CN109655162A - 红外热像仪测温校正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外热像仪测温校正系统及方法，该系统包括：设置在红外热像仪内的红外光学模块、平面黑体、高低温箱；待校正的红外热像仪的焦平面通过红外光学模块与平面黑体对准，平面黑体的辐射均匀照射在焦平面上；待校正的红外热像仪与平面黑体之间保持预设距离；待校正的红外热像仪放置于高低温箱中进行预热，待温度稳定后进行后续标定处理。光学系统补偿了被测物体距离，而校正方法补偿了被测物体表面发射率、周围环境温度等对测温的影响，使热像仪对被测物及环境的适应性更强；精确标定了热像仪在不同温度下对外部辐射的增益及偏置影响，避免了测温过程中仪器温度变化造成的测温误差；不需要快门等额外的装置进行校正，简化了仪器结构。
Description
技术领域
本发明涉及红外热成像技术领域，具体地，涉及一种红外热像仪测温校正系统及方法。
背景技术
红外热像测温仪是一种能够直观反映被测物体表面的热分布情况，并且可以进行精确测温的设备。它将物体的红外辐射信号经光电转换器件转化为电信号，然后以图像的形式显示出来。热图像只给出了物体表面辐射温度的定性描述，如果想要通过热图像获得物体的绝对温度，则必须要与基准物体热像相比较来标定绝对温度值。
红外探测器接收到的红外辐射和目标温度之间的关系不是线性的，同时还受物体距离、表面发射率、反射率、大气衰减、物体周围环境的反射辐射以及红外设备本身腔体、透镜及衰减片、焦平面阵列响应率等影响。因此热像仪测温校准有两个方面，一是要把被测目标的辐射能量转化为温度，二是要补偿热像仪本身的辐射及焦平面响应。传统的热像仪标定方法，是在特定的环境温度、距离及其他条件下进行标定，并无很好的办法补偿其他因素的影响。在实际测温过程中，由于外界环境、测量距离以及热像仪工作温度等发生变化，特别是使用条件与标定条件差别较大时，会使得测量精度显著下降。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种红外热像仪测温校正系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供一种红外热像仪测温校正系统，包括：设置在红外热像仪内的红外光学模块、平面黑体、高低温箱；其中，待校正的红外热像仪的焦平面通过所述红外光学模块与所述平面黑体对准，所述平面黑体的辐射均匀照射在所述焦平面上；所述待校正的红外热像仪与所述平面黑体之间保持预设距离；所述待校正的红外热像仪通过所述高低温箱进行预热处理，以使得所述待校正的红外热像仪在测温校正时保持预设的稳定温度。
可选地，所述红外光学模块，包括：镜头、衰减片、温度传感器、腔体；其中，所述红外光学模块在调焦过程中像距保持不变。
可选地，所述待校正的红外热像仪与所述平面黑体之间保持的预设距离。
第二方面，本发明提供一种红外热像仪测温校正方法，应用于第一方面中任一项所述的红外热像仪测温校正系统；所述方法包括：
步骤1：室温下，将红外热像仪开机，调节焦平面温度为Tj并保持稳定，待热像仪内部温度稳定后，记录其温度值为tb；
步骤2：控制平面黑体的温度Tr在所述红外热像仪的测温范围内按预设的第一等间隔变化；
步骤3：在每个温度下，待平面黑体的温度稳定后，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得红外热像仪内部温度为tb时，一系列黑体温度Tr对应的焦平面像素平均值X(Tr，tx)；
步骤4：利用高阶曲线对X(Tr，tb)与其对应的平面黑体温度Tr进行拟合，得到测温刻度函数Tr(X，tb)＝k3*X3+k2*X2+k1*X+k0与X(Tr，tb)＝k′3*Tr 3+k′2*Tr 2+k′1*Tr+k′0；其中，k3为Tr(X，tb)函数的第三拟合参数，k2为Tr(X，tb)函数的第二拟合参数，k1为Tr(X，tb)函数的第一拟合参数，k0为Tr(X，tb)函数的初始拟合参数，X为黑体温度的拟合变量，k′3为X(Tr，tb)函数的第三拟合参数，k′2为X(Tr，tb)函数的第二拟合参数，k′1为X(Tr，tb)函数的第一拟合参数，k′0为X(Tr，tb)函数的初始拟合参数；
