CN112347602A

CN112347602A - 测量系统动态范围的数学建模方法及端设备

Info

Publication number: CN112347602A
Application number: CN201910731026.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡立华; 余毅; 李周; 张涛
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-09

Abstract

本发明涉及光电辐射测量技术领域，尤其涉及一种测量系统动态范围的数学建模方法及终端设备，该方法包括以下步骤：一是获取数字灰度值与目标辐射出射度的关系；二是获取标定方程与积分时间的关系；三是获取动态范围与积分时间的关系；四是获取动态范围与衰减之间的关系。为提高红外辐射测量系统的动态范围建立一种数学建模方法以此来反映红外辐射测量系统积分时间和光路衰减与动态范围之间的关系，有利于调整积分时间和光路衰减强度以提高红外辐射测量系统的动态范围。

Description

测量系统动态范围的数学建模方法及端设备

技术领域

本发明涉及光电辐射测量技术领域，尤其涉及一种测量系统动态范围的数学建模方法、终端设备及可读存储介质。

背景技术

目标红外辐射特性测量现在已经广泛应用于靶场测量领域，是对目标进行识别，获取目标特性的重要手段。在测量中温度是反映物体固有特性的重要参数，物体的温度高于绝对零度时，由于内部热运动的存在会不断向外辐射电磁波，其中就包括红外线，所以才能通过目标红外辐射特性反演温度，主要通过红外探测系统的辐射定标、目标探测、目标辐射与温度反演来实现，而红外辐射测量系统的动态范围直接影响到测量的效果，探测器的动态范围越大，表示该系统辐射测量的辐射量的能力越强，采集测量目标的信息越为丰富，可测量的辐射温度越高。而红外辐射特性测量系统动态范围的实质是测量的一系列的辐射亮度的最大值与最小值的比，与采用的红外焦平面阵列包括光电转化、信号放大、光学系统的口径以及焦距等参数息息相关。

目前，常用的红外焦平面阵列，其输出的图像一般为14位(灰度值最大值为16384)，例如400mm口径的在线性良好的积分时间比如4.5ms下，短波红外焦平面正常工作的单个像元饱和线性输出灰度约为13000，其最大的亮度约为2.6W·sr^-1·m^-2，其最大测量温度可达约200℃，其动态范围约为20倍；中波红外焦平面阵列在典型的积分时间比如4.5ms下，中波红外焦平面的单像元的饱和线性输出灰度值约为12000，其线性输出的最大辐射亮度约为 6W·sr^-1·m^-2，其测量的温度为80℃，动态范围约为15倍。可以看出仅仅利用典型的积分时间，难以覆盖被测目标的辐射量的状态，能够提供一种科学合理的红外辐射测量系统动态范围的数学建模方法是当前所扼要解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种红外辐射测量系统动态范围的数学建模方法、终端设备及可读存储介质，具体按照以下步骤实施：

一种测量系统动态范围的数学建模方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、获取数字灰度值与目标辐射出射度的关系：

其中，M(T)为目标辐射出射度，T为绝对温度，ε为发射率，λ为波长；

G＝B+R·M(T)

其中，G为探测器数字灰度值，R为整个波段响应范围内平均响应率，B 为整个波段范围的平均响应偏置；

步骤2、获取红外辐射测量系统的标定方程与积分时间关系：

B＝t·B_out+B_in

其中，B为平均响应偏置，Bout为与随积分时间呈线性变化的响应偏置， Bin为工艺设置的内部偏置，结合步骤1则：

G＝t·B_out+B_in+R·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₁·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₂·L(T)

其中，R1为单位时间内的对辐射源出射度M的平均响应率。L为辐射亮度，t为积分时间，T为绝对温度；

步骤3、获取动态范围与积分时间的关系：

DR＝Lmax(T)/Lmin(T)

