CN113237555A - 红外辐射联合定标系统及其定标方法 - Google Patents

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CN113237555A CN202110501373.7A CN202110501373A CN113237555A CN 113237555 A CN113237555 A CN 113237555A CN 202110501373 A CN202110501373 A CN 202110501373A CN 113237555 A CN113237555 A CN 113237555A
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Abstract

本发明提供一种红外辐射联合定标系统及其定标方法，其中的标定方法包括如下步骤：S1、将反射镜切入，通过成像探测器采集标准扩展源定标黑体的定标图像，并计算标准扩展源定标黑体的定标参数；S2、将反射镜切出，通过成像探测器采集腔型黑体的定标图像，并计算腔型黑体的定标参数；S3、根据标准扩展源定标黑体的定标参数和腔型黑体的定标参数计算红外辐射联合定标系统的修正参数；S4、根据红外辐射联合定标系统的修正参数获得基于积分时间的定标方程；S5、根据定标方程进行辐射定标。本发明同时兼顾近距离扩展源定标法的高精度性及平行光管定标法的宽动态范围，在保证机动性的基础上实现宽动态范围的高精度定标，还能够缩短定标时间。

Description

红外辐射联合定标系统及其定标方法
技术领域
本发明涉及光电测量技术领域，特别涉及一种基于积分时间的红外辐射联合定标系统及其定标方法。
背景技术
辐射定标是完成目标特性测量的基础。传统的红外定标方法采用扩展源定标法或者平行光管定标法。两者各有优势也各自存在着弊端。扩展源定标法可以实现高精度定标，但是存在定标动态范围不足的问题；平行光管定标法可以实现宽动态范围的定标，弥补扩展源定标法的动态范围不足的弊病，但是存在定标系统笨重、机动性差且定标时间过长的问题。
发明内容
针对上述的问题，本发明充分考虑积分效应，提出一种基于积分时间的红外辐射联合定标系统及其定标方法，同时兼顾近距离扩展源定标法的高精度性及平行光管定标法的宽动态范围，在保证机动性的基础上实现宽动态范围的高精度定标。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的红外辐射联合定标系统，包括：数据处理系统、标准扩展源定标黑体、腔型黑体、光学系统和成像探测器；其中，
光学系统包括反射镜和成像镜组，成像镜组设置在反射镜的反射方向上；
腔型黑体设置在成像镜组的入射方向上，腔型黑体与成像镜组位于反射镜的两侧，反射镜切入在腔型黑体与成像镜组之间或从腔型黑体与成像镜组之间切出；
标准扩展源定标黑体设置在反射镜的入射方向上；
成像探测器设置在成像镜组的焦平面上，用于当反射镜切入到成像镜组与腔型黑体之间时，采集标准扩展源定标黑体的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，以及用于当反射镜从成像镜组与腔型黑体之间切出时，采集腔型黑体的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)；其中，t1、t2分别表示积分时间；
数据处理系统包括第一定标参数计算单元、第二定标参数计算单元、修正参数计算单元和定标方程计算单元；其中，
第一定标参数计算单元用于根据定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)计算标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000021
其中，kout,外表示红外辐射联合定标系统在标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示光学系统在标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示成像探测器的本底偏置，L(T1)表示标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值；
第二定标参数计算单元用于根据定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)计算得到腔型黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000022
其中，kout,内表示光学系统在腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示光学系统的偏置；
修正参数计算单元用于根据标准扩展源定标黑体的定标参数和腔型黑体的定标参数计算红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure BDA0003056571090000023
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示光学系统的偏置的修正参数；
定标方程计算单元用于根据如下公式计算定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值。
优选地，在反射镜与腔型黑体之间及反射镜与标准扩展源定标黑体之间分别设置有扩束镜组。
本发明提供的红外辐射联合定标方法，包括如下步骤：
S1、将反射镜切入到成像镜组与腔型黑体之间，通过成像探测器采集标准扩展源定标黑体的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，并根据定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)计算标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000031
其中，t1、t2分别表示积分时间，kout,外表示红外辐射联合定标系统在标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示光学系统在标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示成像探测器的本底偏置，L(T1)表示标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值；
S2、将反射镜从成像镜组与腔型黑体之间切出，通过成像探测器采集腔型黑体的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)，并根据定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)计算腔型黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000032
其中，kout,内表示光学系统在腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示光学系统的偏置；
S3、根据标准扩展源定标黑体的定标参数和腔型黑体的定标参数计算红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure BDA0003056571090000041
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示光学系统的偏置的修正参数；
S4、根据红外辐射联合定标系统的修正参数获得基于积分时间的定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值；