步骤5：保持红外热像仪焦平面温度为Tj；控制高低温箱的温度在所述红外热像仪的设计工作温度范围内按预设的第二等间隔变化，并在每个温度下将热像仪开机放入，待热像仪内部温度稳定后，记录对应的一系列温度值，第n次温度值可用tn表示；其中，n为大于1的自然数；
步骤6：在记录的一系列热像仪内部温度以及温度tb下，控制平面黑体的温度为Tl，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得对应的一系列红外热像仪的焦平面像素平均值，其中，tn对应的焦平面像素平均值为x′n；同样的，热像仪内部温度为tb时，对应的焦平面像素平均值为x′b；
在记录的一系列热像仪内部温度以及温度tb下，控制平面黑体的温度为Th，其中，Tl＜Th，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得对应的一系列红外热像仪的焦平面像素平均值，其中，tn对应的焦平面像素平均值为x″n；同样的，热像仪内部温度为tb时，对应的焦平面像素平均值为x″b；
步骤7：根据红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式，标定所述红外热像仪的系统增益，包括：计算红外热像仪在温度tb与tn下的系统增益β(tb)与β(tn)的比值利用三次曲线拟合，得到红外热像仪的温度t与α(t)的关系α(t)＝h3*t3+h2*t2+h1*t+h0；其中，h3为函数α(t)的第三拟合参数，h2为函数α(t)的第二拟合参数，h1为函数α(t)的第一拟合参数，h0为函数α(t)的初始拟合参数；
步骤8：根据红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式，标定所述红外热像仪的系统偏置，包括：
补偿系统增益β(t)和系统偏置J(t)对焦平面像素值的影响，表示为 其中J(tb)为热像仪温度tb下的系统偏置；
计算红外热像仪在温度tn时的 或 利用三次曲线拟合，得到红外热像仪的温度t与的关系 其中，q3为函数的第三拟合参数，q2为函数的第二拟合参数，q1为函数的第一拟合参数，q0为函数的初始拟合参数；
步骤9：建立所述红外热像仪的红外测温补偿模型X(T0，tb)如下：
其中，T0为待测物体的真实温度，Tr为待测物体的表观温度，Tu为待测物体所处的环境温度，ε0为待测物体的表面发射率，tc为红外热像仪的温度，X(Tr，tc)为红外热像仪测量的焦平面灰度值；α(tc)为红外热像仪在温度tb与tc下系统增益的比值，为红外热像仪在温度tc下与系统增益和偏置有关的量，X(Tu，tb)为红外热像仪内部温度为tb时，待测物体所处的环境温度Tu对应的焦平面像素平均值。
可选地，在所述步骤1之前，还包括：
预处理步骤：控制待校正的红外热像仪的焦平面通过所述红外光学模块与所述平面黑体对准，以使得所述平面黑体的辐射均匀照射在所述焦平面上。
可选地，所述红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式如下：
X(Tr，t)＝X(Tr)β(t)+J(t)
其中：X(Tr)是黑体温度为Tr时辐射对应的焦平面像素值，β(t)为红外热像仪温度为t时的系统增益，J(t)为红外热像仪温度为t时的系统偏置。
可选地，所述第一预设等间隔温度为20℃，第二预设等间隔温度为10℃。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)通过光学系统设计补偿物体距离对测温的影响，无需进行标定或算法补偿。
2)补偿了被测物体表面发射率、周围环境温度等对测温的影响，使热像仪对被测物及环境的适应性更强。
3)精确标定了热像仪在不同温度下对外部辐射的增益及偏置影响，避免了测温过程中仪器温度变化造成的测温误差。
