CN113865722A - 基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及红外热像仪技术领域，尤其涉及一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法，包括：在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板，漫反射金属板位于透镜组与红外探测器的窗口之间，且垂直光路传播方向；令漫反射金属板朝着逐渐远离或逐渐靠近红外探测器的窗口的方向单向移动，在移动过程中确定至少三个采样位置，并在每个采样位置处均获取多帧红外图像；基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距。本发明提供的方法操作方便、快捷，能够解决面阵制冷红外热像仪难以在实际使用期间进行多点非均匀校正的问题。

Description

基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法
技术领域
本发明涉及红外热像仪技术领域，尤其涉及一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法、用于面阵制冷红外热像仪的校正装置以及面阵制冷红外热像仪成像方法。
背景技术
面阵制冷红外热像仪采用高分辨率的焦平面阵列制冷红外探测器，已成为红外热像仪的主流配置。但是由于焦平面阵列式器件加工水平等因素，所有的红外探测器均存在器件响应不一致的非均匀性。当红外探测器装配成红外热像仪时，必须经过非均匀校正才能正常成像使用。
目前，常用的非均匀校正方法包括单点非均匀校正法和两点非均匀校正法。单点非均匀校正法基于存储在红外探测器电路上的非均匀系数进行校正，随着时间推移，会出现盲元增加以及非均匀性增加的状况，导致红外热像仪成像无法使用。两点非均匀校正法可以同时考虑校正增益(即斜率)和偏置(即截距)两个非均匀项，比单点非均匀校正法具有更好的适用性。但是两点非均匀校正法的条件假设与红外探测器实际的非线性响应存在差别，对于接近线性的中段区域响应基本适用，当超出这个响应区域，红外探测器的非均匀性就会再次在图像上显现出来。多点校正的原理与两点非均匀校正法相近，多点校正通过采集不同响应范围的多个响应点，利用分段函数法将非线性区域分段线性化，在每个分段小区域内更真实地模拟红外探测器非线性响应，校正效果好，适用性更高。
针对面阵制冷红外热像仪，多点校正时，需要多个覆盖视场的高、低温黑体，而在实际使用时，由于结构等限制，难以在红外热像仪镜头前增加变温黑体，通常只能在实验室利用黑体进行标定。但在实验室内标定后，随着时间推移，红外热像仪仍会出现盲元增加以及非均匀性增加的状况，导致红外热像仪成像图像质量下降。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种能够在实际使用过程中进行面阵制冷红外热像仪校正的方法，以解决面阵制冷红外热像仪难以在实际使用期间实现多点非均匀校正的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法，包括：
在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板，所述漫反射金属板位于透镜组与红外探测器的窗口之间，且垂直光路传播方向；
令所述漫反射金属板朝着逐渐远离或逐渐靠近所述红外探测器的窗口的方向单向移动，在移动过程中确定至少三个采样位置，并在每个采样位置处均获取多帧红外图像；
基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距。
可选地，所述漫反射金属板的尺寸大于透镜组与红外探测器之间最大光斑尺寸。
可选地，所述漫反射金属板的发射率处于0.02～0.1之间，各方向反射能量均匀。
可选地，在每个所述采样位置处均获取不少于10帧红外图像。
可选地，所述漫反射金属板与所述红外探测器的窗口之间的距离最小不少于2mm，最大不超过8mm。
可选地，各个采样位置均匀间隔分布。
可选地，所述基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距，包括：
分别计算各采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值，表达式为：
Figure BDA0003285118450000031
Figure BDA0003285118450000032
Figure BDA0003285118450000033
Figure BDA0003285118450000034
其中，G1,i(m,n)、G2,i(m,n)分别表示两个采样位置处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，1≤m≤M，1≤n≤N，K表示在每个采样位置处获取红外图像的帧数，
Figure BDA0003285118450000035
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure BDA0003285118450000036
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值；
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正斜率，表达式为：
Figure BDA0003285118450000037
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正截距，表达式为：
Figure BDA0003285118450000038
本发明还提供了一种用于面阵制冷红外热像仪的校正装置，用于实现如上述任一项所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，该校正装置包括：
漫反射金属板和驱动模块；
所述驱动模块用于带动所述漫反射金属板移动。
