CN110095193B - 一种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统 - Google Patents

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CN110095193B CN201910399407.9A CN201910399407A CN110095193B CN 110095193 B CN110095193 B CN 110095193B CN 201910399407 A CN201910399407 A CN 201910399407A CN 110095193 B CN110095193 B CN 110095193B
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Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体提供了一种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统，根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围，在所述黑体温差范围内选择至少两个温度点，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的计算区域的信号响应数据并计算平均值，根据所述信号响应数据绘制平均值‑温差的曲线，采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值，根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差(NETD)。实现了红外产品NETD的准确测量，更准确的反映红外产品真实的NETD水平，形成统一化的NETD的测试系统平台，为竞标前期摸底试验等提供真实可靠的数据参考。

Description

一种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统。
背景技术
利用红外相机测量目标的红外辐射特性的过程中，往往需要测量红外相机的有效作用距离，根据有效作用距离估算红外相机的测量距离。一般地，红外相机的测量距离应小于有效作用距离。噪声等效温差(NETD)是影响有效作用距离的计算准确性的关键参量。
目前NETD的一般测试方法为采集两档温度数据，由于采样温度点较少，计算出的响应率会带来误差；另一方面，噪声的计算上只考虑每个像素点时域噪声，而没有考虑整体时域噪声、行噪声和列噪声等，也会带来误差，因此现有的红外热像仪产品的NETD测试精度低，无法为竞标前期摸底试验等提供真实可靠的数据参考。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中红外热像仪产品的NETD测试精度低的问题。
为此，本发明提供了一种红外热像仪噪声等效温差测试方法，包括：
S1：根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围；
S2：在所述黑体温差范围内选择5个温度点分别为-2k、-1k、0k、1k 及2k，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的噪声区域的信号响应数据并计算平均值；
S3：根据所述信号响应数据绘制平均值-温差的曲线；
S4：采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值；
S5：根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差；
所述噪声等效温差的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000021
其中，NETD为噪声等效温差，Vn为噪声均方根，SiTF为响应率值；
所述噪声均方根Vn的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000022
其中，
Figure GDA0002535350510000023
为
Figure GDA0002535350510000024
的平均值，
Figure GDA0002535350510000025
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure GDA0002535350510000026
Figure GDA0002535350510000027
Figure GDA0002535350510000028
Figure GDA0002535350510000029
Figure GDA00025353505100000210
Figure GDA00025353505100000211
Figure GDA00025353505100000212
Figure GDA00025353505100000213
Figure GDA00025353505100000214
Figure GDA00025353505100000215
其中，N为采集图像帧数，噪声区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据。
优选地，在所述步骤S1之前还包括：
将红外热像仪固定在旋转台上并开机，旋转所述旋转台使得所述红外热像仪对准靶标，并调节焦距对焦。
优选地，所述步骤S5具体包括：
综合考虑所述响应率值、时域噪声、空域噪声、行噪声及列噪声并测试得到所述红外热像仪的噪声等效温差。
优选地，所述包含所述温度点的噪声区域为通过框选包含该温度点在内的一个矩形区域。
优选地，所述步骤S2具体包括：通过设置图像宽高，分别手动框选各所述温度点以形成各自对应的包含该各所述温度点的噪声区域。
本发明还提供了一种噪声等效温差测试系统，包括：
