CN109870240A - 具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，包括：红外测量单元，用于获取目标红外数字图像；所述红外测量单元至少包括红外探测器；实时定量处理单元，用于基于计算获得的红外探测器的实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像；红外标定单元，用于为所述实际标定系数和大气修正参数的获得提供测试数据。本发明实时计算红外探测器的当前实际标定系数，确保了对红外探测器的定标精度，并保证了对目标红外数字图像进行数据处理的实时性。

Description

具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统

技术领域

本发明涉及目标红外数据定量处理技术领域，尤其涉及一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统。

背景技术

对目标的红外特性进行定量分析是目标辐射特性分析的前提。要获得目标的辐射特性需要对目标的本真辐射特性进行高精度复原，包括:利用传感器采集目标的表观信息，再通过定量响应标定转换、目标表观辐射计算、距离修正及大气修正等复杂环节实现对目标辐射特性的定量提取。

由于红外定量处理过程复杂，计算量大，为了保证数据处理的准确性，目前的红外定量处理系统多采用后续处理方式，即先通过红外测量系统采集红外原始图像数据并存储，再对存储的图像进行定量分析处理，这种方式难以满足用户日益增长的实时处理需求。

另外，红外定量测量数据受环境影响比较大，目前对于外场测量而言，实时的外场标定很难保证。

因此，针对以上不足，需要提供一种红外图像实时定量处理系统，使得在线采集的红外图像能获得实时的定量处理，并能在线对红外探测器进行标定，以确保数据采集的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中红外数据的处理过程复杂，难以在确保精度的前提下满足数据处理实时性需求的缺陷，提供一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，包括：

红外测量单元，用于获取目标红外数字图像；所述红外测量单元至少包括红外探测器；

实时定量处理单元，用于基于计算获得的红外探测器的实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像；

红外标定单元，用于为所述实际标定系数和大气修正参数的获得提供测试数据。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述红外测量单元还包括：

控制器，用于对红外探测器进行选择控制，并将红外探测器的内部环境温度及积分时间传递给实时定量处理单元；

温度传感器，用于采集获得红外探测器的内部环境温度。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述实时定量处理单元包括：

图像采集卡，用于采集目标红外数字图像；

存储卡，用于缓存所述目标红外数字图像；

预标定器，用于采用红外标定单元预先获得红外探测器的预标定系数数据库；

显卡并行处理器，用于基于所述预标定系数数据库计算获得当前目标红外数字图像的预标定系数；再根据所述预标定系数计算获得实际标定系数；并采用大气传输修正模型计算获得大气修正参数；再基于所述实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述预标定系数数据库的获得方法包括：采用红外标定单元对红外探测器进行性能测试，根据性能测试结果确定定量标定参数，并制定定量标定方法，获得包括积分时间、黑体温度及红外探测器的内部环境温度作为输入量的红外探测器的预标定系数数据库。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述预标定系数的获得方法包括：

采用定标函数：

计算获得预标定系数，所述预标定系数包括一号标定系数A、二号标定系数B和三号标定系数C；

式中DN(T)为红外探测器输出的目标红外数字图像信号，T为黑体温度。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述获得实际标定系数的方法包括：根据红外探测器的内部环境温度及积分时间，由预标定系数数据库中确定预标定系数；再结合预标定系数进行积分时间和红外探测器的内部环境温度的线性插值和外推，获得实际标定系数。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述获得大气修正参数的方法包括：

基于红外标定单元获得大气环境参数，计算获得当前环境的大气透过率和大气程辐射，将所述当前环境的大气透过率和大气程辐射作为大气修正参数。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述实时定量处理单元还包括：

显示器，至少用于显示以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述红外标定单元包括：

定标黑体，用于红外探测器标定的基准源；

气象仪，用于获得大气环境参数。

在根据本发明所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统中，所述图像采集卡包括EBus接口板卡。

实施本发明的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，具有以下有益效果：本发明通过红外标定单元提供红外标定的基础数据，再通过实时定量处理单元实时计算获得对红外探测器的标定系数及大气修正参数，从而能够对目标红外数字图像进行可靠的转换，获得满足精度要求的目标红外辐射图像。

本发明实时计算红外探测器的当前实际标定系数，确保了对红外探测器的定标精度，并保证了对目标红外数字图像进行数据处理的实时性。有效解决了目前定量处理系统的实时性和准确性不能兼容的问题。

附图说明

图1为根据本发明的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统的示例性框图；

图2为根据本发明的一个具体实施例的示例性框图；

图3为根据本发明的实时定量处理单元的示例性流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明提供了一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，结合图1所示，包括：

红外测量单元100，用于获取目标红外数字图像；所述红外测量单元100至少包括红外探测器110；

实时定量处理单元200，用于基于计算获得的红外探测器110的实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像；

