CN110646099A - 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 - Google Patents
基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110646099A CN110646099A CN201910886015.5A CN201910886015A CN110646099A CN 110646099 A CN110646099 A CN 110646099A CN 201910886015 A CN201910886015 A CN 201910886015A CN 110646099 A CN110646099 A CN 110646099A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- infrared
- pixel point
- temperature
- radiation image
- imaging system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 113
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 claims abstract description 50
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 claims description 36
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 27
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 18
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 6
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 26
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 23
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J2005/0077—Imaging
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置，该方法包括：采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；根据红外成像系统的黑体标定曲线以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。克服了传统的模型解算法得到的目标图像数据不真实，以及传统的实测法存在的测量误差等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于红外物理学领域，具体涉及一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置。
背景技术
目标红外热辐射经大气传输后，进入到红外成像系统，红外成像系统将目标的红外辐射信号转化为电信号，以供红外成像系统的信号处理机对目标红外辐射信息进行后处理。在不考虑大气效应和其他效应扰动的前提下，由于红外成像系统自身效应的影响，红外成像仪测量得到的红外辐射图像数据并非物体表面的真实辐射值，而是经过红外成像系统自身效应扰动后的值。所以要获取物体表面真实的辐射数据，必须对测量数据进行修正，修正的关键是建立修正模型，得到修正函数。但是，国内外目前对于通过目标物体实测数据、建立修正还原模型来反演目标真实红外辐射的研究内容并不多见，也鲜有类似的研究成果报道。
经科技查新，目前国内外在红外辐射成像这一领域的研究主要集中在两个方面，一个是在传统的红外场景生成技术方面，通常是基于红外辐射计算模型，根据理论计算的结果生成红外图像。由于技术水平的限制，目前所应用的红外辐射计算模型相当粗糙，计算结果与实际测量数据之间有很大误差，因此通过辐射计算模型生成的红外图像既够自然也不真实，对于后续的红外辐射探测产品的工程技术研发会产生较大的误差；另一个方面是大多都集中在利用小波分析、隐马尔科夫随机场、神经网络等理论方法研究对目标特征的提取算法，研究目标的运动、纹理、光谱等特征，基于特征去生成红外图像，也存在计算结果与实际测量数据之间有很大误差的问题。
发明内容
本发明的目的：
本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置，尽可能地排除红外成像仪自身效应扰动，科学、定量、客观地给出目标本源红外图像，达到确定并提取与具体的热成像系统无关的目标本质特征的目的。
本发明的技术方案：
本发明第一方面提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，包括以下步骤：
采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；
根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；
采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；
根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；
根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。
可选的，基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法还包括：
采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；
根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。
所述根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)，包括：
标定方法是在红外热像仪工作波段λ1～λ2内，λ1<λ2，将红外热像仪工作状态参数调整到实际测量时对应的工作状态参数，测定红外热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系：
式中，V(T)为热像仪的输出电压，单位为V；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度，单位为W·cm-2·sr-1·μm-1；R(λ)为红外热像仪的光谱响应度，单位：V·W-1·cm2·sr·μm·μm-1；λ波长，单位：μm；
当红外热像仪工作波段范围小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，可表示为