本发明还提供了一种面阵制冷红外热像仪成像方法，包括：
采用如上述任一项所述的面阵制冷红外热像仪校正方法对面阵制冷红外热像仪进行校正，得到不同响应范围的校正斜率和校正截距，并存储；
移除漫反射金属板，利用所述面阵制冷红外热像仪成像，得到原始图像；
确定所述原始图像的平均灰度响应，根据对应响应范围的校正斜率和校正截距实时校正所述原始图像，得到校正后的红外图像。
可选地，所述的面阵制冷红外热像仪成像方法，还包括：
定期对所述面阵制冷红外热像仪进行重复校正，更新存储的校正斜率和校正截距。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法、用于面阵制冷红外热像仪的校正装置以及面阵制冷红外热像仪成像方法，本发明的技术方案采用漫反射金属板在面阵制冷红外热像仪的光路中移动，利用冷反射现象实现无源的多点响应数据采集，无需设置变温黑体，也不需要设置温度传感器进行温度测量，即可实现红外热像仪非均匀校正，操作方便、快捷，能够解决面阵制冷红外热像仪难以在实际使用期间进行多点非均匀校正的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法步骤示意图；
图2是本发明实施例一种漫反射金属板设置位置示意图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法，包括：
步骤100、在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板，漫反射金属板位于面阵制冷红外热像仪的透镜组与面阵制冷红外热像仪的红外探测器的窗口之间，且垂直光路传播方向，用于实现冷反射；
步骤102，令漫反射金属板朝着逐渐远离红外探测器的窗口的方向单向移动，或令漫反射金属板朝着逐渐靠近红外探测器的窗口的方向单向移动，在移动过程中确定至少三个采样位置，并在每个采样位置处均通过面阵制冷红外热像仪的红外探测器获取多帧红外图像，即在移动过程中，采集不同响应范围的多个响应点；
步骤104，基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距。使用时，通过对应的校正斜率和校正截距对红外热像仪的拍摄的原始图像进行校正，即可获得高质量的红外图像。
本发明在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板，将红外探测器的窗口内冷环境(约在80K左右)原路反射回红外探测器成像，通过改变漫反射金属板在光路中的位置，获得不同响应范围相应的校正斜率和校正截距，即，利用冷反射现象进行无源的多点数据采集，实现非均匀校正。
优选地，为实现对红外热像仪成像图像每一个像元的校正，漫反射金属板的尺寸大于透镜组与红外探测器之间最大光斑尺寸，即透镜组与红外探测器的窗口之间形成的最大光斑可完整地落在漫反射金属板覆盖范围内，避免边缘区域出现漏光，导致红外探测器探测到的漫反射入射光强不一致，进而影响校正效果。
为确保改变漫反射金属板在光路中的位置能够引起不同的响应，漫反射金属板应采用低发射率(也就是高反射率)的金属反射镜子，优选地，漫反射金属板的发射率处于0.02～0.1之间，各方向反射能量均匀。进一步地，漫反射金属板可采用金属膜(如金、银或者铝等金属膜)制成，且表面镀有金属颗粒，以确保漫反射金属板反射能量的各方向均匀性。
优选地，步骤102中，在每个采样位置处均获取不少于10帧红外图像，通过多帧红外图像进行均值计算，能够避免单帧红外图像中的采集误差，获得更为准确的响应结果。
如图2所示，优选地，考虑到面阵制冷红外热像仪的光路实际情况以及冷反射对应的响应区间，为在不同位置获得不同的响应结果，步骤102中，漫反射金属板在透镜组与红外探测器的窗口之间移动，漫反射金属板与红外探测器的窗口之间的距离最小不少于2mm，最大不超过8mm。进一步地，漫反射金属板移动的区域优选为距红外探测器的窗口2mm至8mm的区域。
对一些优选的实施方式，步骤100中，在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板时，可令漫反射金属板设置在距红外探测器的窗口2mm处，步骤102中，令漫反射金属板朝着逐渐远离红外探测器的窗口的方向单向移动，移动到距红外探测器的窗口8mm为止；或，步骤100中，在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板时，可令漫反射金属板设置在距红外探测器的窗口8mm处，步骤102中，令漫反射金属板朝着逐渐靠近红外探测器的窗口的方向单向移动，移动到距红外探测器的窗口2mm为止。移动期间选取三个及以上的采样位置采集相应的响应数据，采样位置越多，对于面阵制冷红外热像仪的响应范围划分越细，相应的，校正所需的时长也会增加。
进一步地，各个采样位置均匀间隔分布，即，任意两个相邻采样位置之间的间距相等；更进一步地，各采样位置等分距红外探测器的窗口2mm至8mm的区域。均匀间隔设置采样位置不仅可以将响应范围均匀分隔开来，在实际控制上也便于程序实现，能够减少后续计算的复杂度，提高处理效率。
优选地，步骤104进一步包括：
分别计算各采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值，表达式为：
Figure BDA0003285118450000071
Figure BDA0003285118450000072
Figure BDA0003285118450000073
Figure BDA0003285118450000074
其中，G1,i(m,n)、G2,i(m,n)分别为两个采样位置处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，1≤m≤M，1≤n≤N，红外图像的尺寸为M×N，G1,i(m,n)构成的矩阵(大小为M×N)即一个采样位置处获取的第i帧红外图像，G2,i(m,n)构成的矩阵即另一个采样位置处获取的第i帧红外图像，K表示在每个采样位置处获取红外图像的帧数，1≤i≤K，
Figure BDA0003285118450000075