红外标定单元300，用于为所述实际标定系数和大气修正参数的获得提供测试数据。

本实施方式中，采用红外探测器110实时采集目标红外数字图像，再通过实时定量处理单元200实时对目标红外数字图像进行处理，获得目标红外辐射图像。在所述实时定量处理单元200中，可以借助于对所述红外标定单元300及红外探测器110的操控，预先获得红外探测器110的预标定系数，并存储于数据库中；然后以预标定系数作为实际标定系数计算的依据，并基于实际标定系数对目标红外辐射图像进行处理，获得目标红外辐射图像；本实施方式采用的预标定系数的计算方式，有利于提高实际标定系数的计算效率。

所述红外探测器110是红外测量单元100的核心部件，其获取的目标红外数字图像中包括目标与场景的信息。所述红外探测器110可以采用高分辨率、高灵敏度、大动态响应范围的制冷红外热像仪，配合开展辐射定标和标定参数修订，可确保红外测量设备具有定量测量能力。

进一步，结合图1所示，所述红外测量单元100还包括：

控制器120，用于对红外探测器110进行选择控制，并将红外探测器110的内部环境温度及积分时间传递给实时定量处理单元200；

温度传感器130，用于采集获得红外探测器110的内部环境温度。

本实施方式中，控制器120可以向实时定量处理单元200反馈红外探测器110的状态信号，同时也可以接收实时定量处理单元200的控制指令并传送给红外探测器110。

作为示例，控制器120可以对红外探测器110进行图像校正及参数设置选择等控制。所述参数中最为关心的是积分时间，调节积分时间可以简单快捷的增大探测器增益响应。

再进一步，结合图1及图3所示，所述实时定量处理单元200包括：

图像采集卡210，用于采集目标红外数字图像；

存储卡220，用于缓存所述目标红外数字图像；为保证高帧频、高分辨率原始图像数据存储的可靠性，存储卡220可采用多线程缓存、文件内存映射等技术。

预标定器230，用于采用红外标定单元300预先获得红外探测器110的预标定系数数据库；

显卡并行处理器240，用于基于所述预标定系数数据库计算获得当前目标红外数字图像的预标定系数；再根据所述预标定系数计算获得实际标定系数；并采用大气传输修正模型计算获得大气修正参数；再基于所述实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

本实施方式中，图像采集卡210可以直接获取红外探测器110输出的目标红外数字图像，并缓存于存储卡220中；预标定器230和显卡并行处理器240均可以由存储卡220中获得目标红外数字图像，同时预标定器230和显卡并行处理器240与控制器120可以相互进行信号的传送；显卡并行处理器240基于所述预标定系数数据库，完成对目标红外数字图像的转换，从而实现对目标红外图像的实时定量处理。

显卡并行处理器240根据红外探测器110的内部环境温度，与预标定器230中的预标定系数可进行自动匹配，计算获得实际标定系数后，可手动或自动选取目标红外数字图像中的目标进行实时定量分析处理。

所述预标定器230可以通过控制定标黑体310辐射体温度，来获得不同预设温度下定标黑体红外图像；再利用采集的定标黑体红外图像与相应黑体温度处理标定数据，生成标定曲线，建立测量灰度与标准黑体辐射亮度之间的关系，为后续数据分析处理提供支撑。所述定标黑体红外图像即为灰度图像，一般红外图像量化为8位、10位、12位、13位、14位的数字图像，例如10位红外数字图像，每个像素的灰度量化等级在0～2¹⁰-1之间。

然后在实际使用中，根据红外探测器的当前环境温度及当前获得的目标红外数字图像，由所述标定曲线，可计算获得预标定系数，再进行计算获得实际标定系数。基于红外辐射机理并结合实际经验，可利用指数函数作为红外探测器110的定标函数，从而得到一种简明而又高精度的定标函数。

所述预标定器230同时具备现场标校修正功能，可以消除红外探测器110长期使用后出现温度漂移带来的影响。本发明主要是为了获得实际标定系数，用于处理目标红外数字图像，而此处的现场标校修正为根据实际环境条件的需要对红外探测器进行现场标定。

显卡并行处理器240中预置大气传输修正模型，结合图1所示，它可以根据气象仪320获取的大气温度、湿度、压力及能见度等参数，计算大气透过率和大气程辐射，并用于修正定量处理中大气环境因素带来的偏差。利用显卡并行处理器240的高性能计算和并行处理能力，能够满足实时红外图像定量处理的需求。

进一步，结合图1所示，所述预标定系数数据库的获得方法包括：采用红外标定单元300对红外探测器110进行性能测试，根据性能测试结果确定定量标定参数，并制定定量标定方法，获得包括积分时间、黑体温度及红外探测器110的内部环境温度作为输入量的红外探测器110的预标定系数数据库。