式中，λ0＝(λ1+λ2)/2，h为普朗克常数，单位W·s2，c为光速，单位cm·s-1，第二辐射常数c2＝1.438786×104，单位μm·K，温度T，单位K；Δλ＝λ2-λ1，
当红外热像仪工作波段范围不小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系可表示为：
其中，A、B为两个常数，根据多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)，利用最小二乘法确定。
可选的，所述采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度，包括：
将红外辐射图像中每个像素点(x,y)的温度Tx,y代入普朗克公式(10)，得到目标光谱辐出度f'(x,y)；
根据式(7)，对目标光谱辐出度f'(x,y)进行傅立叶变换，得到变换后的频谱域函数F'(u,v)；
将根据式(8)，对变换后的频谱域函数F'(u,v)除以对应的MTF，得到修正的频谱数据F(u,v)；
根据式(9)，对修正的频谱数据F(u,v)进行傅立叶逆变换，每个像素点的修正后的温度f(x,y)；其中，
F(u,v)＝MTF(u,v)-1×F'(u,v) (8)
式中，MTF(u,v)为红外成像系统对应的调制传递函数，x为像素点在红外辐射图像中的横坐标，y为像素点在红外辐射图像中的纵坐标；M，N分别对应红外辐射图像的最大横坐标和最大纵坐标位置；M和N为正整数，第一辐射常数c1＝3.741832×104，单位W·cm-2·μm4，u、v分别为红外成像系统中探测器的水平方向和垂直方向的空间频率。
可选的，MTF(u,v)＝MTFOptics·MTFdetector·MTFSignal为调制传递函数；
其中，MTFSignal代表红外成像系统中信号处理模块的调制传递函数，MTFDetector代表红外成像系统中探测器模块的调制传递函数；MTFOptics代表红外成像系统中光学系统模块的调制传递函数，
式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差，单位：mm；
式中α、β分别为探测器模块的水平宽度和垂直宽度，单位：mm；Δh,Δv分别为相邻两帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔，单位：mm，
MTFSignal＝[1+(u/f0)2]-1/2
式中f0为空间频率域的3dB频率。
可选的，所述采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，包括：
在采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像之前和之后，采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度；
黑体孔径尺寸大于或等于红外热像仪接受辐射能量的视场立体角。
本发明第二方面提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置，用于执行上述第一方面中的方法，具有相同和相似的技术手段和技术效果。
本发明提供的基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置，包括：
红外辐射图像获取模块，用于采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；
温度获取模块，用于根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；
修正模块，用于采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；
电压值获取模块，用于根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；
修正图像获取模块，用于根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。
可选的，基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置还包括：
黑体标定曲线获取模块，用于采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；
根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。
本发明的优点：
本发明中红外辐射数据反演的具体步骤是先在红外图像测量数据和其对应的辐射值之间进行映射，然后将对应出来的辐射数据进行修正，从而得到真实辐射数据。红外成像设备测量所得到的数据并非物体表面的真实辐射数据，而是经过成像系统作用后的电平值。从测量数据得到目标物体真实辐射值是红外辐射测量的逆过程，所以对测量数据修正的步骤和成像的过程是相反的。由红外测量得到的输出电平数据经过映射后得到的是经过成像系统扰动还没有转化为电平数据的辐射值，这一步就是数据标定；将经过标定得到的数据进行信号处理效应反演、探测器效应反演和光学系统效应反演，得到成像系统效应修正后的辐射数据。
本发明通过构建红外成像系统的调制传递函数(MTF)，并借助于黑体试验标定方法给出了热成像系统电平信号输出转换为目标表观辐射数据，克服了传统的模型解算法得到的目标图像数据不真实，以及传统的实测法存在的测量误差等缺陷。
本项发明技术和其中的计算方法并不局限于具体的、特定的数据，而是根据从测量的序列图像数据，并利用反演和重构的方法，确定目标本源红外特征数据，从而为研究如何提取弱示目标信号的本质特征、研究红外探测技术、建立红外目标特征模型、解决目标探测图像解析提供了方法；其研究成果可为机载/弹载红外成像制导、侦察、探测提供基础研究数据，并为机载光电系统设计、优化和性能评估提供了有效的技术途径。
附图说明
图1为红外图像数据反演修正原理图；
图2为热像仪标定曲线；
图3为一种热像仪标定曲线；
图4为红外辐射图象示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，即在试验中通过红外热像仪实测获取的目标成像数据，并结合修正还原模型，反演受到成像系统效应影响的目标物体表面真实红外辐射数据，得到目标的红外辐射图像。利用试验实测得到的数字图像反演目标本源红外辐射特性的方法，尽可能地排除红外成像仪自身效应扰动，科学、定量、客观地给出目标本源红外图像，达到确定并提取与具体的热成像系统无关的目标本质特征的目的。
图1为红外图像数据反演修正原理图，结合图1，基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，包括以下步骤：
标定红外热像仪步骤，将实际测量获得的目标物体辐射信号电压值转换为等效黑体温度，在实验室条件下，测量多组黑体温度，根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V，多组黑体温度数据之间的电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近，最终得到黑体标定曲线V(T)；
