CN115265803A - 一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法 - Google Patents

一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及红外光谱辐射特性测量方法，具体涉及一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法，用于解决采用传统面源或者点源目标特性处理方法无法满足远距离点目标红外光谱辐射特性测量精度要求的不足之处。该远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法首先对动态红外光谱图像进行预处理，再结合黑体辐射到达红外热像仪探测器的理论光谱分布曲线进行光谱定标，最后基于发射率在相邻两窄波段内近似相等进行目标红外辐射特性的反演，获得目标温度Te和目标的光谱发射率，实现目标真实红外辐射特性测量。

Description

一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法
技术领域
本发明涉及红外光谱辐射特性测量方法，具体涉及一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法。
背景技术
目标红外光谱辐射特性测量是获取目标表面辐射温度分布信息、探测识别红外目标的基础技术之一。目标红外光谱辐射特性测量系统主要采用单波段测量方式，即利用单波段图像，结合辐射定标和辐射特性反演，实现目标及背景辐射特性和温度分布等信息的获取。然而，单波段测量的辐射特性由于以假设目标发射率为前提，只能反映目标的表观辐射特性和辐射亮度温度等相对信息，无法实现真实温度的测量。
此外，对于远距离点目标红外成像来说，由于目标相距较远，一般以点目标呈现在探测器靶面上，表现为弥散斑。若采用传统面源或者点源目标特性处理方法会致使红外辐射特性测量系统出现较大的测量误差，无法满足实际使用精度要求。
发明内容
本发明的目的是解决采用传统面源或者点源目标特性处理方法无法满足远距离点目标红外光谱辐射特性测量精度要求的不足之处，而提供一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法，基于一种测量系统，所述测量系统包括沿光路依次设置的主望远镜、分光元件、红外热像仪，以及数据处理单元；
所述主望远镜用于接收并压缩目标不同温度下的红外辐射，输出平行光，分光元件用于对平行光进行光谱分光，红外热像仪用于采集分光元件的出射光获得目标的动态红外光谱图像，并输出至数据处理单元，数据处理单元用于对所接收的动态红外光谱图像依次进行数据处理、光谱定标和目标红外辐射特性的反演；
所述红外热像仪采集目标的动态红外光谱图像，并输出至数据处理单元依次进行数据处理、光谱定标和目标红外辐射特性的反演；
其特殊之处在于，包括如下步骤：
步骤1、数据处理；
通过数据处理单元根据动态红外光谱图像获取远距离点目标灰度值未进行光谱定标的光谱分布曲线；
步骤2、光谱分布曲线的光谱定标；
将黑体辐射到达红外热像仪探测器的理论光谱分布曲线与步骤1所得的光谱分布曲线之间的均方根误差设定为目标函数，通过最小化目标函数确定起止波长，进行光谱分布曲线的波段范围优化，得到红外热像仪探测器像素点与波长间的关系，实现光谱分布曲线的光谱定标；
步骤3、目标红外辐射特性的反演；
步骤3.1、对各像素点不同温度黑体辐射亮度与灰度值进行线性拟合，得到各像素点对应的光谱斜率K和光谱偏置B；
步骤3.2、基于发射率在相邻两窄波段内近似相等前提，利用相邻波段间发射率比值为1，建立多波段辐射特性测量标定模型，利用黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R与黑体温度T之间的关系，得到不同波段下的R-T曲线；
步骤3.3、利用相邻波段像素灰度值间的比值Rv与R值相等，解算目标温度Te，同时计算目标发射率，实现目标真实红外辐射特性测量。
进一步地，所述步骤1具体为：对红外热像仪所采集的动态红外光谱图像的每一列进行高斯拟合，得到每一列均值和方差，取各列均值作为中心行，取各列方差均值的2.35倍作为半高全宽，计算半高全宽范围内所有行的灰度值均值，得到未进行光谱定标的光谱分布曲线。
进一步地，步骤3.2中，所述多波段辐射特性测量标定模型为：
Figure BDA0003768325860000031
其中R(T)表示黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R随黑体温度T变化曲线，Ki、Ki+1分别表示波段i和i+1的光谱斜率，
Figure BDA0003768325860000032
分别表示波段i和i+1的大气透过率，
Figure BDA0003768325860000033
分别表示波段i和i+1内温度为T的黑体辐射亮度，
Figure BDA0003768325860000034
分别表示波段i和i+1内的大气辐射亮度，波段i和i+1为相邻红外窄波段。
进一步地，步骤3.3中，所述解算目标温度Te具体为：结合光谱斜率K、光谱偏置B和大气参数建立目标多波段辐射特性测量模型，进而计算得到目标不同波段下测量的Rv-Te曲线；
所述目标多波段辐射特性测量模型如下：
Figure BDA0003768325860000041
其中Rv(Te)表示测量的相邻波段像素灰度值间的比值Rv随目标温度Te的变化曲线，hi、hi+1分别表示波段i和i+1的灰度值，Bi、Bi+1表示波段i和i+1的光谱偏置，
