CN110967114B - 一种用于长波红外光学系统的低温标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于长波红外光学系统的低温标定系统。该长波红外光学系统的低温标定系统包括具有温度传感器的低温腔型黑体，保温隔热层，具有密封保护玻璃、第一反射镜和第二反射镜的平行光管，充氮密封管，待标定的光学系统和具有温度控制器的上位机。本发明实施例所提供的用于长波红外光学系统的低温标的系统能够针对长波红外系统的响应特性进行全温度范围(即‑50℃～50℃)标定的系统且具有成本低、体积小、功耗小、升降温速度快等特点，可有效地提高长波红外系统的标定效率及标定精度。
Description
技术领域
本发明涉及进行红外光学系统的标定的技术领域，具体涉及一种用于长波红外光学系统的低温标定系统。
背景技术
近年来，红外光学系统已经广泛地应用于成像、测量等领域。因为红外相机成像天然具有不均匀性，所以必须对其所有像素的不均匀性进行校正，才能实现良好的成像效果。不均匀性校正的过程需要计算相机各像素的响应，进而修正其不均匀性。为了进行目标红外特性的测量，也需要计算各像素的响应，进而计算某成像灰度值下目标亮度、等效温度等参数。目前，对红外光学系统进行标定的标定系统一般使用面源黑体，面源黑体的辐射面必须大于光学系统的入瞳。根据不同面源黑体辐射面的大小，其工作温度范围在室温～1200℃之间。
标定系统对波长为3.7μm～4.8μm的中波红外和波长为0.9μm～1.7μm的短波红外都具有良好的效果。由于长波红外的响应波段针对的温度范围有相当一部分在摄氏零度以下(-50℃～50℃)，因此，对于波长为7.7μm～9.3μm的长波红外，类似的常温或高温标定系统无法对长波红外系统进行完整标定。
传统的解决思路是采用低温面源黑体，但制造大尺寸的低温面源黑体技术难度高，需要涉及制冷机、循环机等一系列设备。进一步地，现有的针对长波红外的标定系统存在价格高、体积大、功耗大、可靠性差、维护困难、升降温速度慢、辐射面工作温度低于室温易产生冷凝滴水等现象。上述困难及现象极大地限制了低温面源黑体的应用，造成了长波红外系统低温段标定数据缺失，仅能靠常温段数据外推，因此数据精度差。
因此，针对现有的用于长波红外光学系统的标定系统所存在实现技术难度大、价格高、体积大、功耗大、升降温速度慢等一系列问题，有必要提出一种能够针对长波红外系统的响应特性进行全温度范围(即-50℃～50℃)标定的系统且具有成本低、体积小、功耗小、升降温速度快等特点。
发明内容
针对现有的用于长波红外光学系统的标定系统所存在实现技术难度大、价格高、体积大、功耗大、升降温速度慢等一系列问题，本发明实施例提出一种用于长波红外光学系统的低温标的系统。该用于长波红外光学系统的低温标的系统能够针对长波红外系统的响应特性进行全温度范围(即-50℃～50℃)标定的系统且具有成本低、体积小、功耗小、升降温速度快等特点，可有效地提高长波红外系统的标定效率及标定精度。
本发明实施例中提供的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统的具体方案如下：一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，包括：低温腔型黑体，作为光辐射源；平行光管，与所述低温腔型黑体连接，将所述低温腔型黑体所发射的光转换成平行出射光；所述平行光管包括：第一反射镜、第二反射镜和密封保护玻璃；所述第一反射镜设置于所述平行光管内且位于所述平行光管与所述低温腔型黑体的连接处，用于反射所述低温腔型黑体所发射的光；所述第二反射镜设置于所述平行光管的底端，用于反射所述第一反射镜所反射的光；所述密封保护玻璃，设置在所述平行光管的出瞳处，用于密封所述平行光管且不阻挡出射光线；密封管，设置在所述平行光管的外围，用于密封所述平行光管；保温隔热层，设置在所述密封管的外围，用于对所述平行光管进行保温隔热；待标定的光学系统，设置在所述平行光管的出射光口的前方，用于接收从所述平行光管中射出的光；上位机，与所述低温腔型黑体连接，与所述待标定的光学系统连接，用于向所述低温腔型黑体发出控制命令并对所述光学系统进行标定。
优选地，所述密封管的管内空间设有惰性气体。
优选地，所述低温腔型黑体内设有温度传感器，所述温度传感器用于采集所述低温腔型黑体的温度。
优选地，所述上位机包括温度控制器。