成像效应修正步骤，根据黑体标定曲线V(T)对已测图像进行标定后得到已测图像每个点对应的V(Tx,y)，其中Tx,y为已测图像每个点的坐标值x,y根据黑体标定曲线V(T)得到的对应的黑体标定温度，并使Tx,y＝f'(x,y)，将标定后数据根据式(7)进行傅立叶变换，然后根据式(8)对于变换后的频谱域函数除以对应的MTF；最后根据式(9)将修正的频谱数据进行傅立叶逆变换，即可完成标定后数据的成像效应修正。
F(u,v)＝MTF(u,v)-1×F'(u,v) (8)
式中，f(x,y)为未经过成像效应的数据；f'(x,y)为经过成像效应作用后的数据，也是实测数据经过标定后的数据；F(u,v)为f(x,y)对应的傅立叶频谱；F'(u,v)为f'(x,y)对应的傅立叶频谱；MTF(u,v)为成像系统对应的调制传递函数，x，y分别对应红外视场的横坐标和纵坐标位置；M，N分别对应红外视场的最大横坐标和最大纵坐标位置。
利用试验室黑体对红外热像仪的信号输出电平与对应的表观温度进行标定，所谓黑体就是指：在任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体，也即是说黑体的反射率和透过率均为零，吸收率等于1。
进一步地，还包括构建调制传递函数(MTF)的步骤。
成像系统的MTF只和系统的状态有关，与系统输入输出数据无关，因此可以将其抽象为一个滤波器。MTF表达式可以通过具体使用的热像仪产品厂家技术说明书和产品实验资料获取，也可以通过理论建模得到。这里给出一种理论建模途径，成像系统由光学系统、探测器和信号处理等环节组成。
该步骤在标定红外热像仪之后，成像效应修正之前，
系统的MTF表达式应该由这三部分组成，分别以MTFSignal代表信号处理模块的MTF，MTFDetector代表探测器模块的MTF；MTFOptics代表光学系统模块的MTF。
式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差，单位：mm
式中α、β分别为探测器模块的水平宽度和垂直宽度，单位：mm；Δh,Δv分别为相邻俩帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔，单位：mm，
MTFSignal＝[1+(u/f0)2]-1/2
式中f0为空间频率域的3dB频率；另外，上式中u、v分别为水平方向和垂直方向的空间频率，因此，成像系统总的MTF等于以上各部分的乘积：
MTF(u,v)＝MTFOptics·MTFdetector·MTFSignal。
所谓调制传递函数就是指：系统的输出频率调制和输入频率调制之比，该传递函数反映了系统本身的频率特性，而与系统的输入输出量值无关。成像系统效应反演修正模型：构建思路是将红外成像系统作为由一系列具有一定频率特性(空间的或时间的)子系统的合成。根据线性不变系统的卷积性质，若能得到各子系统的频率特性，则红外成像系统的频率特性也就确定了。在本项发明中，模型构建采用了调制传递函数(MTF)概念来描述子系统的频率特性，先逐个求出各子系统传递函数，再将它们相乘得到整个红外成像系统的调制传递函数(MTF)。
进一步地，步骤红外热像仪标定具体为：
标定方法是在红外热像仪工作波段λ1～λ2内，将红外热像仪工作状态参数调整到实际测量时对应的工作状态参数，测定红外热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系：
式中，V(T)为热像仪输出电平，单位：V；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度，单位：W·cm-2·sr-1·μm-1；R(λ)为热像仪光谱响应度，单位：V·W-1·cm2·sr·μm·μm-1；λ波长，单位：μm；
若λ1<λ2，当λ2-λ1＝Δλ，当Δλ/λ1<<1或Δλ/λ2<<1时，也就是热像仪工作波段Δλ很窄时，热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，即热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系可表示为
式中，λ0＝(λ1+λ2)/2，普朗克常数h＝(6.626176±0.000036)×10-34,单位W·s2，光速c＝(2.99792458±0.000000012)×1010，单位cm·s-1，第二辐射常数c2＝1.438786×104，单位μm·K，温度T，单位K；
若Δλ不满足Δλ/λ1<<1或Δλ/λ2<<1时，对于热像仪工作波段较宽时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系利用下述指数函数可以得到最佳拟合效果：
通过测量多组黑体温度T1、T2、T3……时热像仪对应输出的电平V(T1)、V(T2)、V(T3)……，利用最小二乘法即可确定A、B两个常数，从而得出黑体温度和电压值之间的近似解析式。
进一步地，步骤1红外热像仪标定中，
在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体对热像仪进行标定，大孔径黑体即黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角。为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。
由于红外成像仪测量得到的红外辐射图像数据并非物体表面的真实辐射值，而是经过红外成像系统自身效应扰动后的值。因此，要获得物体表面真实辐射数据，必须对测量数据进行修正，修正的关键是建立成像系统效应反演修正模型，得到修正函数，即调制传递函数(MTF)；其次就是对热成像系统的输入输出进行标定。
图2为热像仪标定曲线，图3为一种热像仪标定曲线，图4为红外辐射图象示意图。参阅图1至图4，本发明内容具体实施步骤包括：
步骤1、红外热像仪标定
将实际测量获得的目标物体辐射信号电压值转换为等效黑体温度，本发明采用的方法是在实验室条件下，测量多组黑体温度，有了这些数据，其他电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近。
由于实际测量获得的目标物体辐射数据是经过信号处理器转换的电压值(一般为14位数据采样值)，而不是物体的辐射亮度。如果按照理论分析来计算目标物体的辐射亮度，需要根据普朗克公式计算出目标物体每一点的辐射能量，但必须事先知道该点的温度值和发射率，而目标体上的每一点实际温度和发射率在实际测量中是很难准确获取的，因而无法直接利用普朗克公式计算目标体的辐射能量。本发明假定经红外成像仪测量得到的输出电平数据D对应于某一个具体的辐射值，而每一个辐射值又和一个具体的等效黑体温度值T对应，即输出电平数据和等效黑体温度之间存在一一对应的关系。依据这一关系可以在实验室对黑体进行辐射测量，得到在热像仪输出电平为D时对应的黑体温度T，T就是测量得到的电平数据为D所对应的等效黑体温度。