Figure BDA0003768325860000042
表示波段i和i+1的大气程辐射；
计算目标温度Te时，对标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线沿光谱维度求均值，得到二者均值曲线，将标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线对应，得到对应的目标温度Te。
进一步地，步骤3.3中，所述计算目标发射率具体为：计算所有温度点标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线的均值Rλ和Rv,λ，利用Rv,λ与Rλ间的比值，可得到目标的光谱发射率。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
本发明一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法，通过主望远镜接收压缩远距离点目标的红外辐射后，使其平行入射至分光元件进行光谱分光，再由红外热像仪采集目标的动态红外光谱图像输出至数据处理单元；数据处理单元首先对动态红外光谱图像进行预处理，再结合黑体辐射到达红外热像仪探测器的理论光谱分布曲线进行光谱定标，最后基于发射率在相邻两窄波段内近似相等进行目标红外辐射特性的反演，获得目标温度Te和目标的光谱发射率，实现目标真实红外辐射特性测量；本发明可实现对远距离点目标真实红外辐射特性的高精度测量，可广泛应用于远距离点目标红外辐射特性的跟踪测量。
附图说明
图1为本发明一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法所适用的测量系统的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中测量系统所采集的动态红外光谱图像；
图3为步骤1所得的目标各温度下光谱分布曲线；
图4为步骤2所得的经过波段范围优化的光谱分布曲线；
图5为步骤3.1所得的不同波段下黑体辐射标定的R-T曲线；
图6为步骤3.2所得的目标不同波段下测量的Rv-Te曲线；
图7为图5的R-T曲线和图6的Rv-Te曲线的均值曲线；
图8为图7中不同温度下的测量误差曲线；
图9为目标的光谱发射率曲线。
附图标记说明如下：
1-主望远镜；2-分光元件；3-红外热像仪；4-数据处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法，基于一种测量系统，所述测量系统包括沿光路依次设置的主望远镜1、分光元件2、红外热像仪3，以及数据处理单元4；
参照图1、图2，目标不同温度下的红外辐射经主望远镜1接收压缩后，平行入射至分光元件2进行光谱分光，再由红外热像仪3采集分光元件2的出射光获得目标的动态红外光谱图像，并输出至数据处理单元4依次进行数据处理、光谱定标和目标红外辐射特性的反演；所述红外热像仪3包括焦平面阵列探测器和光学镜头；
所述远距离点目标采用腔式黑体和平行光管进行模拟；
步骤1、数据处理；
对图2所示的动态红外光谱图像的每一列进行高斯拟合，得到每一列均值和方差，取各列均值作为中心行，取各列方差均值的2.35倍作为半高全宽，计算半高全宽范围内所有行的灰度值均值，得到如图3所示的未进行光谱定标的光谱分布曲线；
步骤2、光谱分布曲线的光谱定标；
利用普朗克公式进行已知温度的黑体辐射计算，结合分光元件2和焦平面阵列探测器光谱响应，得到黑体辐射到达焦平面阵列探测器的理论光谱分布曲线；
将理论光谱分布曲线与步骤1所得的光谱分布曲线之间的均方根误差设定为目标函数，通过最小化目标函数确定起止波长，进行光谱分布曲线的波段范围优化，得到焦平面阵列探测器像素点与波长间的关系，实现光谱分布曲线的光谱定标，如图4所示；
步骤3、目标红外辐射特性的反演；
步骤3.1、对各像素点不同温度黑体辐射亮度与灰度值进行线性拟合，得到各像素点对应的光谱斜率K和光谱偏置B；
步骤3.2、基于发射率在相邻两窄波段内近似相等前提，利用相邻波段间发射率比值为1，建立多波段辐射特性测量标定模型如下：
Figure BDA0003768325860000071
其中R(T)表示黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R随黑体温度T变化曲线，Ki、Ki+1分别表示波段i和i+1的光谱斜率，
Figure BDA0003768325860000072
分别表示波段i和i+1的大气透过率，
Figure BDA0003768325860000073
分别表示波段i和i+1内温度为T的黑体辐射亮度，
Figure BDA0003768325860000074
分别表示波段i和i+1内的大气辐射亮度，波段i和i+1为相邻红外窄波段；
利用黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R与黑体温度T之间的关系，计算得到的不同波段下黑体辐射标定的R-T曲线如图5所示；
步骤3.3、利用相邻波段像素灰度值间的比值Rv与R值相等，结合光谱斜率K、光谱偏置B和大气参数建立目标多波段辐射特性测量模型如下：
Figure BDA0003768325860000075
其中Rv(Te)表示测量的相邻波段像素灰度值间的比值Rv随目标温度Te的变化曲线，hi、hi+1分别表示波段i和i+1的灰度值，Bi、Bi+1表示波段i和i+1的光谱偏置，
Figure BDA0003768325860000076
表示波段i和i+1的大气程辐射；
计算得到目标不同波段下测量的Rv-Te曲线如图6所示；