S5、根据定标方程进行辐射定标。
与现有的定标方法相比，本发明同时兼顾近距离扩展源定标法的高精度性及平行光管定标法的宽动态范围，在保证机动性的基础上实现宽动态范围的高精度定标，还能够缩短定标时间。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的红外辐射联合定标系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的红外辐射联合定标方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：标准扩展源定标黑体1、腔型黑体2、成像探测器3、反射镜4、成像镜组5、第一扩束镜组6、第二扩束镜组7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
以下将结合附图分别对本发明实施例提供的红外辐射联合定标系统及与该标定系统对应的标定方法进行详细描述。
图1示出了根据本发明一个实施例的红外辐射联合定标系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的红外辐射联合定标系统，包括：标准扩展源定标黑体1、腔型黑体2、成像探测器3、光学系统和数据处理系统。
光学系统包括反射镜4和成像镜组5，成像镜组5设置在反射镜4的反射方向上。
腔型黑体2设置在成像镜组5的入射方向上，腔型黑体2与成像镜组5位于反射镜4的两侧，反射镜4可移动，切入在腔型黑体2与成像镜组5之间或从腔型黑体2与成像镜组5之间切出。
标准扩展源定标黑体1设置在反射镜4的入射方向上。
在本发明的一个示例中，标准扩展源定标黑体1与反射镜4之间设置有第二扩束镜组6，用于对标准扩展源定标黑体1发出的定标光束进行扩束。在反射镜4与腔型黑体2之间设置有第二扩束镜组7，用于对腔型黑体2发出的定标光束进行扩束。
当反射镜4切入到成像镜组5与腔型黑体2之间时，标准扩展源定标黑体1发出的定标光束经第二扩束镜组6扩束后入射到反射镜4，经反射镜4反射到成像镜组5，最后进入成像探测器3成像。
当反射镜4从成像镜组5与腔型黑体2之间切出时，标准扩展源定标黑体1发出的定标光束无法进入成像探测器3，而腔型黑体2发出的定标光束经第二扩束镜组7扩束后入射至成像镜组5，最后进入成像探测器3成像。
成像探测器3设置在成像镜组5的焦平面上，用于当反射镜4切入到成像镜组5与腔型黑体2之间时，采集标准扩展源定标黑体1的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，以及用于当反射镜4从成像镜组5与腔型黑体2之间切出时，采集腔型黑体2的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)；其中，t1、t2分别表示积分时间。
数据处理系统包括第一定标参数计算单元、第二定标参数计算单元、修正参数计算单元和定标方程计算单元；其中，
第一定标参数计算单元用于根据定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)计算标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000061
其中，kout,外表示红外辐射联合定标系统在标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示光学系统在标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示成像探测器的本底偏置，L(T1)表示标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值；
第二定标参数计算单元用于根据定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)计算得到腔型黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000062
其中，kout,内表示光学系统在腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示光学系统的偏置；
修正参数计算单元用于根据标准扩展源定标黑体的定标参数和腔型黑体的定标参数计算红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure BDA0003056571090000063
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示光学系统的偏置的修正参数；
定标方程计算单元用于根据如下公式计算定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值。
上述内容详细说明了本发明提供的红外辐射联合定标系统的结构。与上述红外辐射联合定标系统相对应，本发明还提供一种利用红外辐射联合定标系统进行定标的方法。
图2示出了根据本发明一个实施例的红外辐射联合定标方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提供的红外辐射联合定标方法，包括如下步骤：
S1、将反射镜切入到成像镜组与腔型黑体之间，通过成像探测器采集标准扩展源定标黑体的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，并根据定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)计算标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000071
其中，t1、t2分别表示积分时间即曝光时间，kout,外表示红外辐射联合定标系统在标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示光学系统在标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示成像探测器的本底偏置，L(T1)表示标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值。
对于步骤S1，先将标准扩展源定标黑体的温度升至T1，以曝光时间t1采集定标图像G外(t1，T1)，以曝光时间t2采集定标图像G外(t2，T1)，再将标准扩展源定标黑体的温度从T1升至T2，以曝光时间t2采集定标图像G外(t2，T2)。
根据定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)计算标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000072
经推导得到：
Figure BDA0003056571090000073
S2、将反射镜从成像镜组与腔型黑体之间切出，通过成像探测器采集腔型黑体的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)，并根据定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)计算腔型黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000081
其中，kout,内表示光学系统在腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示光学系统的偏置。
对于步骤S2，先将腔型黑体的温度升至T1，以曝光时间t1采集定标图像G内(t1，T1)，以曝光时间t2采集定标图像G内(t2，T1)，再将腔型黑体的温度从T1升至T2，以曝光时间t2采集定标图像G内(t2，T2)。