但是要完全测量每一个输出电平值所对应的黑体温度，工作量非常大，需要花费很长时间。本发明采用的方法是在实验室条件下，测量多组黑体温度，有了这些数据，其他电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近。
为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。标定方法是在热像仪工作波段(λ1～λ2)内，将热像仪工作状态参数调整到测量时对应的工作状态参数，测定热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系，参见图2。
为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。标定方法是在热像仪工作波段(λ1～λ2)内，将热像仪工作状态参数调整到测量时对应的工作状态参数，测定热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系。
式中，V(T)为热像仪输出电平(单位：V)；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度(单位：W·cm-2·sr-1·μm-1)；R(λ)为热像仪光谱响应度(单位：V·W-1·cm2·sr·μm·μm-1)；λ波长(单位：μm)。
当λ1-λ2＝Δλ同λ1或λ2相比很小时，也就是当Δλ/λ1<1或Δλ/λ2<1时，也就是热像仪工作波段Δλ很窄时，可以认为热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，即热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系可表示为
式中，λ0＝(λ1+λ2)/2，普朗克常数h＝(6.626176±0.000036)×10-34(W·s2)，光速c＝(2.99792458±0.000000012)×1010(cm·s-1)，第二辐射常数c2＝1.438786×104(μm·K)，温度T(K)。
对于热像仪工作波段较宽时，当Δλ/λ1>1且Δλ/λ2>1时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系利用下述指数函数可以得到最佳拟合效果：
通过测量不同黑体温度T1、T2、T3……时热像仪对应输出的电平V(T1)、V(T2)、V(T3)……(通常为5组或5组以上)，利用最小二乘法即可确定A、B两个常数，从而得出黑体温度和电压值之间的近似解析式。
具体事例：表1是某型号热像仪进行标定测量的电平值和黑体温度的对应表。图3为标定数据对应的标定曲线。
表1热像仪标定数据
| 电平值(DL) | 黑体温度(℃) |
| 342 | 8.2 |
| 393 | 22.2 |
| 647 | 36.8 |
| 995 | 66.3 |
| 1846 | 118.9 |
步骤2、调制传递函数(MTF)构建
成像系统的MTF只和系统的状态有关，与系统输入输出数据无关，因此可以将其抽象为一个滤波器。MTF表达式可以通过具体使用的热像仪产品厂家技术说明书和产品实验资料获取，也可以通过理论建模得到。这里给出一种理论建模途径，如图1所示，成像系统由光学系统、探测器和信号处理等环节组成。
因此，系统的MTF表达式应该由这三部分组成，分别以MTFSignal代表信号处理模块的MTF，MTFDetector代表探测器模块的MTF；MTFOptics代表光学系统模块的MTF。
式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差(单位：mm)。
式中α、β分别为探测器的水平宽度和垂直宽度(单位：mm)；Δh,Δv分别为相邻俩帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔(单位：mm)。
MTFSignal＝[1+(u/f0)2]-1/2
式中f0为空间频率域的3dB频率；另外，上式中u、v分别为水平方向和垂直方向的空间频率。因此，成像系统总的MTF等于以上各部分的乘积：
MTF(u,v)＝MTFOptics·MTFdetector·MTFSignal
步骤3、成像效应修正
电平数据经过步骤1标定转换成目标的表现黑体温度后，就可以对其进行修正。按照红外成像物理原理，目标真实的辐射数据经过式(4)，(5)，(6)就转换为实际测量得到的目标红外辐射数据。
F'(u,v)＝MTF(u,v)×F(u,v) (5)
式中，f(x,y)为未经过成像效应的数据；f'(x,y)为经过成像效应作用后的数据，也是实测数据经过标定后的数据；F(u,v)为f(x,y)对应的傅立叶频谱；F'(x,y)为f'(x,y)对应的傅立叶频谱；MTF(u,v)为成像系统对应的调制传递函数，x，y分别对应红外视场的横坐标和纵坐标位置；M，N分别对应红外视场的最大横坐标和最大纵坐标位置。
要对标定后的数据进行成像修正，就必须按照式(4)，(5)，(6)描述的物理过程所对应的逆过程进行处理。首先，将标定后数据进行傅立叶变换，然后对于变换后的频谱域函数除以其对应的MTF；最后将修正的频谱数据进行傅立叶逆变换，即可完成标定后数据的成像效应修正，整个过程如式(7)～(9)。
F(u,v)＝MTF(u,v)-1×F'(u,v) (8)
Claims (8)
1.一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；
根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；
采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；
根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；
根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；
根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)，包括：
标定方法是在红外热像仪工作波段λ1～λ2内，λ1<λ2，将红外热像仪工作状态参数调整到实际测量时对应的工作状态参数，测定红外热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系：
式中，V(T)为热像仪的输出电压，单位为V；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度，单位为W·cm-2·sr-1·μm-1；R(λ)为红外热像仪的光谱响应度，单位：V·W-1·cm2·sr·μm·μm-1；λ波长，单位：μm；