黑体辐射单元，所述黑体辐射单元用于产生红外辐射；
红外热像仪，所述红外热像仪用于探测所述红外辐射；
数据采集模块，所述数据采集模块用于采集所述红外热像仪的探测数据中预定黑体温差范围内的包含所述温度点的计算区域的信号响应数据，其中所述温度点为-2k、-1k、0k、1k及2k，并将所述信号响应数据传输至 NETD计算模块；
NETD计算模块，所述NETD模块用于计算所述信号响应数据并绘制平均值-温差曲线，然后采用最小二乘法拟合得出曲线斜率并计算得到噪声等效温差；
数据成像显示模块，所述数据成像显示模块用于显示多个所述温度点、包含所述温度点的计算区域、平均值-温差曲线以及噪声等效温差；
所述噪声等效温差的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000041
其中，NETD为噪声等效温差，Vn为噪声均方根，SiTF为响应率值；
所述噪声均方根Vn的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000042
其中，
Figure GDA0002535350510000043
为
Figure GDA0002535350510000044
的平均值，
Figure GDA0002535350510000045
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure GDA0002535350510000046
Figure GDA0002535350510000047
Figure GDA0002535350510000048
Figure GDA0002535350510000049
Figure GDA00025353505100000410
Figure GDA00025353505100000411
Figure GDA00025353505100000412
Figure GDA00025353505100000413
Figure GDA00025353505100000414
Figure GDA00025353505100000415
其中，N为采集图像帧数，噪声区域大小为m×n ，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据。
本发明的有益效果：本发明提供的这种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统，根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围，在所述黑体温差范围内选择至少两个温度点，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的计算区域的信号响应数据并计算平均值，根据所述信号响应数据绘制平均值-温差的曲线，采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值，根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差。实现了红外产品NETD的准确测量，更准确的反映红外产品真实的NETD水平，形成统一化的NETD的测试系统平台，为竞标前期摸底试验等提供真实可靠的数据参考。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是红外热像仪噪声等效温差测试方法的流程示意图；
图2是红外热像仪噪声等效温差测试方法的数据显示界面。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种红外热像仪噪声等效温差测试方法，包括：
S1：根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围；
S2：在所述黑体温差范围内选择至少两个温度点，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的噪声区域的信号响应数据并计算平均值；
S3：根据所述信号响应数据绘制平均值-温差的曲线；
S4：采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值；
S5：根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差。
优选的方案，在所述步骤S1之前还包括：将红外热像仪固定在旋转台上并开机，旋转所述旋转台使得所述红外热像仪对准靶标，并调节焦距对焦。
优选的方案，所述步骤S5具体包括：综合考虑所述响应率值、时域噪声、空域噪声、行噪声及列噪声并测试得到所述红外热像仪的噪声等效温差。
优选的方案，所述包含所述温度点的噪声区域为通过框选包含该温度点在内的一个矩形区域。
优选的方案，所述步骤S2还包括：在所述-2k到+2k温差范围内选择5 个温度点，所述5个温度点分别为-2k、-1k、0k、1k及2k。
优选的方案，所述噪声等效温差的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000071
其中，NETD为噪声等效温差，Vn为噪声均方根，SiTF为响应率值。
优选的方案，所述噪声均方根Vn的计算公式为：
Figure GDA0002535350510000072
其中，
Figure GDA0002535350510000073
为
Figure GDA0002535350510000074
的平均值，
Figure GDA0002535350510000075
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure GDA0002535350510000076
Figure GDA0002535350510000077
Figure GDA0002535350510000078
Figure GDA0002535350510000079
