障诊断行业有广泛的应用。
现有的非制冷红外热相机的精确测温，完全依靠于传感器厂商私有算法；所以实现精确测温的型号，都价格比较贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法。
为解决上述问题，本发明提供一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法，包括：
建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型；
根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出；
分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变；
根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系。
进一步的，在上述方法中，建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，包括：
在室温下，将红外热像仪对准固定温度的黑体辐射源，记录下红外热像仪随着FPA温度变化时的输出值，得到不同黑体温度下，FPA温度与红外热像仪输出的曲线；
把FPA温度划分为多个区间，得到FPA温度与红外热像仪的输出，在每个分段区间内的符合y＝kx+b的线性模型。
进一步的，在上述方法中，根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出，包括：
得到FPA标定温度区间内的FPA温度与热像仪的输出的分段线性模型如下：
y＝k1x+b1 x∈[x0，x1]；
y＝k2x+b2 x∈[x1，x2]；
y＝k3x+b3 x∈[x2，x3]；
y＝k4x+b4 x∈[x3，x4]；
建立每段中心点x′i与分段线性模型增益ki之间的线性模型k＝αx′+β，即点(x′1，k1),(x′2，k2),(x′3，k3),(x′3，k4)符合该模型，由最小二乘法，求得α，β；
对FPA标定温度区间之外的[x0，x4]范围内的区间段[x0-40，x0],[x4，x4+24]，以8度为单位进行划分如下：
[x0-8，x0]，[x0-16，x0-8]；
[x0-24，x0-16]，[x0-32，x0-24]；
[x0-40，x0-32]，[x4，x4+8]；
[x4+8，x4+16]，[x4+16，x4+24]；
根据获得的k＝αx′+β，计算每个区间的线性模型对应的增益kj，根据y＝kx+b，并且端点同时满足相邻的两个线性模型，得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型；
根据得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型，计算FPA温度在[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间内对应的红外热像仪的输出。
进一步的，在上述方法中，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变。
进一步的，在上述方法中，以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
根据FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，获取不同黑体温度下，FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的FPA温度与红外热像仪的输出；
以4度为单位，将FPA温度范围划分为若干小的区间，取每一个区间的中心点的温度为参考温度，该点对应的热像仪输出为参考输出；
以0.5度为间隔，在每个区间内采样，得到第一超定方程，根据所述第一超定方程求得该对应区间校正参数的最小二乘解，得到在每个校正区间的相应的校正参数；
根据所述校正参数得的每个区间对应的校正模型，以得到校正后的红外热像仪的输出。
进一步的，在上述方法中，根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系，包括：
根据校正后的红外热像仪的输出及其对应的黑体温度曲线，以2度为单位将FPA温度划分为若干区间；
在每一个区间内，取该区间中心位置的红外热像仪的校正输出及其对应的开尔文温度，得到第二超定方程；
求所述第二超定方程的最小二乘解，并将求得的最小二乘解代入普朗克公式，得到红外热像仪的校正输出与开尔文温度的模型。
与现有技术相比，本发明提供一种用于标定红外热像仪的方法，首先，建立红外热像仪输出与FPA温度的分段线性模型，预测标定FPA温度区间之外，红外热像仪的输出；然后将FPA的温度范围划分为若干小区间，在各小区间内，建立FPA温度，红外热像仪输出，校正输出的模型，并在各区间段内，校正红外热像仪的输出，消除FPA温度变化而引入的热像仪的输出畸变；最后，分段建立温度与红外热像仪的校正输出的模型，实现红外热像仪的测温。
本发明提供了一种基于焦平面阵列(focal-plane-array)温度的热像仪标定的方法，建立FPA温度与热像仪响应的分段线性模型，并且用该模型预测FPA的标定温度之外的热像仪输出，扩展了FPA测温范围；然后补偿焦平面阵列(focal-plane-array)温度波动而导致的热像仪响应畸变，提高了热像仪测温的精度。本发明的红外热像仪的测温标定方法，适用广泛，标定准确。本方案可以在传感器厂商不支持测温的情况下，在传感器外部进行FPA温度补偿，从而实现精确测温。