优选地，所述待标定的光学系统的入瞳与所述平行光管的出瞳对准。
优选地，所述上位机包括标定软件，所述标定软件根据选定的标定温度范围和标定点数量，自动计算标定温度间隔；所述标定软件根据所述待标定的光学系统的参数，确定标定文件的采集参数。
优选地，所述待标定的光学系统的参数包括光学系统中相机的分辨率、帧频、积分时间长度、档位、光学系统是否存在滤光片或光学系统的滤光片的透过率。
优选地，所述标定软件判断
与
之间的大小关系来确定标定的起始状态，若
则先降温而后从预设温度下限上升；若
则先升温而后从预设温度上限下降；其中，TH为预设温度上限，TL为预设温度下限，T0为当前环境温度，AH为低温腔型黑体的升温速度，AL为低温腔型黑体的降温速度。
优选地，所述标定软件的标定步骤包括：步骤S1：向所述低温腔型黑体发送温度控制命令；步骤S2：以固定频率向所述低温腔型黑体发送查询指令并接收所述低温腔型黑体的反馈信息；步骤S3：结合所述反馈信息判断是否可以采集图像，若可以采集图像这控制所述待标定的光学系统根据预设参数切换滤光片，待滤光片切换到位后，再切换所述待标定的光学系统的相机的积分时间档位，在每个积分档位均采集红外图像；步骤S4：在当前温度采集个工作参数条件下的红外图像采集完毕后，所述标定软件发送完毕命令和发送下一个温度点命令至所述低温腔型黑体，所述低温腔型黑体接收命令后重复步骤S3和步骤S4，直至所有预设温度点都采集完毕；步骤S5：所述标定软件根据定标数学模型进行计算和定标。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统中所采用的零部件都是成熟产品，极大地降低了购置、使用和维护的成本。进一步地，本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统中只需要维护密封保护玻璃外侧的表面清洁度，不需要维护其他的零部件，有效地降低了对操作人员的要求。进一步地，本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统中低温腔型黑体的升降温度速度快，且可以通过软件实现一键操作，有效地缩短了标定时间，极大地提高了标定的效率。进一步地，本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统由于其实现的难度低，使得长波红外标定系统能够普及推广，从而能够间接地提高长波红外光学系统的性能，如其成像质量和目标特性测量的精度等。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统的结构示意图。
附图中标注说明：
100、标定系统 1、低温腔型黑体 2、保温隔热层
3、密封保护玻璃 4、第一反射镜 5、密封管
6、第二反射镜 7、待标定的光学系统 8、上位机
9、平行光管
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例所提供的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统的结构示意图。一种用于长波红外光学系统的低温标定系统100包括：作为光辐射源的低温腔型黑体1，与低温腔型黑体1连接且将低温腔型黑体1所发射的光转换成平行出射光的平行光管9，设置在平行光管9的外围且用于密封所述平行光管9的密封管5，设置在密封管5的外围且用于对平行光管9进行保温隔热的保温隔热层2，设置在平行光管9的出瞳的前方且于接收从平行光管9中射出的光的待标定的光学系统7，与低温腔型黑体1连接、与待标定的光学系统7连接且用于向低温腔型黑体1发出控制命令并对光学系统7进行标定的上位机8。
在该实施例中，平行光管9包括第一反射镜4、第二反射镜6和密封保护玻璃3。第一反射镜4设置于平行光管9内且位于平行光管9与低温腔型黑体1的连接处，用于反射低温腔型黑体1所发射的光。第二反射镜6设置于平行光管9的底端，用于反射第一反射镜4所反射的光。密封保护玻璃3设置在平行光管1的出射光口，用于密封平行光管9且不阻挡出射光线。在优选实施例中，密封管5的管内空间设有惰性气体，具体如氮气、氩气、氦气等气体。保温隔热层2具体可以采用聚氨酯材料制成，具有保温隔热的效果。
在该实施例中，待标定的光学系统7的入瞳与平行光管9的出瞳对准，并使平行光管出瞳覆盖光学系统入瞳。优选地，待标定的光学系统7与平行光管9之间的距离尽量地小。