其中，DR为红外辐射测量系统的动态范围，Lmax(T)为红外辐射测量系统正常所能测量的最大辐射亮度，Lmin(T)为红外辐射测量系统最小测量的辐射亮度值，结合步骤2后用Gmax和Gmin分别代替Lmax(T)和Lmin(T)后Gmax为最大线性输出数字灰度，Gmin为最小线性输出数字灰度，当红外辐射特性测量系统的最大线性输出数字灰度为Gmax时，则可得出：

G_max＝t·B_out+B_in+t·R₂·L_max(T)

步骤4、获取动态范围与衰减之间的关系：

在红外辐射测量系统中设计增加衰减片则此时红外辐射测量系统的动态范围DR为：

其中，α为光学衰减片的衰减率。

所述红外辐射特性测量系统的信噪比大于1，即：

G_min>2(t·B_out+B_in)

此时红外辐射测量系统的动态范围DR为：

在红外辐射测量系统中，设计增加衰减片则此时红外辐射测量系统的动态范围DR为：

本发明实施例的第二方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述方法。

本发明实施例的第三方面提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述方法。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本技术方案中，为提高红外辐射测量系统的动态范围建立一种数学建模方法以此来反映红外辐射测量系统积分时间和光路衰减与动态范围之间的关系，有利于调整积分时间和光路衰减强度以提高红外辐射测量系统的动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种测量系统动态范围的数学建模方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种测量系统动态范围的数学建模方法的实施例中400mm口径的红外辐射特性测量系统在100％透过率的衰减片时积分时间和衰减率的定标结果；

图3本发明实施例提供的一种测量系统动态范围的数学建模方法的实施例中400mm口径的红外辐射特性测量系统在2％透过率的衰减片时积分时间和衰减率的定标结果；

图4是本发明实施例提供的终端设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1-4所示，针对上述现有技术中的不足之处，本发明的一种测量系统动态范围的数学建模方法包括以下步骤：

步骤1、根据经典黑体辐射理论，确定数字灰度值与目标辐射出射度的关系：

T为绝对温度，ε为发射率，λ为波长，c1＝(3.7415±0.0003)×108(W·μ m4/m2)为第一辐射常数，c2＝(1.43879±0.00019)×104(μm·K)为第二辐射常数。

G＝B+R·M(T) (2)

G为探测器数字灰度值单位DN，R为整个波段响应范围内平均响应率，B 为整个波段范围的平均响应偏置。

步骤2、获取标定方程与积分时间的关系:

平均响应偏置B，可以表示为：

B＝t·B_out+B_in (3)

Bout为与随积分时间呈线性变化的响应偏置，主要由红外辐射测量系统光机结构内、外杂散辐射等外部因素引起，为外部偏置；Bin与积分时间无关，主要由红外焦平面阵列放大电路以及量子阱引起，为工艺设置的缺陷引起的内部偏置。

结合公式(2)和(3)可以得到公式：

G＝t·B_out+B_in+R·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₁·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₂·L(T) (4)

R1为单位时间内的对辐射源出射度M的平均响应率，若辐射源是朗伯体则R₂＝R₁/π，

L为辐射亮度，t为积分时间，T为绝对温度。

对于公式(4)，有Bout、Bin、R三个未知量，理论只需要获取三组M和 G对应数据即可求解，多组即可使用最小二乘法进行拟合，并最终获取标定方程。

获取Bout、Bin、R后，可以通过标定方程反演计算出线性工作区目标对应温度的灰度值G，进而获取目标辐射亮度L。

步骤3、获取动态范围与积分时间的关系

红外辐射测量系统的动态范围的定义：

DR＝Lmax(T)/Lmin(T) (5)

其中，Lmax(T)为红外辐射测量系统正常所能测量的最大辐射亮度，Lmin(T) 为红外辐射测量系统最小测量的辐射亮度值。

由于公式4的关系，在实际应用中，一般用Gmax和Gmin代替Lmax(T) 和Lmin(T)。

Gmax为最大线性输出数字灰度，Gmin为最小线性输出数字灰度。

假设红外辐射特性测量系统的最大线性输出数字灰度为Gmax，应该满足；

G_max＝t·B_out+B_in+t·R₂·L_max(T) (6)

