CN110595628A - 大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统，其中方法包括：将热像仪光路轴线对准黑体中心位置，调整热像仪与黑体之间的相对位置以及黑体温度，采集不同相对位置时不同黑体温度的红外图像；读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值；建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，并转换成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，进而得到红外热像仪标定曲线。本发明通过构建标定曲线，实现了对目标在典型大气吸收带波段红外辐射特性数据的定量分析处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外热像仪的定标方法，尤其涉及一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统。
背景技术
一切高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线，红外辐射是一种电磁辐射，它以光量子地形式被发射和吸收。红外波段包含三个大气窗口，分别为2μm～2.5μm、3μm～5μm、8μm～14μm，在大气窗口内，大气对红外线的吸收较少，因此大多数红外系统都选用大气窗口波段。
红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布瞬时可视化的技术设备。红外热像仪在出厂时经过严格的标定，其标定过程为将黑体设置到几个不同的温度，红外热像仪分别读出不同温度对应的电压值或灰度，不同温度对应的电压值在其标定范围内为线性，这样就建立了温度与电压值的关系。在测量时红外热像仪记录的是电压或是灰度，通过标定时建立的不同温度下黑体与热像仪对应电压灰度的关系算出目标和背景辐射温度并显示在显示器上。
通常对红外热像仪标定时，选定的是大气窗口，即中波3μm～5μm、长波8μm～14μm，热像仪响应(图像灰阶)在一定条件下与黑体温度为线性关系，热像仪与黑体的测试距离通常都在10m以内，属于近距离测试，大气传输对标定的影响一般忽略不计。但是，在大气吸收带波段，由于红外辐射亮度随着距离衰减严重，现有针对大气窗口波段的红外热像仪标定方式已经不适用，因此亟待一种大气吸收带波段的红外热像仪标定方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中缺乏有效地大气吸收带波段定标方法的问题，提供一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法，该方法包括以下步骤：
S1、将热像仪光路轴线对准黑体中心位置，调整热像仪与黑体之间的相对位置以及黑体温度，采集不同相对位置时不同黑体温度的红外图像；
S2、读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值；
S3、根据不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，并转换成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，进而得到红外热像仪标定曲线。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法中，所述步骤S1包括：
1)将黑体固定于试验台上；
2)将热像仪放置于滑轨上，热像仪光路轴线对准黑体中心位置；
3)设定热像仪在滑轨的多个位置，定义黑体中心位置与热像仪探测器口中心位置的距离d作为相对位置；
4)在同一相对位置d，设定不同的黑体温度T，通过热像仪采集黑体红外图像；
5)调整热像仪的位置，重复执行4)直至所需相对位置采集完毕。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法中，所述步骤S2中读取不同相对位置d获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置d与红外图像灰度值的第一关系式f(d)＝DL(d)，确定d＝0时的红外图像灰度值DL(0)作为热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法中，所述方法中热像仪的探测器口面前安装有波段为2.7μm～2.95μm的滤光片，该波段为大气吸收带波段。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法中，所述相对位置调整的范围建议为0～5m。
本发明第二方面，提供了一种大气吸收带红外辐射亮度定标装置，包括：
数据获取单元，用于获取热像仪在与黑体处于不同相对位置时不同黑体温度的红外图像；
第一数据处理单元，用于读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值；
第二数据处理单元，用于根据不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，作为红外热像仪标定曲线。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标装置中，所述第一数据处理单元读取不同相对位置d获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置d与红外图像灰度值的第一关系式f(d)＝DL(d)，确定d＝0时的红外图像灰度值DL(0)作为热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。
本发明第三方面，提供了一种大气吸收带红外辐射亮度定标系统，包括：
如前所述的大气吸收带红外辐射亮度定标装置；以及
位置调节机构，用于固定并调节黑体与热像仪之间的相对位置。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标系统中，所述位置调节机构包括：用于固定黑体的试验台以及用于放置热像仪的滑轨，所述热像仪光路轴线对准黑体中心位置。
在根据本发明所述的大气吸收带红外辐射亮度定标系统中，所述相对位置调整的范围为0～5m。