附图说明
图1是本发明一实施例的FPA温度与红外热像仪输出的曲线图；
图2是本发明一实施例的FPA温度与红外热像仪的输出的线性回归模型图；
图3是本发明一实施例的分段区间的线性模型图；
图4是本发明一实施例的基于FPA温度的红外热像仪标定方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图4所示，本发明提供一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法，包括：
步骤S1，建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型；
步骤S2，根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出；
步骤S3，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变；
步骤S4，根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系。
在此，红外热像仪要实现测温功能，必须进行标定，建立起红外热仪响应与温度之间的对应关系，用公式描述或者生成查找表；实际测温时，再将响应值转换成被测物体的温度；这种标定方法简单易行，但是存在一个明显的缺点：热像仪的响应与温度之间，并不是一一对应的关系，还与焦平面阵列(focal-plane-array)的温度、环境温度等的影响，其中焦平面阵列的温度的影响最为明显，在热像仪使用的过程中，即使在被测物体温度相同的情况，热像仪的响应会随着焦平面阵列(focal-plane-array)的温度的波动而发生变化，从而导致测温失败。
本发明提供一种用于标定红外热像仪的方法，首先，建立红外热像仪输出与FPA温度的分段线性模型，预测标定FPA温度区间之外，红外热像仪的输出；然后将FPA的温度范围划分为若干小区间，在各小区间内，建立FPA温度，红外热像仪输出，校正输出的模型，并在各区间段内，校正红外热像仪的输出，消除FPA温度变化而引入的热像仪的输出畸变；最后，分段建立温度与红外热像仪的校正输出的模型，实现红外热像仪的测温。
本发明提供了一种基于焦平面阵列(focal-plane-array)温度的热像仪标定的方法，建立FPA温度与热像仪响应的分段线性模型，并且用该模型预测FPA的标定温度之外的热像仪输出，扩展了FPA测温范围；然后补偿焦平面阵列(focal-plane-array)温度波动而导致的热像仪响应畸变，提高了热像仪测温的精度。本发明的红外热像仪的测温标定方法，适用广泛，标定准确。本方案可以在传感器厂商不支持测温的情况下，在传感器外部进行FPA温度补偿，从而实现精确测温。
本发明的基于FPA温度的红外热像仪标定方法一实施例中，步骤S1，建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，包括：
在室温下，将红外热像仪对准固定温度的黑体辐射源，记录下红外热像仪随着FPA温度变化时的输出值，得到不同黑体温度下，FPA温度与红外热像仪输出的曲线；
把FPA温度划分为多个区间，例如以FPA每8度为一个区间，得到FPA温度与红外热像仪的输出，在每个分段区间内的符合y＝kx+b的线性模型。
在此，热像仪的输出不仅与被测物体的温度相关，同时也受FPA的温度的影响。实际标定过程中，FPA的标定温度范围比实际使用范围要小，为了获取更大范围内FPA温度下热像仪的响应，需要建立FPA温度与热像仪响应模型然后预测非标定FPA温度内热像仪的响应。具体步骤如下：
1)在室温下，将红外热像仪对准固定温度的黑体辐射源，记录下红外热像仪随着FPA温度变化时的输出值，得到不同黑体温度下，FPA温度与红外热像仪输出的曲线，如图1所示，黑体温度为0度，FPA为[28,60]度，热像仪的输出曲线；
2)为了获取精确的FPA温度-热像仪的输出模型，以FPA每8度为一个区间，得到线性回归模型，如图2所示，即，FPA温度与红外热像仪的输出，在每个分段区间内符合y=kx+b的线性模型。
本发明的基于FPA温度的红外热像仪标定方法一实施例中，步骤S2，根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出，包括：
得到FPA标定温度区间内的FPA温度与热像仪的输出的分段线性模型如下：
y＝k1x+b1 x∈[x0，x1]；
y＝k2x+b2 x∈[x1，x2]；
y＝k3x+b3 x∈[x2，x3]；
y＝k4x+b4 x∈[x3，x4]；
建立每段中心点x′i与分段线性模型增益ki之间的线性模型k＝αx′+β，即点(x′1，k1),(x′2，k2),(x′3，k3),(x′3，k4)符合该模型，由最小二乘法，求得α，β；
对FPA标定温度区间之外的[x0，x4]范围内的区间段[x0-40，x0],[x4，x4+24]，以8度为单位进行划分如下：
[x0-8，x0]，[x0-16，x0-8]；
[x0-24，x0-16]，[x0-32，x0-24]；
[x0-40，x0-32]，[x4，x4+8]；
[x4+8，x4+16]，[x4+16，x4+24]；
根据获得的k＝ax′+β，计算每个区间的线性模型对应的增益kj，根据y＝kx+b，并且端点同时满足相邻的两个线性模型，得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型；