在该实施例中，低温腔型黑体1内设有温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器用于采集低温腔型黑体1的温度。在该实施例中，上位机8具体采用计算机。上位机8还包括温度控制器(图中未示出)，温度控制器用于控制低温腔型黑体1的温度。使用RS232串口通信线缆连接低温腔型黑体1和上位机8。使用Camera-Link线缆连接待标定光学系统7中的红外相机和上位机8中的图像采集卡，而后为低温腔型黑体1、上位机8和红外相机加电，检查工作是否正常。
上位机8还包括标定软件。经过上电，确定各系统工作正常后，打开上位机的标定软件。标定软件根据待测光学系统中红外相机的响应波段和对应的辐射温度选定的标定温度范围和标定点数量，自动计算标定温度间隔；所述标定软件根据所述待标定的光学系统的参数，确定标定文件的采集参数，而后即可开始进行标定。待标定的光学系统7的参数包括待标定的光学系统中相机的分辨率、帧频、积分时间长度、档位、光学系统是否存在滤光片或光学系统的滤光片的透过率。长波红外相机的响应波段会有差别，相机说明书中会说明其响应波段和对应的温度
标定过程开始后，为节省标定时间和尽量减小环境温度漂移带来的误差，所述标定软件通过判断
与
之间的大小关系来确定标定的起始状态，若
则先降温而后从预设温度下限上升；若
则先升温而后从预设温度上限下降；其中，TH为预设温度上限，TL为预设温度下限，T0为当前环境温度，AH为低温腔型黑体的升温速度，AL为低温腔型黑体的降温速度。AH和AL可通过低温腔型黑体1的说明书获得。
在该实施例中，标定软件的标定步骤具体如下所述。
步骤S1：向所述低温腔型黑体发送温度控制命令。
步骤S2：以固定频率向所述低温腔型黑体发送查询指令并接收所述低温腔型黑体的反馈信息。低温腔型黑体的反馈信息具体包括当前工作温度和温度是否稳定的信息。固定频率可以根据需求进行设定，一般可设为1HZ。
步骤S3：结合所述反馈信息判断是否可以采集图像，若可以采集图像这控制所述待标定的光学系统根据预设参数切换滤光片，待滤光片切换到位后，再切换所述待标定的光学系统的相机的积分时间档位，在每个积分档位均采集红外图像。
步骤S4：在当前温度采集个工作参数条件下的红外图像采集完毕后，所述标定软件发送完毕命令和发送下一个温度点命令至所述低温腔型黑体，所述低温腔型黑体接收命令后重复步骤S3和步骤S4，直至所有预设温度点都采集完毕。
步骤S5：所述标定软件根据定标数学模型进行计算和定标。定标的数学模型，如公式1所示：
DN＝t(Gw·Lb+hout)+hin (公式1)
其中，DN为成像灰度值，t为红外相机积分时间，Gw为像元对黑体辐射响应率，hout为系统内部杂散辐射引起灰度响应，hin为红外相机暗电流引起的灰度响应。
以积分时间t为自变量，选择任意两个温度点，得到以积分时间为横轴，以像元灰度为纵轴的线性方程，联立两个线性方程即可解出公式1中的Gw、hout和hin，即相机的响应。由于系统标定了多个温度点，可使用最小二乘法等手段进行进一步的精确修正与拟合。
优选地，在步骤S4和步骤S5之间包括步骤S41：上位机8的标定软件发送归零命令至，控制低温腔型黑体1升降温至初始状态以保证使用寿命，而后控制继电器给低温腔型黑体1、待测的光学系统7关电。
在该实施例中，上位机8使用温度控制器控制低温腔型黑体1工作在预设温度参数上，通过采集低温腔型黑体1的当前温度，判断达到预设值后，上位机采集待测光学系统7中红外相机的图像，采集完毕后再控制低温腔型黑体1工作在下一预设温度参数，如此循环直至所有的预设温度点图像全部采集完毕，即完成了标定过程。
本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统无需传统低温面源黑体配备的制冷机、循环机等外围设备，也无需进行定期补充制冷液等操作，所采用的零部件都是成熟产品，极大地降低了购置、使用和维护的成本。
本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统中只需要维护密封保护玻璃外侧的表面清洁度，不需要维护其他的零部件，有效地降低了对操作人员的要求。