实施本发明的大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统，具有以下有益效果：本发明通过采集不同相对位置时不同黑体温度的红外图像，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，再获得红外热像仪在大气吸收带波段的标定曲线，进而实现了对目标在典型大气吸收带波段红外特性数据的定量分析处理，扩充了目标红外特性的定量测试波段。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的大气吸收带红外辐射亮度定标方法的流程图；
图2为1μm～14μm波段的大气透过率曲线；
图3为2.7μm～2.95μm波段的大气透过率曲线；
图4为2.7μm～2.95μm波段的大气透过率、水汽的大气透过率、二氧化碳的大气透过率曲线组图；
图5是红外热像仪在2.7μm～2.95μm波段对1300℃黑体辐射的响应随测试距离的拟合曲线；
图6是根据本发明得到的红外热像仪在典型大气吸收带波段的拟合标定曲线；
图7为两个测试点太阳在2.7μm～2.95μm波段红外图像灰阶三维对比图；
图8为根据本发明优选实施例的大气吸收带红外辐射亮度定标装置的模块框图。
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。
本发明提供了一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法，获得红外热像仪在典型大气吸收带波段的标定曲线，将大气吸收带波段的红外热像数据转变成可以定量分析的数据，通过数据分析，进而给出目标在典型大气吸收带波段的红外辐射特性。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的大气吸收带红外辐射亮度定标方法的流程图。如图1所示，该实施例提供大气吸收带红外辐射亮度定标方法包括以下步骤：
首先，在步骤S1中，执行数据获取步骤，将热像仪光路轴线对准黑体中心位置，调整热像仪与黑体之间的相对位置以及黑体温度，采集不同相对位置时不同黑体温度的红外图像。本发明中的热像仪，又可称为红外热像仪。
优选地，该步骤S1包括：
1)将黑体固定于试验台上；
2)将热像仪放置于滑轨上，热像仪光路轴线对准黑体中心位置；其中热像仪的探测器口安装有2.7μm～2.95μm波段的大气吸收带波段滤光片。
3)设定热像仪在滑轨的多个位置，定义黑体中心位置与热像仪探测器口中心位置的距离d作为相对位置；
4)在同一相对位置d，设定不同的黑体温度T，如T1、T2、T3、…、Tm，通过热像仪采集黑体红外图像；
5)调整热像仪的位置，重复执行4)直至所需相对位置采集完毕。由此可以获得不同相对位置d1、d2、d3、…、dn时不同黑体温度T1、T2、T3、…、Tm的红外图像。相对位置调整的范围优选为0～5m。
大气吸收是选择性吸收，在红外范围内主要的吸收气体是水汽、二氧化碳和臭氧。表1中列出了大气在红外波段的吸收带中心波长。
表1主要的大气红外吸收气体的吸收带中心波长
请参阅图2，为1μm～14μm波段的大气透过率曲线。图3为2.7μm～2.95μm波段的大气透过率曲线，2.7μm～2.95μm波段为典型大气吸收带。图4为2.7μm～2.95μm波段的大气透过率、水汽的大气透过率、二氧化碳的大气透过率曲线组图。其中曲线A为大气透过率，B为水汽的大气透过率，C为二氧化碳的大气透过率。本发明选择的用于定标方法的典型大气吸收带为2.7μm～2.95μm，以研究2.7μm～2.95μm波段红外热像仪测试距离与黑体红外图像灰度值的关系，建立测试距离与红外图像灰度值的关系，通过不同距离的灰阶数据，反演出目标在2.7μm～2.95μm波段达到热像仪镜头口面的探测器响应灰阶。通过上述步骤采集不同测试距离(即相对位置)、不同黑体温度下的黑体的红外图像，形成不同测试要素下黑体红外图像灰阶表，如表2所示。
表2
上标中DLij为第j个相对位置dj处第i个黑体温度Ti时采集的黑体的红外图像的灰阶即灰度值。
随后，在步骤S2中，执行第一数据处理步骤，读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。
具体地，该步骤中读取不同相对位置d获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置d与红外图像灰度值的第一关系式f(d)＝DL(d)，确定d＝0m时的红外图像灰度值DL(0)作为热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。例如，由DL11、DL12、DL13、DL14、…、DL1n拟合出在黑体温度为T1下红外图像灰阶随相对距离d的变化曲线，进而得出黑体放置于热像仪探测器口面时红外图像灰阶，即d＝0时的DL值。由此可以得到不同黑体温度T1、T2…、Tm时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。图5是红外热像仪在2.7μm～2.95μm波段对1300℃黑体辐射的响应随测试距离的拟合曲线，拟合函数为一阶衰减指数函数。
最后，在步骤S3中，执行第二数据处理步骤，根据不同黑体温度T时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值DL(0)，又可记为DL(0，T)，建立各个黑体温度T与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值DL(0，T)的第二关系式g(T)＝DL(0，T)，再转换成红外图像灰度值DL(0，T)与红外辐射亮度L的对应关系，即红外热像仪标定曲线。其中红外辐射亮度L与黑体温度T成四次平方关系。在红外探测器线性响应区，红外图像灰度值与红外辐射亮度L构成线性关系。
请参阅图6，是根据本发明得到的红外热像仪在典型大气吸收带波段的拟合标定曲线，拟合函数为一阶衰减指数函数。该曲线为红外图像灰度值与温度的第二关系式，后续再通过转换变成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，即可得到红外热像仪标定曲线。
本发明利用红外热像仪在2.7μm～2.95μm波段的拟合标定曲线，能够成功应用于太阳在大气吸收带波段红外特性定量计算。图7为两个测试点太阳在2.7μm～2.95μm波段红外图像灰阶三维对比图。其中二维平面的x轴和y轴分别表示红外图像像素的行和列。纵轴z轴表示红外图像灰度值。两个测试点分别位于不同的海拔高度。从图中可以看到，两个测试点的红外辐射亮度分布对比结果，与理论计算红外辐射亮度对比值基本一致。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种大气吸收带红外辐射亮度定标装置。请参阅图8，为根据本发明优选实施例的大气吸收带红外辐射亮度定标装置的模块框图。如图8所示，该实施例提供的装置800包括：数据获取单元801、第一数据处理802和第二数据处理单元803。