当红外热像仪工作波段范围小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，可表示为
式中，λ0＝(λ1+λ2)/2，h为普朗克常数，单位W·s2，c为光速，单位cm·s-1，第二辐射常数c2＝1.438786×104，单位μm·K，温度T，单位K；Δλ＝λ2-λ1，
当红外热像仪工作波段范围不小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系可表示为：
其中，A、B为两个常数，根据多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)，利用最小二乘法确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度，包括：
将红外辐射图像中每个像素点(x,y)的温度Tx,y代入普朗克公式(10)，得到目标光谱辐出度f'(x,y)；
根据式(7)，对目标光谱辐出度f'(x,y)进行傅立叶变换，得到变换后的频谱域函数F'(u,v)；
将根据式(8)，对变换后的频谱域函数F'(u,v)除以对应的MTF，得到修正的频谱数据F(u,v)；
根据式(9)，对修正的频谱数据F(u,v)进行傅立叶逆变换，每个像素点的修正后的温度f(x,y)；其中，
F(u,v)＝MTF(u,v)-1×F'(u,v) (8)
式中，MTF(u,v)为红外成像系统对应的调制传递函数，x为像素点在红外辐射图像中的横坐标，y为像素点在红外辐射图像中的纵坐标；M，N分别对应红外辐射图像的最大横坐标和最大纵坐标位置；M和N为正整数，第一辐射常数c1＝3.741832×104，单位W·cm-2·μm4，u、v分别为红外成像系统中探测器的水平方向和垂直方向的空间频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调制传递函数表示为MTF(u,v)＝MTFOptics·MTFdetector·MTFSignal；
其中，MTFSignal代表红外成像系统中信号处理模块的调制传递函数，MTFDetector代表红外成像系统中探测器模块的调制传递函数；MTFOptics代表红外成像系统中光学系统模块的调制传递函数，
式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差，单位：mm；
式中α、β分别为探测器模块的水平宽度和垂直宽度，单位：mm；Δh,Δv分别为相邻两帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔，单位：mm，
MTFSignal＝[1+(u/f0)2]-1/2
式中f0为空间频率域的3dB频率。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，包括：
在采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像之前和之后，采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度；
黑体孔径尺寸大于或等于红外热像仪接受辐射能量的视场立体角。
7.一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置，其特征在于，包括：
红外辐射图像获取模块，用于采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；
温度获取模块，用于根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；
修正模块，用于采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；
电压值获取模块，用于根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；
修正图像获取模块，用于根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
黑体标定曲线获取模块，用于采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；
根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910886015.5A CN110646099A (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910886015.5A CN110646099A (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110646099A true CN110646099A (zh) | 2020-01-03 |
Family
ID=68991985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910886015.5A Pending CN110646099A (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110646099A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112729559A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-30 | 上海瑞岳机电设备有限公司 | 一种lf炉炉内钢水温度监测系统 |
| CN113008404A (zh) * | 2021-02-22 | 2021-06-22 | 深圳市商汤科技有限公司 | 温度测量方法及装置、电子设备和存储介质 |
| CN113483896A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 国网浙江宁海县供电有限公司 | 一种电力设备测温方法、装置、计算机设备及存储介质 |
| CN114964518A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-08-30 | 北京环境特性研究所 | 一种目标红外辐射值推演方法、装置及存储介质 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076101A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-05-01 | 无锡艾立德智能科技有限公司 | 一种红外热像仪像元点的标定方法 |
| CN108692817A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-23 | 燕山大学 | 搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法 |