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure BDA0003285118450000076
构成的矩阵(大小为M×N)即一个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像，
Figure BDA0003285118450000077
构成的矩阵即另一个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像，
Figure BDA0003285118450000078
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值；
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正斜率，表达式为：
Figure BDA0003285118450000079
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正截距，表达式为：
Figure BDA0003285118450000081
其中，K1(m,n)表示红外探测器焦平面位置(m,n)的像元对应的校正斜率，B1(m,n)表示红外探测器焦平面位置(m,n)的像元对应的校正截距。K1(m,n)、B1(m,n)两个非均匀项对应的响应范围为
Figure BDA0003285118450000082
到
Figure BDA0003285118450000083
实际使用时，移除漫反射金属板并拍摄红外图像，若该图像的平均灰度响应，即该图像的所有像点的灰度均值，落在
Figure BDA0003285118450000084
至
Figure BDA0003285118450000085
范围内，则可实时调用对应的非均匀项K1(m,n)和B1(m,n)对该图像进行校正。
在一个具体的实施方式中，该方法步骤102中，在移动过程中确定三个采样位置，分别为距红外探测器的窗口2mm、5mm和8mm处，步骤104中，基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距，包括：
分别计算各采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值：
Figure BDA0003285118450000086
Figure BDA0003285118450000087
G1,i(m,n)表示第一个采样位置(即距红外探测器的窗口2mm)处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，
Figure BDA0003285118450000088
表示第一个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure BDA0003285118450000089
表示第一个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值；
Figure BDA0003285118450000091
Figure BDA0003285118450000092
G2,i(m,n)表示第二个采样位置(即距红外探测器的窗口5mm)处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，
Figure BDA0003285118450000093
表示第二个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure BDA0003285118450000094
表示第二个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值；
Figure BDA0003285118450000095
Figure BDA0003285118450000096
G3,i(m,n)表示第三个采样位置(即距红外探测器的窗口8mm)处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，
Figure BDA0003285118450000097
表示第二个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure BDA0003285118450000098
表示第三个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值。
基于第一、二个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正斜率、校正截距，表达式为：
Figure BDA0003285118450000099
Figure BDA00032851184500000910
基于第二、三个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正斜率、校正截距，表达式为：
Figure BDA0003285118450000101
Figure BDA0003285118450000102
其中，K1(m,n)、B1(m,n)两个非均匀项对应的响应范围为
Figure BDA0003285118450000103
到
Figure BDA0003285118450000104
K2(m,n)、B2(m,n)两个非均匀项对应的响应范围为
Figure BDA0003285118450000105
到
Figure BDA0003285118450000106
在另一个具体的实施方式中，如步骤102中在移动过程中确定四个采样位置，分别为距红外探测器的窗口2mm、4mm、6mm和8mm处，则最终可获得三个不同响应范围对应的校正斜率和校正截距。成像时，根据图像平均灰度响应，实时调用相应的校正斜率和校正截距进行校正，即可实现对拍摄的原始图像实时校正。