数据获取单元801，用于获取热像仪在与黑体处于不同相对位置时不同黑体温度的红外图像。该装置可与热像仪连接，由该数据获取单元801获取热像仪在与黑体处于不同相对位置时不同黑体温度的红外图像。具体的标定过程与前述数据获取步骤一致，在此不再赘述。
第一数据处理单元802，用于读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。该第一数据处理单元802的处理过程与前述方法中第一数据处理步骤一致，在此不再赘述。
第二数据处理单元803，用于根据不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，并转换成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，得到红外热像仪标定曲线。该第二数据处理单元803的处理过程与前述方法中第二数据处理步骤一致，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种大气吸收带红外辐射亮度定标系统，包括：如前所述的大气吸收带红外辐射亮度定标装置，以及位置调节机构，用于固定并调节黑体与热像仪之间的距离。该系统还可以包括用于标定的黑体和热像仪。该位置调节机构可以包括如前所述的用于固定黑体的试验台，以及用于放置热像仪的滑轨，其中热像仪光路轴线对准黑体中心位置。
综上所述，本发明解决了红外热像仪在典型大气吸收带波段的定标问题。本发明首先获取红外热像仪在典型大气吸收带波段不同温度不同测试距离下黑体的红外图像灰度值，建立测试距离与黑体响应值的关系f(d)＝DL(d)，进而建立黑体在典型大气吸收带波段的辐射亮度与DL(0,T)的关系，也就是红外热像仪标定曲线。根据本发明，利用红外热像仪在典型大气吸收带波段的定标方法，获得红外热像仪在大气吸收带波段的标定曲线，进而实现了对目标在典型大气吸收带波段红外特性数据的定量分析处理，扩充了目标红外特性的定量测试波段。
应该理解地是，本发明中大气吸收带红外辐射亮度定标方法、装置和系统的原理相同，因此对大气吸收带红外辐射亮度定标方法的实施例的详细阐述也适用于大气吸收带红外辐射亮度定标装置和系统。
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)
1.一种大气吸收带红外辐射亮度定标方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将热像仪光路轴线对准黑体中心位置，调整热像仪与黑体之间的相对位置以及黑体温度，采集不同相对位置时不同黑体温度的红外图像；
S2、读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值；
S3、根据不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，并转换成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，得到红外热像仪标定曲线。
2.根据权利要求1所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
1)将黑体固定于试验台上；
2)将热像仪放置于滑轨上，热像仪光路轴线对准黑体中心位置；
3)设定热像仪在滑轨的多个位置，定义黑体中心位置与热像仪探测器口中心位置的距离d作为相对位置；
4)在同一相对位置d，设定不同的黑体温度T，通过热像仪采集黑体红外图像；
5)调整热像仪的位置，重复执行4)直至所需相对位置采集完毕。
3.根据权利要求1所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法，其特征在于，所述步骤S2中读取不同相对位置d获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置d与红外图像灰度值的第一关系式f(d)＝DL(d)，确定d＝0时的红外图像灰度值DL(0)作为热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。
4.根据权利要求1所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法，其特征在于，所述方法中热像仪的探测器口面前安装有波段为2.7μm～2.95μm的滤光片。
5.根据权利要求1所述的大气吸收带红外辐射亮度定标方法，其特征在于，所述相对位置调整的范围为0～5m。
6.一种大气吸收带红外辐射亮度定标装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取热像仪在与黑体处于不同相对位置时不同黑体温度的红外图像；
第一数据处理单元，用于读取不同相对位置获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置与红外图像灰度值的第一关系式，确定不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值；
第二数据处理单元，用于根据不同黑体温度时热像仪探测器口面处的红外图像灰度值，建立黑体温度与热像仪探测器口面处的红外图像灰度值的第二关系式，并转换成红外图像灰度值与红外辐射亮度的对应关系，得到红外热像仪标定曲线。
7.根据权利要求6所述的大气吸收带红外辐射亮度定标装置，其特征在于，所述第一数据处理单元读取不同相对位置d获取的同一黑体温度的红外图像灰度值，建立相对位置d与红外图像灰度值的第一关系式f(d)＝DL(d)，确定d＝0时的红外图像灰度值DL(0)作为热像仪探测器口面处的红外图像灰度值。
8.一种大气吸收带红外辐射亮度定标系统，其特征在于，包括：
权利要求6或7所述的大气吸收带红外辐射亮度定标装置；以及
位置调节机构，用于固定并调节黑体与热像仪之间的相对位置。
9.根据权利要求8所述的大气吸收带红外辐射亮度定标系统，其特征在于，所述位置调节机构包括：用于固定黑体的试验台以及用于放置热像仪的滑轨，所述热像仪光路轴线对准黑体中心位置。
10.根据权利要求8所述的大气吸收带红外辐射亮度定标系统，其特征在于，所述相对位置调整的范围为0～5m。
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