本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统中低温腔型黑体的升降温度速度快，且可以通过软件实现一键操作，有效地缩短了标定时间，极大地提高了标定的效率。进一步地，本发明实施例提出的用于长红外波系统的低温标定系统由于其实现的难度低，使得长波红外标定系统能够普及推广，从而能够间接地提高长波红外光学系统的性能，如其成像质量和目标特性测量的精度等。
本发明实施例提供的用于长波红外光学系统的低温标的系统能够针对长波红外系统的响应特性进行全温度范围(即-50℃～50℃)标定的系统且具有成本低、体积小、功耗小、升降温速度快等特点，可有效地提高长波红外系统的标定效率及标定精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述低温标定系统包括：
低温腔型黑体，作为光辐射源；
平行光管，与所述低温腔型黑体连接，将所述低温腔型黑体所发射的光转换成平行出射光；所述平行光管包括：第一反射镜、第二反射镜和密封保护玻璃；所述第一反射镜设置于所述平行光管内且位于所述平行光管与所述低温腔型黑体的连接处，用于反射所述低温腔型黑体所发射的光；所述第二反射镜设置于所述平行光管的底端，用于反射所述第一反射镜所反射的光；所述密封保护玻璃，设置在所述平行光管的出瞳处，用于密封所述平行光管且不阻挡出射光线；
密封管，设置在所述平行光管的外围，用于密封所述平行光管；
保温隔热层，设置在所述密封管的外围，用于对所述平行光管进行保温隔热；
待标定的光学系统，设置在所述平行光管的出射光口的前方，用于接收从所述平行光管中射出的光；所述待标定的光学系统的入瞳与所述平行光管的出瞳对准，并使所述平行光管的出瞳覆盖所述光学系统的入瞳；
上位机，与所述低温腔型黑体连接，与所述待标定的光学系统连接，用于向所述低温腔型黑体发出控制命令并对所述待标定的光学系统进行标定。
2.根据权利要求1所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述密封管的管内空间设有惰性气体。
3.根据权利要求1所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述低温腔型黑体内设有温度传感器，所述温度传感器用于采集所述低温腔型黑体的温度。
4.根据权利要求1所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述上位机包括温度控制器。
5.根据权利要求1所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述上位机包括标定软件，所述标定软件根据选定的标定温度范围和标定点数量，自动计算标定温度间隔；所述标定软件根据所述待标定的光学系统的参数，确定标定文件的采集参数。
6.根据权利要求5所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述待标定的光学系统的参数包括光学系统中相机的分辨率、帧频、积分时间长度、档位、光学系统是否存在滤光片或光学系统的滤光片的透过率。
7.根据权利要求5所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述标定软件判断
与
之间的大小关系来确定标定的起始状态，若
则先降温而后从预设温度下限上升；若
则先升温而后从预设温度上限下降；其中，TH为预设温度上限，TL为预设温度下限，T0为当前环境温度，AH为低温腔型黑体的升温速度，AL为低温腔型黑体的降温速度。
8.根据权利要求5所述的一种用于长波红外光学系统的低温标定系统，其特征在于，所述标定软件的标定步骤包括：
步骤S1：向所述低温腔型黑体发送温度控制命令；
步骤S2：以固定频率向所述低温腔型黑体发送查询指令并接收所述低温腔型黑体的反馈信息；
步骤S3：结合所述反馈信息判断是否可以采集图像，若可以采集图像这控制所述待标定的光学系统根据预设参数切换滤光片，待滤光片切换到位后，再切换所述待标定的光学系统的相机的积分时间档位，在每个积分档位均采集红外图像；
步骤S4：在当前温度采集个工作参数条件下的红外图像采集完毕后，所述标定软件发送完毕命令和发送下一个温度点命令至所述低温腔型黑体，所述低温腔型黑体接收命令后重复步骤S3和步骤S4，直至所有预设温度点都采集完毕；
步骤S5：所述标定软件根据定标数学模型进行计算和定标。
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