Figure GDA00025353505100000710
Figure GDA00025353505100000711
Figure GDA00025353505100000712
Figure GDA00025353505100000713
Figure GDA00025353505100000714
Figure GDA00025353505100000715
其中，N为采集图像帧数，噪声区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据。
优选的方案，所述步骤S2具体包括：通过设置图像宽高，分别手动框选各所述温度点以形成各自对应的包含该各所述温度点的噪声区域。
由此可知，如图1和图2所示，红外热像仪的噪声等效温差测试方法的步骤为：先将被测红外热像仪固定在一个转台上，选择合适的靶标，这里的靶标为黑体，也称黑体辐射单元，一般黑体辐射单元包括黑体辐射源和半月靶板，是一个理想化了的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。通过旋转转台调节红外热像仪能接收到黑体的辐射，然后调节焦距使得靶标清晰，然后根据红外热像仪的动态范围设置黑体温度范围差，比如，一般设置温差范围为-2k到2k，在此温差范围内选择至少两个温度点，特别的设置5组黑体温度点，分别为-2k、-1k、0k、 1k及2k。将该温差范围内的包含所有选择的温度点的区域定义该区域为噪声区域，选择时通过在显示界面手动框选即可，框选的是一个矩形，待温度稳定后，采集该噪声区域内的信号响应数据，并求每个温度点对应的噪声区域的平均值。根据各温度点下的信号响应的平均值，绘制信号响应平均值-温差的曲线，采用最小二乘法拟合得出曲线斜率，即为响应率值。最后根据响应率值计算得出噪声等效温差，在计算的时候综合考虑时域噪声、空域噪声、行噪声和列噪声。
图2所示为一体化数据处理平台，通过设置图像宽高，手动框选计算区域，并批次读入5个温度点的数据即可自动运行，分别显示每个温度点下区域的均值，拟合曲线的斜率即为响应率值，再计算综合噪声，从而计算出NETD。
在计算综合噪声时，根据NETD的定义，NETD可以通过测量噪声均方差Vn和SiTF获得，用到的公式如下：
Figure GDA0002535350510000081
且
Figure GDA0002535350510000082
其中，ΔT—黑体温差，ΔVs—对应黑体温差的信号响应差，Vn—噪声均方根，SiTF—响应率值，即曲线斜率，也即当增益、灰度指数和直流恢复控制设定给定时，红外热像仪的灰度级输出对标准测试靶标中靶标—背景温差输入的函数关系。
SiTF的计算方法为：采集不同温度下的数据，根据各温度点下的信号响应平均值，绘制信号响应平均值-温差的曲线，采用最小二乘法拟合得出曲线斜率，即为SiTF值。
Vn计算方法为：采集N帧图像(N选择100帧)，设噪声选取区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据(i:行，j：列，K：帧数)，按照公式(13)公式进行计算，求出噪声均方根Vn，具体公式推导如下(2)-(12)所示：
为：
Figure GDA0002535350510000091
其中，
Figure GDA0002535350510000092
为
Figure GDA0002535350510000093
的平均值，
Figure GDA0002535350510000094
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure GDA0002535350510000095
Figure GDA0002535350510000096
Figure GDA0002535350510000097
Figure GDA0002535350510000098
Figure GDA0002535350510000099
Figure GDA00025353505100000910
Figure GDA00025353505100000911
Figure GDA00025353505100000912
Figure GDA00025353505100000913
Figure GDA0002535350510000101
其中，N为采集图像帧数，本实施例中N选择100帧，噪声区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据，Uxyt即为U(i，j，K)。计算时将公式3至12带入到公式2中即可。
本发明实施例还提供了一种噪声等效温差测试系统，包括：黑体辐射单元，所述黑体辐射单元用于产生红外辐射；红外热像仪，所述红外热像仪用于探测所述红外辐射；数据采集模块，所述数据采集模块用于采集所述红外热像仪的探测数据中预定黑体温差范围内的包含所述温度点的计算区域的信号响应数据，并将所述信号响应数据传输至NETD计算模块； NETD计算模块，所述NETD模块用于计算所述信号响应数据并绘制平均值-温差曲线，然后采用最小二乘法拟合得出曲线斜率并计算得到噪声等效温差；数据成像显示模块，所述数据成像显示模块用于显示多个所述温度点、包含所述温度点的计算区域、平均值-温差曲线以及噪声等效温差。如图2所示，通过设置图像宽高，手动框选计算区域，并批次读入5个温度点的数据即可自动运行，分别显示每个温度点下区域的均值，拟合曲线的斜率即为响应率值，再计算综合噪声，从而计算出NETD。
优选的方案，还包括参数设定模块，所述参数设定单元用于设定所述测试系统的温度点、包含所述温度点的计算区域、成像宽度及成像高度，所述温度点包括-2℃、-1℃、0℃、1℃及2℃。如图2所示，在显示界面设置温度1至温度的数值，并设置首参数行、成像宽度、成像高度、尾参数行，最后并可自动计算得出NETD的值，操作简单方便且精度高。