4)算法简单易于实现，不需要快门等额外的装置进行校正，简化了仪器结构。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的红外热像仪测温校正系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的红外热像仪测温校正方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例一提供的红外热像仪测温校正系统的结构示意图，如图1所示，包括：红外光学模块、平面黑体，待校正的红外热像仪。本发明设计一种红外光学系统，使其在调焦过程中像距保持不变。对朗伯体而言，其辐照度与物距平方成反比；对光学系统而言，像距不变时，辐照度与物距平方成正比。因此保持光学系统像距不变，可补偿被测物体距离对红外测温的影响。在光学系统(简称镜筒，包括镜头、衰减片、腔体等)内部位置装温度传感器，用来测量机器内部实时温度。焦平面阵列包含温度控制器件，如TEC(半导体致冷器)。
图2为本发明实施例二提供的红外热像仪测温校正方法的流程示意图。本发明提供的方法，具体可以包括如下步骤：
步骤1：在较近距离上，使热像仪焦平面通过光学系统与平面黑体对准。黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面整个视场。保持焦平面温度为Tj(可通过TEC调节)，镜筒温度为tb稳定，其中，Tj、tb分别为常温下热像仪焦平面及镜筒温度。控制黑体温度等间隔变化，分别为T1、T2、…、TN，其中热像仪设计测温范围为T1～TN。在每个温度下，分别采集M幅图像，并分别求出每个温度下，所有正常像元(非盲元)的像素平均值X(T1，tb)、X(T2，tb)、…、X(TN，tb)。
具体地，在距离2米处，使热像仪焦平面通过光学系统与平面黑体对准。黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面整个视场。保持焦平面温度、镜筒温度tb＝25℃，控制黑体温度等间隔20℃变化，分别为-20℃、0℃、…、160℃，其中机器测温范围为-20℃～160℃。在每个温度下，分别采集32幅图像，并分别求出每个温度下，所有正常像元(非盲元)的像素平均值x1、x2、…、x10。
步骤2：利用高阶曲线对镜筒温度tb下焦平面像素平均值X(Tr，tb)和对应黑体温度Tr进行拟合，得到标定方程。焦平面像素值X(Tr，tb)＝X(Tr)β(tb)+J(tb)。其中，X(Tr)是温度为Tr的黑体辐射对应的焦平面像素值，β(tb)为仪器系统增益，表征镜片、衰减片透射率等的影响，J(tb)为系统偏置，表征仪器内部腔体等辐射的影响。β(tb)、J(tb)的值与镜筒温度有关，需要进行标定。
具体地，利用三次曲线对镜筒温度25℃下焦平面像素平均值X和对应黑体温度Tr进行拟合，得到标定方程Tr(X，tb)＝k3*X3+k2*X2+k1*X+k0与X(Tr，tb)＝k′3*Tr 3+k′2*Tr 2+k′1*Tr+k′0。
步骤3：保持热像仪焦平面温度Tj稳定，控制两个黑体温度分别为Tl、Th并稳定(Tl＜Th，例如Tl为20℃，Th为40℃)。分别从TLow到THigh等间隔调节高低温箱温度共n次，并在每个温度下将热像仪开机放入，其中TLow～THigh为热像仪设计工作温度范围。直到镜筒温度达到稳定(可放入足够长时间)，记录此时镜筒温度分别为t1、t2、…、tn。
具体地，保持热像仪焦平面温度稳定，控制两个黑体温度分别为20℃、40℃并稳定。分别从-15℃到55℃等间隔10℃调节高低温箱温度，并在每个温度下将热像仪开机放入，其中-15℃～55℃为热像仪设计工作温度范围。直到镜筒温度达到稳定(可放入足够长时间)，记录此时镜筒温度分别为t1、t2、...、t8。
步骤4：在镜筒温度分别为t1、t2、…、tn、tb下，使热像仪焦平面通过光学系统分别与两个平面黑体对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面整个视场。采集M幅图像，并分别求出每个温度下，所有正常像元的像素平均值X(Tl，t1)、X(Tl，t2)、…、X(Tl，tn)、X(Tl，tb)以及X(Th，t1)、X(Th，t2)、…、X(Th，tn)、X(Th，tb)。
具体地，镜筒温度分别为t1、t2、…、t8、tb下，使热像仪焦平面通过光学系统分别与两个平面黑体对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面整个视场。采集32幅图像，并分别求出每个温度下，所有正常像元的像素平均值x′1、x′2、…、x′8、x′b以及x″1、x″2、…、x″8、x″b。
