CN109751917B - 一种热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，所述方法包括：调整红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元的灰度矩阵的分布，即对应去除每一帧的图像像元灰度矩阵在其边缘区域的矩阵元素，目的是使得红外热像仪图像的视场中心即瞄准镜的瞄线与红外光学系统的光轴中心趋向重合，本方法解决了常规的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法存在的不足，实现了将校准流程简单化，达到了提高校准效率和校准精度的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及红外热成像瞄准镜技术领域，具体涉及一种调整红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元阵列的灰度矩阵的分辨率分布的红外热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，对应去除每一帧的图像像元灰度矩阵在边缘区域的矩阵元素。
背景技术
作为侦察瞄准用的红外热像仪越来越多的用在各武器平台上，能够在夜间或者不良气候条件下清楚地判别敌方目标的情况，完全充当了武器系统“眼睛”的角色。热像仪性能的高低反映了“眼睛”的好坏，除了受热像仪的探测识别能力限制外，还有一点是十分重要的，那就是瞄得准不准。
红外热像仪特别用于是车载、机载的热像仪均需要被安装在武器系统的光瞄装置内部的载物台上，其输出的热图像需经后期处理后用来进行测量、瞄准、图像融合，而热像仪安装面与载物台安装面的平行度不可避免地会给热像仪的光轴带来影响，从而影响热成像瞄准镜装载之后其图像的视场中心(瞄点)与光轴中心没有完全重合，甚至偏离一定的角度即安装基准偏轴度，从而造成瞄准时由安装基准偏轴度带来的小角度偏差。
为减小这种影响，除了对热像仪壳体的安装面和载物台安装面的平行度在加工时就要控制和检测外(一般要求误差控制在±0.02mm)，还需要在热像仪装调完成后，把热像仪安装到载物台上对热像仪的光轴进行校准，通常要求这类热像仪校准以后的安装基准偏轴度(光轴平行性)必须在十几秒内方能满足使用要求。
常规的校准方法：
1可根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，重新打磨热像仪安装面与载物台安装面的平行度。这种方法容易造成不可逆的精度误差，而且需要经验丰富的工匠人员，校准效率低。
2在热像仪安装面与载物台安装面之间，设计一种可调节高度的四个脚的机械结构作为红外热像仪与载物台的连接装置，再根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，通过调节4个连接脚校准红外热像仪的安装基准偏轴度。这种方法无法将红外热像仪牢固的装载在载物台上，会带来不必要的零位走动量误差。
3根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，重新调整红外热像仪光学镜头与红外探测器的相对位置。这种方法需将热像仪整机拆装，且调整难度大。
发明内容
本发明提供了一种热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，解决了常规的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法存在的不足，实现了将校准流程简单化、提高校准效率和校准精度的技术效果。本发明采用如下的技术方案：
如图1所示，可通过红外热像仪性能测试系统测试得到待校准红外热像仪安装基准偏轴度的水平方向偏轴角度Δx、垂直方向偏轴角度Δy、光学系统的光轴中心相对于热像仪图像的视场中心的偏离方向和热像仪在瞄准视场的水平方向视场角X、垂直方向视场角Y。
如图2所示，实线矩形3为红外探测器的光敏面，点1为光敏面的中心点即热像仪的视场中心；光学系统的像面为虚线圆形4，点2为光学系统的成像面中心即光轴中心。所示的裁剪区域为光敏面在光轴中心点偏离方向且对应2倍偏轴角度的边缘区域。
如图2所示，如果将光敏面上所示的裁剪区域的像元的灰度响应信号去除，则热像仪的视场中心点1就与光学系统的光轴中心点2重合，在红外探测器像元尺寸无限小的理想状态下，本发明所采用的校准方法可将热成像瞄准镜的安装基准偏轴度在不计热像仪性能测试系统测试精度误差的情况下校准为零。但实际上受红外探测器光敏面像元离散化的影响，对于采用红外探测器分辨率为M×N的热像仪，M，N是红外探测器的水平和垂直分辨率，本发明的校准精度L在
以内，红外探测器分辨率越大，热像仪瞄准状态下的视场越小，校准精度越高。
以图2中光学系统光轴中心点2相对于视场中心点1右上偏为例，对于红外探测器分辨率为M×N的热像仪，可得光轴中心点2相对于视场中心点1在水平方向偏离的像素数目为
光轴中心点2相对于视场中心点1在垂直方向偏离的像素数目为
令2倍的
的小数为α，2倍的
的小数为β。以探测器像元阵列的分辨率大小定义像素坐标系，令红外探测器光敏面像元阵列左上角的像素为坐标(0，0)点，如此可对红外热像仪图像采集系统所采集的每一帧的图像像元灰度矩阵元素做裁剪处理，去除如图2所示的裁剪区域(阴影部分)的矩阵元素：