为保证测量信号的可信性，输出信号的信噪比应该大于1，即：

G_min>2(t·B_out+B_in)(7)

此时红外辐射测量系统的动态范围DR为：

步骤4、获取动态范围与衰减之间的关系

若红外辐射测量系统中，设置光学衰减片，光学衰减片的衰减率为α，则此时红外辐射测量系统的动态范围DR公式为：

实验验证过程：

1、准备实验条件：

本实施例中以口径为400mm的红外辐射特性测量系统为例，在该系统的光路中设置2％，5％，20％，100％四档中性滤光片。

表1：中波红外焦平面阵列的技术参数

定标辐射源为高温腔型黑体，其厂家技术参数在表2给出。

表2：定标黑体的技术参数

2、提高动态范围验证

黑体定标温度范围为从100℃至150℃，温度间隔为5℃。

图2中可以看出，在100％透过率的光学衰减片时，在积分时间4ms温度为160℃时输出灰度达到饱和。而在积分时间为0.76ms和0.12ms时输出灰度达到饱和的温度分别为220℃和300℃。实验数据表明，积分时间的减小，可以增加辐射测量系统的动态范围。

图3在2％透过率的光学衰减片时，当积分时间为4ms，0.76ms和0.12ms 时，输出到达饱和灰度时对应温度约为310℃，420℃，590℃。实验数据表明，光学衰减片的使用进一步增加红外辐射测量系统的动态范围。

3、红外辐射测量系统的标定方程

表3：黑体定标结果

表4：不同光学衰减片下的定标结果

通过表4标定方程，即可反演出温度T对应的灰度值G和亮度L(T)，标定方程中y为灰度值G，x为温度T。从表4标定方程也可以清晰分析得出，系统的动态范围即为该标定直线的斜率，斜率越大动态范围越大，动态范围随着积分时间的缩小而变大，随着衰减效果的提升而变大，利用发明的红外辐射测量系统的动态范围DR公式(9)，通过降低积分时间和增加光路衰减强度，可以有效提高红外辐射测量系统的动态范围。

图4是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图4所示，该实施例/ 终端设备4包括：处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42。所述处理器40执行所述计算机程序42 时实现上述各个点目标红外辐射测量的方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤。

示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述终端设备4中的执行过程。

所述终端设备4可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算终端设备。所述终端4终端设备可包括，但不仅限于，处理器40、存储器 41。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是终端设备4的示例，并不构成对终端设备4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备4还可以包括输入输出终端设备、网络接入终端设备、总线等。

所称处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器41可以是所述终端设备4的内部存储单元，例如终端设备4 的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述终端设备4的外部存储终端设备，例如所述终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述终端设备4的内部存储单元也包括外部存储终端设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量系统动态范围的数学建模方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、获取数字灰度值与目标辐射出射度的关系：

G＝B+R·M(T)

其中，G为探测器数字灰度值，R为整个波段响应范围内平均响应率，B为整个波段范围的平均响应偏置；

步骤2、获取红外辐射测量系统的标定方程与积分时间关系：

B＝t·B_out+B_in

其中，B为平均响应偏置，Bout为与随积分时间呈线性变化的响应偏置，Bin为工艺设置的内部偏置，结合步骤1则：

G＝t·B_out+B_in+R·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₁·M(T)

G＝t·B_out+B_in+t·R₂·L(T)

其中，R1为单位时间内的对辐射源出射度M的平均响应率。L为辐射亮度，t为积分时间，T为绝对温度，若辐射源是朗伯体则R₂＝R₁/π；

步骤3、获取动态范围与积分时间的关系：

DR＝Lmax(T)/Lmin(T)

G_max＝t·B_out+B_in+t·R₂·L_max(T)

步骤4、获取动态范围与衰减之间的关系：

其中，α为光学衰减片的衰减率。

2.根据权利要求1所述的数学建模方法，其特征在于，所述红外辐射特性测量系统的信噪比大于1，即：

G_min>2(t·B_out+B_in)

此时红外辐射测量系统的动态范围DR为：

3.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至2任一项所述方法。

4.一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述方法。