计算目标温度Te时，对标定的光谱R-T曲线和测量的光谱Rv-Te曲线沿光谱维度求均值，得到二者均值曲线，如图7所示；将标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线对应，得到对应的目标温度Te，实现目标温度的测量，不同温度下的测量误差如图8示；
测量目标光谱发射率时，计算所有温度下标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线的均值Rλ和Rv,λ，利用Rv,λ与Rλ间的比值，可得到目标的光谱发射率，如图9所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，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所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量方法，基于一种测量系统，所述测量系统包括沿光路依次设置的主望远镜(1)、分光元件(2)、红外热像仪(3)，以及数据处理单元(4)；
所述主望远镜(1)用于接收并压缩目标不同温度下的红外辐射，输出平行光，分光元件(2)用于对平行光进行光谱分光，红外热像仪(3)用于采集分光元件(2)的出射光获得目标的动态红外光谱图像，并输出至数据处理单元(4)，数据处理单元(4)用于对所接收的动态红外光谱图像依次进行数据处理、光谱定标和目标红外辐射特性的反演；其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、数据处理；
通过数据处理单元根据动态红外光谱图像获取远距离点目标灰度值未进行光谱定标的光谱分布曲线；
步骤2、光谱分布曲线的光谱定标；
将黑体辐射到达红外热像仪(3)探测器的理论光谱分布曲线与步骤1所得的光谱分布曲线之间的均方根误差设定为目标函数，通过最小化目标函数确定起止波长，进行光谱分布曲线的波段范围优化，得到红外热像仪(3)探测器像素点与波长间的关系，实现光谱分布曲线的光谱定标；
步骤3、目标红外辐射特性的反演；
步骤3.1、对各像素点不同温度黑体辐射亮度与灰度值进行线性拟合，得到各像素点对应的光谱斜率K和光谱偏置B；
步骤3.2、基于发射率在相邻两窄波段内近似相等前提，利用相邻波段间发射率比值为1，建立多波段辐射特性测量标定模型，利用黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R与黑体温度T之间的关系，得到不同波段下标定的R-T曲线；
步骤3.3、利用相邻波段像素灰度值间的比值Rv与R值相等，解算目标温度Te，同时计算目标发射率，实现目标真实红外辐射特性测量。
2.根据权利要求1所述的一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量系统的定标方法，其特征在于：所述步骤1具体为：对红外热像仪(3)所采集的动态红外光谱图像的每一列进行高斯拟合，得到每一列均值和方差，取各列均值作为中心行，取各列方差均值的2.35倍作为半高全宽，计算半高全宽范围内所有行的灰度值均值，得到未进行光谱定标的光谱分布曲线。
3.根据权利要求2所述的一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量系统的定标方法，其特征在于：步骤3.2中，所述多波段辐射特性测量标定模型为：
Figure FDA0003768325850000021
其中R(T)表示黑体辐射相邻波段辐射亮度之比R随黑体温度T变化曲线，Ki、Ki+1分别表示波段i和i+1的光谱斜率，
Figure FDA0003768325850000022
分别表示波段i和i+1的大气透过率，
Figure FDA0003768325850000023
分别表示波段i和i+1内温度为T的黑体辐射亮度，
Figure FDA0003768325850000024
分别表示波段i和i+1内的大气辐射亮度，波段i和i+1为相邻红外窄波段。
4.根据权利要求3所述的一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量系统的定标方法，其特征在于：步骤3.3中，所述解算目标温度Te具体为：结合光谱斜率K、光谱偏置B和大气参数建立目标多波段辐射特性测量模型，进而计算得到目标不同波段下测量的Rv-Te曲线；
所述目标多波段辐射特性测量模型如下：
Figure FDA0003768325850000031
其中Rv(Te)表示测量的相邻波段像素灰度值间的比值Rv随目标温度Te的变化曲线，hi、hi+1分别表示波段i和i+1的灰度值，Bi、Bi+1表示波段i和i+1的光谱偏置，
Figure FDA0003768325850000032
表示波段i和i+1的大气程辐射；
对标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线沿光谱维度求均值，得到各自随温度变化的均值曲线，将测量的Rv-Te曲线的值与标定的R-T曲线的值对应，得到对应的目标温度Te。
5.根据权利要求4所述的一种远距离点目标红外光谱辐射特性测量系统的定标方法，其特征在于：步骤3.3中，所述计算目标发射率具体为：计算所有温度点标定的R-T曲线和测量的Rv-Te曲线沿温度方向取均值得到Rλ和Rv,λ，利用Rv,λ与Rλ间的比值，得到目标的光谱发射率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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