预标定器230对红外探测器110进行全面的性能测试，包括稳定性、重复性、环境条件适应性和动态响应范围等方面；然后根据测试结果确定定量标定参数，制定定量标定方案，获取以积分时间、黑体温度、红外探测器110的内部环境温度和目标灰度为主要输入量的预标定系数数据库。所述目标灰度为所述目标红外数字图像所对应的量化灰度等级。

作为示例，所述预标定器230对红外探测器110进行标定的过程可以为：记录红外探测器110的内部环境温度T1，黑体温度T2，积分时间t这3个变量条件下的红外图像的灰度。例如，T1设定20°、25°、30°三个温度点，T2设定20°、30°、40°、50°、60°、70°六个温度点，t设定1000us、1500us、2000us、2500us、3000us五个积分时间，可记录获得3×6×5＝90组红外图像，建立红外灰度与红外温度之间的映射关系，即定标函数。

作为示例，所述预标定系数的获得方法包括：

采用定标函数：

计算获得预标定系数，所述预标定系数包括一号标定系数A、二号标定系数B和三号标定系数C；

式中DN(T)为红外探测器110输出的目标红外数字图像信号，T为黑体温度。

本实施方式中，图像采集卡210和存储卡220在采集和存储目标红外数字图像的同时，显卡并行处理器240能够按照图像帧对目标红外数字图像实时进行定量分析处理，即根据红外探测器的内部环境温度自动匹配定标函数，从而确定预标定系数，用于对目标红外数字图像进行处理。

本发明中预标定器230对红外探测器110进行标定的过程是利用有限的红外探测器110的内部环境温度T1，黑体温度T2，积分时间t的原始红外图像，得到有限点的定标函数，即在某恒定T1和t条件下，得到温度T2到红外灰度的映射关系定标函数。而在实际测量过程中，红外探测器110的内部环境温度T1’为测量值(已知量)，积分时间t’为用户设置值(已知量)，红外灰度图为采集值(已知量)，然后根据有限的定标函数(温度到灰度)，经过逆推计算(灰度到温度)得到红外温度图。

由于红外探测器是测量温差的设备，灵敏度越高，对环境的适应性就越差；由于红外探测器的内环境温度值是已知的，因此通过定标函数，通过不同环境温度下的标定数据，可以推算出环境温度变化不敏感的标定方法，即利用定标函数计算获得实际标定系数：由有限的定标函数，通过在环境温度T1方向线性插值外推，得到当前实际环境温度T1’条件下的标定系数。

再进一步，结合图1和图3所示，所述获得实际标定系数的方法包括：根据红外探测器110的内部环境温度及积分时间，由预标定系数数据库中确定预标定系数；再结合预标定系数进行积分时间和红外探测器110的内部环境温度的线性插值和外推，获得实际标定系数。

显卡并行处理器240根据红外探测器110的内部环境温度及积分时间，可以从预标定系数数据库中自动查找匹配对应条件下的现有标定数据，并进行积分时间和环境温度两个维度的线性插值和外推，得到高精度的实际标定系数。

再进一步，结合图1所示，所述获得大气修正参数的方法包括：

基于红外标定单元300获得大气环境参数，计算获得当前环境的大气透过率和大气程辐射，将所述当前环境的大气透过率和大气程辐射作为大气修正参数。

为了修正环境辐射对目标辐射特性的影响，加入大气传输修正模型,在MODTRAN基础上开发的大气修正专用软件，可根据气象仪320获取的大气温度、湿度、压力、能见度等参数，计算大气透过率和大气程辐射，并用于修正定量处理中大气环境因素带来的偏差；利用计算的标定系数和大气修正参数，实时将红外热像仪采集的目标与背景的红外数字图像转换成以辐射温度表示的目标与背景的红外辐射图像，由于红外图像每个像素值在图像转换过程前后为一一对应关系，互不影响，符合并行计算处理要求，因此可利用显卡GPU的计算能力，加速红外定量处理过程，以满足实时性要求。

再进一步，结合图1所示，所述实时定量处理单元200还包括：

显示器250，至少用于显示以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

显示器250主要用于在屏幕界面上显示红外灰度图像、红外温度图像、各类设备状态及参数、定量处理结果等。其中定量处理结果包括：目标辐射温度的平均值和标准差、目标辐射亮度的平均值和标准差、目标像大小(像素数)、背景辐射温度的平均值和标准差、背景辐射亮度的平均值和标准差等。