根据定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)计算腔型黑体的定标参数：
Figure BDA0003056571090000082
经推导得到：
Figure BDA0003056571090000083
S3、根据标准扩展源定标黑体的定标参数和腔型黑体的定标参数计算红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure BDA0003056571090000084
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示光学系统的偏置的修正参数。
S4、根据红外辐射联合定标系统的修正参数获得基于积分时间的定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值。
该定标方程为任意积分时间的定标方程，具有定标的通用性。
S5、根据定标方程进行辐射定标。
本发明提供的基于积分时间的红外辐射联合定标系统及其定标方法，同时兼顾近距离扩展源定标法的高精度性及平行光管定标法的宽动态范围，在保证机动性的基础上实现宽动态范围的高精度定标，还能够缩短定标时间。
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。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种红外辐射联合定标系统，其特征在于，包括：数据处理系统、标准扩展源定标黑体、腔型黑体、光学系统和成像探测器；其中，
所述光学系统包括反射镜和成像镜组，所述成像镜组设置在所述反射镜的反射方向上；
所述腔型黑体设置在所述成像镜组的入射方向上，所述腔型黑体与所述成像镜组位于所述反射镜的两侧，所述反射镜切入在所述腔型黑体与所述成像镜组之间或从所述腔型黑体与所述成像镜组之间切出；
所述标准扩展源定标黑体设置在所述反射镜的入射方向上；
所述成像探测器设置在所述成像镜组的焦平面上，用于当所述反射镜切入到所述成像镜组与所述腔型黑体之间时，采集所述标准扩展源定标黑体的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，以及用于当所述反射镜从所述成像镜组与所述腔型黑体之间切出时，采集所述腔型黑体的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)；其中，t1、t2分别表示积分时间；
所述数据处理系统包括第一定标参数计算单元、第二定标参数计算单元、修正参数计算单元和定标方程计算单元；其中，
所述第一定标参数计算单元用于根据所述定标图像G外(t1，T1)、所述定标图像G外(t2，T1)和所述定标图像G外(t2，T2)计算所述标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure FDA0003056571080000011
其中，kout,外表示所述红外辐射联合定标系统在所述标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示所述光学系统在所述标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示所述成像探测器的本底偏置，L(T1)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值；
所述第二定标参数计算单元用于根据所述定标图像G内(t1，T1)、所述定标图像G内(t2，T1)和所述定标图像G内(t2，T2)计算得到所述腔型黑体的定标参数：
Figure FDA0003056571080000021
其中，kout,内表示所述光学系统在所述腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示所述光学系统的偏置；
所述修正参数计算单元用于根据所述标准扩展源定标黑体的定标参数和所述腔型黑体的定标参数计算所述红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure FDA0003056571080000022
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示所述红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示所述光学系统的偏置的修正参数；
所述定标方程计算单元用于根据如下公式计算定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示所述成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值。
2.根据权利要求1所述的红外辐射联合定标系统，其特征在于，在所述反射镜与所述腔型黑体之间及所述反射镜与所述标准扩展源定标黑体之间分别设置有扩束镜组。
3.一种利用如权利要求1或2所述的红外辐射联合定标系统的定标方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将所述反射镜切入到所述成像镜组与所述腔型黑体之间，通过所述成像探测器采集所述标准扩展源定标黑体的温度为T1、T2时的定标图像G外(t1，T1)、定标图像G外(t2，T1)和定标图像G外(t2，T2)，并根据所述定标图像G外(t1，T1)、所述定标图像G外(t2，T1)和所述定标图像G外(t2，T2)计算所述标准扩展源定标黑体的定标参数：
Figure FDA0003056571080000023
其中，t1、t2分别表示积分时间，kout,外表示所述红外辐射联合定标系统在所述标准扩展源定标黑体定标后的增益，Bout,外表示所述光学系统在所述标准扩展源定标黑体定标后的偏置，Bin表示所述成像探测器的本底偏置，L(T1)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T1时的辐射亮度值，L(T2)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T2时的辐射亮度值；
S2、将所述反射镜从所述成像镜组与所述腔型黑体之间切出，通过所述成像探测器采集所述腔型黑体的温度为T1、T2时的定标图像G内(t1，T1)、定标图像G内(t2，T1)和定标图像G内(t2，T2)，并根据所述定标图像G内(t1，T1)、所述定标图像G内(t2，T1)和所述定标图像G内(t2，T2)计算所述腔型黑体的定标参数：
Figure FDA0003056571080000031
其中，kout,内表示所述光学系统在所述腔型黑体定标后的增益，Bout,内表示所述光学系统的偏置；
S3、根据所述标准扩展源定标黑体的定标参数和所述腔型黑体的定标参数计算所述红外辐射联合定标系统的修正参数：
Figure FDA0003056571080000032
Bout＝Bout,外-Bout,内；
其中，kout表示所述红外辐射联合定标系统的增益的修正参数，Bout表示所述光学系统的偏置的修正参数；
S4、根据所述红外辐射联合定标系统的修正参数获得基于积分时间的定标方程：
G＝t*kout,内*kout*L(T0)+t*(Bout,内+Bout)+Bin；
其中，G表示所述成像探测器输出的数字灰度值，t表示积分时间，T0表示辐射黑体的温度，L(T0)表示所述标准扩展源定标黑体为温度T0时的辐射亮度值；
S5、根据所述定标方程进行辐射定标。
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