当α≤0.5且β≤0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
其中，
为像素点(x，y)的灰度值，符号
为取不大于
值的最大整数，符号
为取不大于
值的最大整数；左边矩阵为处理前每一帧的图像像元灰度矩阵，右边矩阵为图像像元灰度矩阵经裁剪处理后保留的矩阵。
当α＞0.5且β≤0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
当α≤0.5且β＞0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
当α＞0.5且β＞0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，对于光学系统光轴中心相对于热像仪的视场中心点左上偏、左下偏、右下偏的校准方法同理可得。
本申请提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明建立了热成像瞄准镜安装基准偏轴度的新型校准方法，克服了以上三种常规的校准方法存在的校准缺陷，不会造成红外热像仪不可逆的安装基准偏轴度精度误差，不需要经验丰富的工匠人员，不需要设计新的热像仪载物台工装，不需要将热像仪整机拆机，操作简单且校准效率高。
本发明通过调整红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元的灰度矩阵的分布即对应去除每一帧的图像像元灰度矩阵在其裁剪区域的矩阵元素，从而使得红外热像仪图像的视场中心(瞄准镜的瞄线)与红外光学系统的光轴中心趋向重合。在红外探测器像元尺寸无限小的理想状态下，本发明所采用的校准方法可将热成像瞄准镜的安装基准偏轴度在不计热像仪性能测试系统测试精度误差的情况下校准为零。但实际上受红外探测器光敏面像元离散化的影响，对于采用红外探测器分辨率为M×N的热像仪，本发明的校准精度L在
以内，红外探测器分辨率越大，热像仪瞄准状态下的视场越小，校准精度越高。例如，当采用红外探测器分辨率为800×600且瞄准状态视场角范围为2.5°×2°的热成像瞄准镜，在不计热像仪性能测试系统测试精度的情况下本校准方法的校准精度为8.22″。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为热像仪性能测试系统装置和测量安装基准偏轴度时热像仪的图像示意图。
图2为光学系统光轴中心点相对于探测器光敏面视场中心点右上偏离时安装基准偏轴度校准方法的原理示意图。
图3为光学系统光轴中心点相对于探测器光敏面视场中心点左下偏离时安装基准偏轴度校准方法的原理示意图。
图中1.红外探测器光敏面中心点即热像仪的视场中心点，2.光学系统的成像面中心点即光学系统的光轴中心点，3.红外探测器的光敏面区域，4.光学系统在其焦面上成像的像面区域，5.红外热像仪，6.红外热像仪性能测试系统。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明采用调整红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元阵列灰度矩阵的校准方法，对应去除每一帧的图像像元灰度矩阵在其边缘区域的矩阵元素，使红外热成像瞄准镜图像的视场中心与红外光学系统的光轴中心趋于重合。校准方法包括以下步骤：
步骤A：通过红外热像仪性能测试系统测试得到待校准红外热像仪安装基准偏轴度的水平方向偏轴角度Δx、垂直方向偏轴角度Δy、光学系统的光轴中心点相对于热像仪图像的视场中心点的偏离方向和热像仪在瞄准视场的水平方向视场角X、垂直方向视场角Y。
步骤B：对于采用红外探测器分辨率为M×N的热像仪，可得光轴中心点2相对于视场中心点1在水平方向偏离的像素数目为
光轴中心点2相对于视场中心点1在垂直方向偏离的像素数目为
令2倍的
的小数为α，2倍的
的小数为β。根据光轴中心的偏离方向和对小数α、β的值是否大于0.5的判断，可将每一帧图像的像元灰度矩阵边缘元素去除方式即对图像像元灰度矩阵的裁剪处理分为如下16种：
①符号[]表示为取不大于符号[]内数值的最大整数，在光轴中心点相对于视场中心点左上偏离或者正上偏时：
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
②在光轴中心点相对于视场中心点左下偏离或者正左偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
③在光轴中心点相对于视场中心点右上偏离或者正右偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的后
个元素；
④在光轴中心点相对于视场中心点右下偏离或者正下偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除灰度矩阵每一列的前
个元素；
步骤C：以探测器阵列分辨率大小定义像素坐标系，令红外探测器光敏面单元阵列左上角的像素为坐标(0，0)点，如此可对红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元灰度矩阵做裁剪处理。以图3光学系统光轴中心点2相对于视场中心点1左下偏为例，像元灰度矩阵的裁剪处理方式如下：
当α≤0.5且β≤0.5时，
当α＞0.5且β＞0.5时，
当α＞0.5且β＞0.5时，