再进一步，结合图1所示，所述红外标定单元300包括：

定标黑体310，用于红外探测器110标定的基准源；

气象仪320，用于获得大气环境参数。

作为示例，所述图像采集卡210包括EBus接口板卡，可方便利用网线将红外探测器110与计算机连接。

结合图2所示，为本发明的一个具体实施例，它结合了控制计算机及数据总线共同对过程数据进行处理，能够极大的提高本发明系统的工作效率。例如，控制器120需要向实时定量处理单元200传递的信号可以通过串口传递至控制计算机，而实时定量处理单元200中的其它组件可以与控制计算机通过总线进行数据的传输，并且红外标定单元300也可以通过串口向控制计算机传递数据。当实时定量处理单元200中某一组件需要获取某一状态数据或向外传递控制指令时，都通过总线传递至控制计算机，而红外测量单元100和红外标定单元300可以直接由控制计算机获得相关的控制指令，从而实现预期的操作。

所述控制计算机和图像采集卡210为硬件组件。控制计算机可以采用中高端性能配置，其中硬盘选用固态硬盘(如三星970PRO 500G)，可用于高速存储红外实时图像；显卡选用市面主流具有GPU计算单元的显卡(如NviDIA GTX 1080)，除用于显示红外图像外，还利用其GPU计算能力进行并行计算，加速红外定量处理过程。

结合图3所示，实时定量处理单元200的基本工作过程包括：

红外测量单元100开机后，图像采集卡210实时采集目标红外数字图像；若红外探测器110需要现场标校，可控制红外标定单元300，在红外探测器110的工作波段内和测量量程内，测量红外探测器110输出信号和黑体温度之间的关系，得到标定系数。然后进入定量处理流程，通过读取大气参数、红外探测器的积分时间和探测器温度等参数，从预标定系数数据库中自动查找匹配对应条件下的预标定系数，再通过线性插值和外推，获得实际标定系数。

图3中，当采集目标红外数字图像成功后，实时定量处理单元200中各组件可以进入实时处理，并将处理结果进行存储及图像显示。

综上所述，本发明充分考虑到红外标定及大气环境对定量处理精度的影响，保证了定量处理的准确性；同时，利用显卡并行处理器的高性能计算和并行处理能力，保证了定量处理的实时性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于包括：

红外测量单元(100)，用于获取目标红外数字图像；所述红外测量单元(100)至少包括红外探测器(110)；

实时定量处理单元(200)，用于基于计算获得的红外探测器(110)的实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像；

红外标定单元(300)，用于为所述实际标定系数和大气修正参数的获得提供测试数据。

2.根据权利要求1所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述红外测量单元(100)还包括：

控制器(120)，用于对红外探测器(110)进行选择控制，并将红外探测器(110)的内部环境温度及积分时间传递给实时定量处理单元(200)；

温度传感器(130)，用于采集获得红外探测器(110)的内部环境温度。

3.根据权利要求1或2所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述实时定量处理单元(200)包括：

图像采集卡(210)，用于采集目标红外数字图像；

存储卡(220)，用于缓存所述目标红外数字图像；

预标定器(230)，用于采用红外标定单元(300)预先获得红外探测器(110)的预标定系数数据库；

显卡并行处理器(240)，用于基于所述预标定系数数据库计算获得当前目标红外数字图像的预标定系数；再根据所述预标定系数计算获得实际标定系数；并采用大气传输修正模型计算获得大气修正参数；再基于所述实际标定系数和大气修正参数，将所述目标红外数字图像转换为以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

4.根据权利要求3所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述预标定系数数据库的获得方法包括：采用红外标定单元(300)对红外探测器(110)进行性能测试，根据性能测试结果确定定量标定参数，并制定定量标定方法，获得包括积分时间、黑体温度及红外探测器(110)的内部环境温度作为输入量的红外探测器(110)的预标定系数数据库。

5.根据权利要求3或4所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：所述预标定系数的获得方法包括：

采用定标函数：

计算获得预标定系数，所述预标定系数包括一号标定系数A、二号标定系数B和三号标定系数C；

式中DN(T)为红外探测器(110)输出的目标红外数字图像信号，T为黑体温度。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述获得实际标定系数的方法包括：根据红外探测器(110)的内部环境温度及积分时间，由预标定系数数据库中确定预标定系数；再结合预标定系数进行积分时间和红外探测器(110)的内部环境温度的线性插值和外推，获得实际标定系数。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：所述获得大气修正参数的方法包括：

基于红外标定单元(300)获得大气环境参数，计算获得当前环境的大气透过率和大气程辐射，将所述当前环境的大气透过率和大气程辐射作为大气修正参数。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述实时定量处理单元(200)还包括：

显示器(250)，至少用于显示以辐射温度表示的目标红外辐射图像。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述红外标定单元(300)包括：

定标黑体(310)，用于红外探测器(110)标定的基准源；

气象仪(320)，用于获得大气环境参数。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的具有环境自适应性的目标红外图像实时定量处理系统，其特征在于：

所述图像采集卡(210)包括EBus接口板卡。