根据得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型，计算FPA温度在[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间内对应的红外热像仪的输出。
在此，为了扩展测温范围，在固定的黑体温度下，根据标定FPA温度-热像仪的输出的分段线性模型，建立非标定范围内的FPA温度-热像仪的输出的分段线性模型，预测出更大范围内FPA温度-热像仪的输出；
具体步骤如下：
1)得到FPA标定温度区间内的FPA温度与热像仪的输出的分段线性模型：
y＝k1x+b1 x∈[x0，x1]
y＝k2x+b2 x∈[x1，x2]
y＝k3x+b3 x∈[x2，x3]
y＝k4x+b4 x∈[x3，x4]
2)建立每段中心点x′i与分段线性模型增益ki之间的线性模型k＝αx′+β，即点(x′1，k1),(x′2，k2),(x′3，k3),(x′3，k4)符合该模型，由最小二乘法，求得α，β。
3)对FPA标定温度区间之外的[x0，x4]范围内的区间段[x0-40，x0],[x4，x4+24]，以8度为单位进行划分如下：
[x0-8，x0]，[x0-16，x0-8]
[x0-24，x0-16]，[x0-32，x0-24]
[x0-40，x0-32]，[x4，x4+8]
[x4+8，x4+16]，[x4+16，x4+24]
4)根据步骤2)获得的k＝αx′+β，计算每个区间的线性模型对应的增益kj，根据y＝kx+b，并且端点同时满足相邻的两个线性模型，可以得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型，如图3所示；
5)根据步骤4)得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]的分段区间的线性模型，计算FPA温度在[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间内对应的热像仪的输出。
本发明的基于FPA温度的红外热像仪标定方法一实施例中，步骤S3，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变。
本发明的基于FPA温度的红外热像仪标定方法一实施例中，以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
根据FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，获取不同黑体温度下，FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的FPA温度与红外热像仪的输出；
以4度为单位，将FPA温度范围划分为若干小的区间，取每一个区间的中心点的温度为参考温度，该点对应的热像仪输出为参考输出；
以0.5度为间隔，在每个区间内采样，得到第一超定方程，根据所述第一超定方程求得该对应区间校正参数的最小二乘解，得到在每个校正区间的相应的校正参数；
根据所述校正参数得的每个区间对应的校正模型，以得到校正后的红外热像仪的输出。
在此，为了能实现测温，希望被测物体温度固定时，热像仪的输出不随FPA温度变化而变化，但热像仪的实际输出并非如此，因而，需要基于FPA的温度对热像仪的输出进行校正。
热像仪的校正输出rc与实际输出r满足公式(1)
其中ΔT＝Tref-Tfpa
其中校正输出rc为FPA温度Tfpa为参考点温度Tref时热像仪的输出rref，m，b为校正参数；
公式(1)可改写为：
rref-r＝rrefmΔT+bΔT (2)
同时取Tfpa1，Tfpa2，Tfpa3，Tfpa4处的温度，r1，r2，r3，r4，并且
Δr12＝r1-r2
Δr34＝r3-r4
ΔT12＝Tfpa1-Tfpa2
ΔT34＝Tfpa3-Tfpa4
可得
采样不同黑体温度下的热像仪的输出，得到一个超定方程：
得到校正参数m，b的最小二乘解。
以上为基于FPA温度的热像仪校正原理，实际使用时，为了提高校正的精度，以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间分别对热像仪输出进行校正；具体步骤如下：
1)根据FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，获取不同黑体温度下，FPA温度与红外热像仪的输出；
2)以4度为单位，将FPA温度范围划分为若干小的区间，取每一个区间的中心点的温度为参考温度Tfpa，该点对应的热像仪输出为参考输出rref；
3)以0.5度为间隔，在每个区间内采样，得到超定方程(4)，求得该对应区间校正参数m，b的最小二乘解，即在每个校正区间都有相应的校正参数m，b和Tref；
4)根据步骤3，得的每个区间对应的校正模型：
本发明的基于FPA温度的红外热像仪标定方法一实施例中，步骤S4，根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系，包括：
根据校正后的红外热像仪的输出及其对应的黑体温度曲线，以2度为单位将FPA温度划分为若干区间；
在每一个区间内，取该区间中心位置的红外热像仪的校正输出及其对应的开尔文温度，得到第二超定方程；
求所述第二超定方程的最小二乘解，并将求得的最小二乘解代入普朗克公式，得到红外热像仪的校正输出与开尔文温度的模型。
在此，普朗克公式(5)描述了热像仪响应与被测物体温度的函数关系，
其中K为开尔文温度，rc为校正后的热像仪的输出，B和F为常数，则求得R，O即可建立温度与热像仪响应的函数关系模型；
式(5)可改写为：
其中
则γrc＝γO+R即：