步骤5：镜筒温度tb与t1下的系统增益β(tb)与β(t1)的比值 同理可求出α(t2)、…、α(tn)的值，然后用高阶曲线拟合得到镜筒温度t与α(t)的关系。
具体地，镜筒温度tb与t1下的系统增益β(tb)与β(t1)的比值同理可求出α(t2)、...、α(tn)的值，然后用三次曲线拟合得到镜筒温度t与α(t)的关系，标定方程α(t)＝h3*t3+h2*t2+h1*t+h0。
步骤6：测量时保持焦平面温度Tj不变，镜筒温度为t，焦平面像素值X(Tr，t)＝X(Tr)β(t)+J(t)。补偿系统增益和偏置对焦平面像素值的影响，可表示为 其中其函数分布可由标定得到。镜筒温度t1时，或者司理可求出的值，然后用高阶曲线拟合得到镜筒温度t与的关系。
具体地，镜筒温度t1下，补偿系统增益和偏置对焦平面像素值的影响， 其中或同理可求出的值，然后用三次曲线拟合得到镜筒温度t与的关系，标定方程
步骤7：假设焦平面温度为Tj时，黑体辐射强度与焦平面像素值为线性关系。对灰体辐射，焦平面像素值X(Tr)＝τa[ε0X(T0)+(1-ε0)X(Tu)]+(1-τa)X(Ta)。其中，Tr为表观温度，τa为大气透射率，T0为物体实际温度，ε0为物体表面发射率，Tu为物体所处环境温度，Ta为空气温度。在测温距离不大时，可以忽略空气影响，即τa＝1，此时，X(Tr)＝ε0X(T0)+(1-ε0)X(Tu)。由标定时焦平面像素值X(Tr，tb)与X(Tr)的关系，可得X(Tr，tb)＝ε0X(T0，tb)+(1-ε0)X(Tu，tb)。补偿系统增益和偏置tc为测量时镜筒温度值。在已知Tu、tc、ε0时，α(tc)、X(Tu，tb)可由标定函数计算，X(Tr，tc)为测量时焦平面灰度值，此时X(T0，tb)可以直接计算。然后通过标定的测温函数，可以求出灰体真实温度T0。
具体地，假设焦平面温度为25℃时，黑体辐射强度与焦平面像素值为线性关系。忽略空气影响，补偿环境温度Tu、物体表面发射率ε0及镜筒温度tc时系统增益和偏置在已知Tu、tc、ε0时，α(tc)、X(Tu，tb)可由标定函数计算，X(Tr，tc)为测量时焦平面灰度值，此时X(T0，tb)可以计算得到。然后通过标定的测温函数，可以求出灰体真实温度T0。
需要说明的是，对于焦平面阵列无温控系统的仪器，同样可以用步骤1～7的方法进行标定与计算。由于焦平面温度无法保持恒定，其响应率会随温度的变化而变化。在热平衡时，镜筒温度与焦平面温度有较好的相关性。此时，仪器系统对焦平面测量值的影响，同样可以表现为增益与偏置。不过对于此类热像仪而言，由于焦平面温度受外部辐射值影响较大，实际测量时，仪器往往很难保持热平衡状态，从而引入较大误差。
需要说明的是，本发明提供的红外热像仪测温校正方法中的步骤，可以利用红外热像仪测温校正系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种红外热像仪测温校正系统，其特征在于，包括：设置在红外热像仪内的红外光学模块、平面黑体、高低温箱；其中，待校正的红外热像仪的焦平面通过所述红外光学模块与所述平面黑体对准，所述平面黑体的辐射均匀照射在所述焦平面上；所述待校正的红外热像仪与所述平面黑体之间保持预设距离；所述待校正的红外热像仪通过所述高低温箱进行预热处理，以使得所述待校正的红外热像仪在测温校正时保持预设的稳定温度。
2.根据权利要求1所述的红外热像仪测温校正系统，其特征在于，所述红外光学模块，包括：镜头、衰减片、温度传感器、腔体；其中，所述红外光学模块在调焦过程中像距保持不变。
3.根据权利要求1所述的红外热像仪测温校正系统，其特征在于，所述待校正的红外热像仪与所述平面黑体之间保持的预设距离。
4.一种红外热像仪测温校正方法，其特征在于，应用于权利要求1-3中任一项所述的红外热像仪测温校正系统；所述方法包括：
步骤1：室温下，将红外热像仪开机，调节焦平面温度为Ti并保持稳定，待热像仪内部温度稳定后，记录其温度值为tb；
步骤2：控制平面黑体的温度Tr在所述红外热像仪的测温范围内按预设的第一等间隔变化；
步骤3：在每个温度下，待平面黑体的温度稳定后，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得红外热像仪内部温度为tb时，一系列黑体温度Tr对应的焦平面像素平均值X(Tr，tb)；