当α＞0.5且β＞0.5时，
根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，对于光学系统光轴中心相对于热像仪的视场中心左上偏、右上偏、右下偏的像元灰度矩阵的其它处理方式同理可得。
步骤D：将裁剪处理后的图像像元灰度矩阵，经图像非均匀校正处理、图像盲元补偿处理、图像增强处理后以一定帧频实时显示。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，其特征在于，调整红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元阵列的像元灰度矩阵的分布，对应去除每一帧的图像像元灰度矩阵在其边缘区域的矩阵元素，使得红外热像仪图像的视场中心与红外光学系统的光轴中心趋向重合；所述的校准方法包括以下步骤：
步骤A：通过红外热像仪性能测试系统测试得到待校准红外热像仪安装基准偏轴度的水平方向偏轴角度Δx、垂直方向偏轴角度Δy、光学系统的光轴中心点相对于红外热像仪图像的视场中心点的偏离方向和红外热像仪在瞄准视场的水平方向视场角X、垂直方向视场角Y；
步骤B：对于采用红外探测器分辨率为M×N的红外热像仪，可得光轴中心点相对于视场中心点在水平方向偏离的像素数目为
光轴中心点相对于视场中心点在垂直方向偏离的像素数目为
令2倍的
的小数为α，2倍的
的小数为β；根据光轴中心点相对于视场中心点的偏离方向和对小数α、β的值是否大于0.5的判断，可获得将每一帧图像的像元灰度矩阵边缘元素的去除方式即对每一帧的图像像元灰度矩阵的裁剪处理方式；
步骤C：以红外探测器阵列分辨率大小定义像素坐标系，令红外探测器光敏面像元阵列左上角的像素为坐标(0，0)点，对红外热像仪图像采集系统所采集的图像像元灰度矩阵做裁剪处理；
步骤D：将裁剪处理后的图像像元灰度矩阵经处理后以一定帧频实时显示。
2.根据权利要求1所述的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，其特征在于，对每一帧的图像像元灰度矩阵的裁剪处理方式为：
①符号[]表示为取不大于符号[]内数值的最大整数，在光轴中心点相对于视场中心点左上偏离或者正上偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
②在光轴中心点相对于视场中心点左下偏离或者正左偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的后
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
③在光轴中心点相对于视场中心点右上偏离或者正右偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的后
个元素；
④在光轴中心点相对于视场中心点右下偏离或者正下偏时：
当α≤0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β≤0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α≤0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素；
当α＞0.5且β＞0.5，去除像元灰度矩阵每一行的前
个元素，去除像元灰度矩阵每一列的前
个元素。
3.根据权利要求1所述的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，其特征在于，当光学系统光轴中心点相对于红外热像仪图像的视场中心左下偏或者正左偏时，像元灰度矩阵的裁剪处理具体如下：
当α≤0.5且β≤0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
其中，
为像素点(x，y)的灰度值，符号
为取不大于
值的最大整数，符号
为取不大于
值的最大整数；左边矩阵为处理前每一帧的图像像元灰度矩阵，右边矩阵为图像像元灰度矩阵经裁剪处理后保留的矩阵；
当α＞0.5且β≤0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
当α≤0.5且β＞0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
当α＞0.5且β＞0.5时，图像像元灰度矩阵做如下裁剪处理：
根据红外热像仪性能测试系统测试所得的安装基准偏轴度的偏轴角度和偏离方向，对于光学系统光轴中心相对于红外热像仪的视场中心左上偏、右上偏、右下偏的像元灰度矩阵的其它处理方式同理可得。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，其特征在于，对于采用红外探测器分辨率为M×N的红外热像仪，本方法的校准精度L在
以内。
5.根据权利要求1所述的热成像瞄准镜安装基准偏轴度的校准方法，其特征在于，所述步骤D具体为：将裁剪处理后的图像像元灰度矩阵，经图像非均匀校正处理、图像盲元补偿处理和图像增强处理后以一定帧频实时显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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