本发明还提供了一种用于面阵制冷红外热像仪的校正装置，用于实现如上述任一项实施方式所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，该校正装置具体包括：漫反射金属板和驱动模块。其中，驱动模块用于带动漫反射金属板移动，如，带动漫反射金属板垂直光路传播方向插入面阵制冷红外热像仪的透镜组与红外探测器之间，在面阵制冷红外热像仪的透镜组与红外探测器之间移动，逐渐远离或逐渐靠近红外探测器的窗口，以及从面阵制冷红外热像仪的透镜组与红外探测器之间抽出。
本发明还提供了一种面阵制冷红外热像仪成像方法，包括：
采用如上述任一项实施方式所述的面阵制冷红外热像仪校正方法对所用的面阵制冷红外热像仪进行校正，得到不同响应范围的校正斜率和校正截距，并存储；
移除漫反射金属板，利用该面阵制冷红外热像仪成像，得到原始图像；
确定该面阵制冷红外热像仪拍摄的原始图像的平均灰度响应，根据存储的、对应响应范围的校正斜率和校正截距实时校正原始图像，最终得到校正后的红外图像。
通过上述面阵制冷红外热像仪校正方法对所用的面阵制冷红外热像仪进行校正，能够简捷、快速地获得不同响应范围的校正斜率和校正截距，实现红外热像仪多点实时校正，提高面阵制冷红外热像仪的成像质量。
优选地，该面阵制冷红外热像仪成像方法还包括：
定期对该面阵制冷红外热像仪进行重复校正，更新存储的、不同响应范围的校正斜率和校正截距。
通过定期重复上述对面阵制冷红外热像仪进行校正的步骤，获得新的校正斜率和校正截距，能够避免面阵制冷红外热像仪的成像结果随时间推移而劣化，并能够及时发现面阵制冷红外热像仪的问题，如出现盲元等。
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)

1.一种基于漫反射金属板的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于，包括：
在面阵制冷红外热像仪的光路中设置漫反射金属板，所述漫反射金属板位于透镜组与红外探测器的窗口之间，且垂直光路传播方向；
令所述漫反射金属板朝着逐渐远离或逐渐靠近所述红外探测器的窗口的方向单向移动，在移动过程中确定至少三个采样位置，并在每个采样位置处均获取多帧红外图像；
基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距。
2.根据权利要求1所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于：
所述漫反射金属板的尺寸大于透镜组与红外探测器之间最大光斑尺寸。
3.根据权利要求1所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于：
所述漫反射金属板的发射率处于0.02～0.1之间，各方向反射能量均匀。
4.根据权利要求1所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于：
在每个所述采样位置处均获取不少于10帧红外图像。
5.根据权利要求1所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于：
所述漫反射金属板与所述红外探测器的窗口之间的距离最小不少于2mm，最大不超过8mm。
6.根据权利要求5所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于：
各个采样位置均匀间隔分布。
7.根据权利要求1所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，其特征在于，
所述基于每两个相邻采样位置处所获取的多帧红外图像，计算相应的校正斜率和校正截距，包括：
分别计算各采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值，表达式为：
Figure FDA0003285118440000021
Figure FDA0003285118440000022
Figure FDA0003285118440000023
Figure FDA0003285118440000024
其中，G1,i(m,n)、G2,i(m,n)分别表示两个采样位置处红外探测器焦平面位置(m,n)的像元的第i帧灰度响应，1≤m≤M，1≤n≤N，K表示在每个采样位置处获取红外图像的帧数，
Figure FDA0003285118440000025
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的均值图像中位置为(m,n)的像点灰度，
Figure FDA0003285118440000026
分别表示两个采样位置处获取的多帧红外图像的总灰度均值；
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正斜率，表达式为：
Figure FDA0003285118440000031
基于每两个采样位置处所获取的多帧红外图像的均值图像和总灰度均值计算相应的校正截距，表达式为：
Figure FDA0003285118440000032
8.一种用于面阵制冷红外热像仪的校正装置，其特征在于，用于实现如权利要求1-7任一项所述的面阵制冷红外热像仪校正方法，该校正装置包括：
漫反射金属板和驱动模块；
所述驱动模块用于带动所述漫反射金属板移动。
9.一种面阵制冷红外热像仪成像方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求1-7任一项所述的面阵制冷红外热像仪校正方法对面阵制冷红外热像仪进行校正，得到不同响应范围的校正斜率和校正截距，并存储；
移除漫反射金属板，利用所述面阵制冷红外热像仪成像，得到原始图像；
确定所述原始图像的平均灰度响应，根据对应响应范围的校正斜率和校正截距实时校正所述原始图像，得到校正后的红外图像。
10.根据权利要求9所述的面阵制冷红外热像仪成像方法，其特征在于，还包括：
定期对所述面阵制冷红外热像仪进行重复校正，更新存储的校正斜率和校正截距。
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