步骤4：利用高阶曲线对X(Tr，tb)与其对应的平面黑体温度Tr进行拟合，得到测温刻度函数Tr(X，tb)＝k3*X3+k2*X2+k1*X+k0与X(Tr，tb)＝k′3*Tr 3+k′2*Tr 2+k′1*Tr+k′0；其中，k3为Tr(X，tb)函数的第三拟合参数，k2为Tr(X，tb)函数的第二拟合参数，k1为Tr(X，tb)函数的第一拟合参数，k0为Tr(X，tb)函数的初始拟合参数，X为黑体温度的拟合变量，k′3为X(Tr，tb)函数的第三拟合参数，k′2为X(Tr，tb)函数的第二拟合参数，k′1为X(Tr，tb)函数的第一拟合参数，k′0为X(Tr，tb)函数的初始拟合参数；
步骤5：保持红外热像仪焦平面温度为Tj；控制高低温箱的温度在所述红外热像仪的设计工作温度范围内按预设的第二等间隔变化，并在每个温度下将热像仪开机放入，待热像仪内部温度稳定后，记录对应的一系列温度值，第n次温度值可用tn表示；其中，n为大于1的自然数；
步骤6：在记录的一系列热像仪内部温度以及温度tb下，控制平面黑体的温度为Tl，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得对应的一系列红外热像仪的焦平面像素平均值，其中，tn对应的焦平面像素平均值为x′n；同样的，热像仪内部温度为tb时，对应的焦平面像素平均值为x′b；
在记录的一系列热像仪内部温度以及温度tb下，控制平面黑体的温度为Th，其中，Tl＜Th，红外热像仪分别采集预设张数图像，获得对应的一系列红外热像仪的焦平面像素平均值，其中，tn对应的焦平面像素平均值为x″n；同样的，热像仪内部温度为tb时，对应的焦平面像素平均值为x″b；
步骤7：根据红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式，标定所述红外热像仪的系统增益，包括：计算红外热像仪在温度tb与tn下的系统增益β(tb)与β(tn)的比值利用三次曲线拟合，得到红外热像仪的温度t与α(t)的关系α(t)＝h3*t3+h2*t2+h1*t+h0；其中，h3为函数α(t)的第三拟合参数，h2为函数α(t)的第二拟合参数，h1为函数α(t)的第一拟合参数，h0为函数α(t)的初始拟合参数；
步骤8：根据红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式，标定所述红外热像仪的系统偏置，包括：
补偿系统增益β(t)和系统偏置J(t)对焦平面像素值的影响，表示为 其中J(tb)为热像仪温度tb下的系统偏置；
计算红外热像仪在温度tn时的 或 利用三次曲线拟合，得到红外热像仪的温度t与的关系 其中，q3为函数的第三拟合参数，q2为函数的第二拟合参数，q1为函数的第一拟合参数，q0为函数的初始拟合参数；
步骤9：建立所述红外热像仪的红外测温补偿模型X(T0，tb)如下：
其中，T0为待测物体的真实温度，Tr为待测物体的表观温度，Tu为待测物体所处的环境温度，ε0为待测物体的表面发射率，tc为红外热像仪的温度，X(Tr，tc)为红外热像仪测量的焦平面灰度值；α(tc)为红外热像仪在温度tb与tc下系统增益的比值，为红外热像仪在温度tc下与系统增益和偏置有关的量，X(Tu，tb)为红外热像仪内部温度为tb时，待测物体所处的环境温度Tu对应的焦平面像素平均值。
5.根据权利要求4所述的红外热像仪测温校正方法，其特征在于，在所述步骤1之前，还包括：
预处理步骤：控制待校正的红外热像仪的焦平面通过所述红外光学模块与所述平面黑体对准，以使得所述平面黑体的辐射均匀照射在所述焦平面上。
6.根据权利要求4所述的红外热像仪测温校正方法，其特征在于，所述红外热像仪的焦平面像素X(Tr，t)的表示公式如下：
X(Tr，t)＝X(Tr)β(t)+J(t)
其中：X(Tr)是黑体温度为Tr时辐射对应的焦平面像素值，β(t)为红外热像仪温度为t时的系统增益，J(t)为红外热像仪温度为t时的系统偏置。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的红外热像仪测温校正方法，其特征在于，所述第一预设等间隔温度为20℃，第二预设等间隔温度为10℃。
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