| CN109141646A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-01-04 | 中国铁道科学研究院集团有限公司 | 红外测温系统的标定方法及标定装置 |
-
2019
- 2019-09-20 CN CN201910886015.5A patent/CN110646099A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076101A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-05-01 | 无锡艾立德智能科技有限公司 | 一种红外热像仪像元点的标定方法 |
| CN108692817A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-10-23 | 燕山大学 | 搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法 |
| CN109141646A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-01-04 | 中国铁道科学研究院集团有限公司 | 红外测温系统的标定方法及标定装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 徐强 等: ""基于激光干扰红外成像系统的调制传递函数研究"", 《航空兵器》 * |
| 解卫博: ""一种实时红外场景仿真方法研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 黎建军: ""基于测量数据的目标红外图像仿真"", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士） 信息科技辑》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112729559A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-30 | 上海瑞岳机电设备有限公司 | 一种lf炉炉内钢水温度监测系统 |
| CN113008404A (zh) * | 2021-02-22 | 2021-06-22 | 深圳市商汤科技有限公司 | 温度测量方法及装置、电子设备和存储介质 |
| CN113483896A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 国网浙江宁海县供电有限公司 | 一种电力设备测温方法、装置、计算机设备及存储介质 |
| CN114964518A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-08-30 | 北京环境特性研究所 | 一种目标红外辐射值推演方法、装置及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110646099A (zh) | 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 | |
| Zhang et al. | A method for reducing the influence of measuring distance on infrared thermal imager temperature measurement accuracy | |
| CN111044153B (zh) | 一种图谱关联系统红外光谱的非线性定标方法及装置 | |
| CN111707376B (zh) | 一种面向宽波段热红外传感器的地表温度反演方法 | |
| CN109655161B (zh) | 基于红外热像仪的目标红外积分辐射强度测试方法及设备 | |
| CN104580894B (zh) | 一种红外焦平面的多点校正方法及系统 | |
| Zhang et al. | A method for improving temperature measurement precision on the uncooled infrared thermal imager | |
| CN107588854A (zh) | 基于内置参考体的高精度测温方法 | |
| CN109712089A (zh) | 适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法 | |
| CN106441808A (zh) | 一种热红外高光谱成像仪盲元检测装置和方法 | |
| CN112710397B (zh) | 一种基于温度替代的两点校正方法及系统 | |
| CN106017678A (zh) | 一种热红外高光谱遥感数据在轨光谱定标方法 | |
| CN113865717A (zh) | 一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置 | |
| CN116295852A (zh) | 一种基于图神经网络的中子散射实验样品温度场监测方法 | |
| CN113945282A (zh) | 红外遥感卫星温度反演精度指标分配系统及方法 | |
| CN110608800B (zh) | 大气吸收带太阳辐射照度的测量方法、装置和系统 | |
| CN110823380A (zh) | 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 | |
| CN111595458B (zh) | 红外热像仪辐射定标方法和装置 | |
| CN115931142A (zh) | 一种比色测温黑体标定方法 | |
| CN113029339B (zh) | 用于深空探测成像光谱仪的在轨多溯源光谱辐射定标方法 | |
| Guoqing et al. | Nonlinear atmospheric correction based on neural network for infrared target radiometry | |
| CN114894737A (zh) | 一种基于红外图像的光谱反射率重建方法 | |
| Yang et al. | Radiometric calibration algorithm for high dynamic range infrared imaging system | |
| Huang et al. | Research on radiometric calibration for super wide-angle staring infrared imaging system | |
| CN112629665B (zh) | 一种红外测温的信号处理方法、装置及电子设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200103 |