又B,F为常数，rc可由热像仪的校正得到，K为黑体温度，根据校正好的热像仪输出rc及其对应的黑体温度K，得到γ，连续采样若干个点，得到超定方程(6)，求得R，O的最小二乘解。
以上为建立温度与热像仪响应的函数的原理，实际使用过程中，为了提高测温的精度，以2度为单位将FPA温度划分为若干区间，取中心点位置为采样点，建立温度与热像仪响应模型，具体实现步骤如下：
1)根据校正后的红外热像仪的输出及其对应的黑体温度曲线，以2度为单位将FPA温度划分为若干区间；
2)在每一个区间内，取该区间中心位置的rc及其对应的开尔文温度K，得到超定方程(6)；
3)求所述超定方程(6)的最小二乘解O、R，并将最小二乘解O、R代入普朗克公式(5)，可得到红外热像仪的校正输出rc与开尔文温度K的模型。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，包括：
建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型；
根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出；
分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变；
根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系。
2.如权利要求1所述的基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，建立各黑体温度下，FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，包括：
在室温下，将红外热像仪对准固定温度的黑体辐射源，记录下红外热像仪随着FPA温度变化时的输出值，得到不同黑体温度下，FPA温度与红外热像仪输出的曲线；
把FPA温度划分为多个区间，得到FPA温度与红外热像仪的输出，在每个分段区间内的符合y＝kx+b的线性模型。
3.如权利要求2所述的基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，根据所述多段线性模型，预测FPA标定温度区间之外，各黑体温度下对应的红外热像仪的输出，包括：
得到FPA标定温度区间内的FPA温度与热像仪的输出的分段线性模型如下：
y＝k1x+b1 x∈[x0，x1]；
y＝k2x+b2 x∈[x1，x2]；
y＝k3x+b3 x∈[x2，x3]；
y＝k4x+b4 x∈[x3，x4]；
建立每段中心点x′i与分段线性模型增益ki之间的线性模型k＝αx′+β，即点(x′1，k1),(x′2，k2),(x′3，k3),(x′3，k4)符合该模型，由最小二乘法，求得α，β；
对FPA标定温度区间之外的[x0，x4]范围内的区间段[x0-40，x0],[x4，x4+24]，以8度为单位进行划分如下：
[x0-8，x0]，[x0-16，x0-8]；
[x0-24，x0-16]，[x0-32，x0-24]；
[x0-40，x0-32]，[x4，x4+8]；
[x4+8，x4+16]，[x4+16，x4+24]；
根据获得的k＝αx′+β，计算每个区间的线性模型对应的增益kj，根据y＝kx+b，并且端点同时满足相邻的两个线性模型，得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型；
根据得到[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间的线性模型，计算FPA温度在[x0-40，x0],[x4，x4+24]分段区间内对应的红外热像仪的输出。
4.如权利要求3所述的基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变。
5.如权利要求4所述的基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，以4度为单位将FPA温度划分为若干区间，分区间对红外热像仪的输出进行校正，消除FPA温度在所述FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的变化时而引入的红外热像仪的输出的畸变，包括：
根据FPA标定温度区间内与红外热像仪的输出之间的多段线性模型，获取不同黑体温度下，FPA标定温度区间内和FPA标定温度区间之外的FPA温度与红外热像仪的输出；
以4度为单位，将FPA温度范围划分为若干小的区间，取每一个区间的中心点的温度为参考温度，该点对应的热像仪输出为参考输出；
以0.5度为间隔，在每个区间内采样，得到第一超定方程，根据所述第一超定方程求得该对应区间校正参数的最小二乘解，得到在每个校正区间的相应的校正参数；
根据所述校正参数得的每个区间对应的校正模型，以得到校正后的红外热像仪的输出。
6.如权利要求5所述的基于FPA温度的红外热像仪标定方法，其特征在于，根据普朗克公式，分段建立校正后的红外热像仪的输出与开尔文温度之间的函数关系，包括：
根据校正后的红外热像仪的输出及其对应的黑体温度曲线，以2度为单位将FPA温度划分为若干区间；
在每一个区间内，取该区间中心位置的红外热像仪的校正输出及其对应的开尔文温度，得到第二超定方程；
求所述第二超定方程的最小二乘解，并将求得的最小二乘解代入普朗克公式，得到红外热像仪的校正输出与开尔文温度的模型。
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