本发明的有益效果：本发明提供的这种红外热像仪噪声等效温差测试方法及系统，根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围，在所述黑体温差范围内选择至少两个温度点，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的计算区域的信号响应数据并计算平均值，根据所述信号响应数据绘制平均值-温差的曲线，采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值，根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差。实现了红外产品NETD的准确测量，更准确的反映红外产品真实的NETD水平，形成统一化的NETD的测试系统平台，为竞标前期摸底试验等提供真实可靠的数据参考。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种红外热像仪噪声等效温差测试方法，其特征在于，包括：
S1：根据红外热像仪的动态范围设置黑体温差范围；
S2：在所述黑体温差范围内选择5个温度点分别为-2k、-1k、0k、1k及2k，待温度稳定后采集所述黑体温差范围内的包含所述温度点的噪声区域的信号响应数据并计算平均值；
S3：根据所述信号响应数据绘制平均值-温差的曲线；
S4：采用最小二乘法拟合得出曲线斜率即为响应率值；
S5：根据所述响应率值以及测试噪声以获取所述红外热像仪的噪声等效温差；
所述噪声等效温差的计算公式为：
Figure FDA0002786250330000011
其中，NETD为噪声等效温差，Vn为噪声均方根，SiTF为响应率值；
所述噪声均方根Vn的计算公式为：
Figure FDA0002786250330000012
其中，
Figure FDA0002786250330000013
为
Figure FDA0002786250330000014
的平均值，
Figure FDA0002786250330000015
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure FDA0002786250330000016
Figure FDA0002786250330000017
Figure FDA0002786250330000018
Figure FDA0002786250330000019
Figure FDA00027862503300000110
Figure FDA0002786250330000021
Figure FDA0002786250330000022
Figure FDA0002786250330000023
Figure FDA0002786250330000024
Figure FDA0002786250330000025
其中，N为采集图像帧数，噪声区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据。
2.根据权利要求1所述的红外热像仪噪声等效温差测试方法，其特征在于，在所述S1之前还包括：
将红外热像仪固定在旋转台上并开机，旋转所述旋转台使得所述红外热像仪对准靶标，并调节焦距对焦。
3.根据权利要求1所述的红外热像仪噪声等效温差测试方法，其特征在于，所述S5具体包括：
综合考虑所述响应率值、时域噪声、空域噪声、行噪声及列噪声并测试得到所述红外热像仪的噪声等效温差。
4.根据权利要求1所述的红外热像仪噪声等效温差测试方法，其特征在于：所述包含所述温度点的噪声区域为通过框选包含该温度点在内的一个矩形区域。
5.根据权利要求1所述的红外热像仪噪声等效温差测试方法，其特征在于，所述S2具体包括：通过设置图像宽高，分别手动框选各所述温度点以形成各自对应的包含该各所述温度点的噪声区域。
6.一种噪声等效温差测试系统，其特征在于，包括：
黑体辐射单元，所述黑体辐射单元用于产生红外辐射；
红外热像仪，所述红外热像仪用于探测所述红外辐射；
数据采集模块，所述数据采集模块用于采集所述红外热像仪的探测数据中预定黑体温差范围内的包含温度点的计算区域的信号响应数据，其中所述温度点为-2k、-1k、0k、1k及2k，并将所述信号响应数据传输至NETD计算模块；
NETD计算模块，所述NETD计算模块用于计算所述信号响应数据并绘制平均值-温差曲线，然后采用最小二乘法拟合得出曲线斜率并计算得到噪声等效温差；
数据成像显示模块，所述数据成像显示模块用于显示多个所述温度点、包含所述温度点的计算区域、平均值-温差曲线以及噪声等效温差；
所述噪声等效温差的计算公式为：
Figure FDA0002786250330000031
其中，NETD为噪声等效温差，Vn为噪声均方根，SiTF为响应率值；
所述噪声均方根Vn的计算公式为：
Figure FDA0002786250330000032
其中，
Figure FDA0002786250330000033
为
Figure FDA0002786250330000034
的平均值，
Figure FDA0002786250330000035
为噪声中间变量，所述噪声中间变量推导公式如下：
Figure FDA0002786250330000036
Figure FDA0002786250330000037
Figure FDA0002786250330000038
Figure FDA0002786250330000039
Figure FDA0002786250330000041
Figure FDA0002786250330000042
Figure FDA0002786250330000043
Figure FDA0002786250330000044
Figure FDA0002786250330000045
Figure FDA0002786250330000046
其中，N为采集图像帧数，噪声区域大小为m×n，U(i，j，K)即为第K帧图像i行，j列对应的数据。
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