CN117146989A - 针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法，包括以下步骤：步骤A：构建温度补偿环境控制系统，并将温度补偿环境控制系统与红外热像光学系统集成；温度补偿环境控制系统包括温度传感器、执行器、控制模块和驱动模块；温度传感器用于监测红外热像光学系统的所处环境温度，所监测和记录的数据传输至控制模块进行处理。本发明通过大量的数据训练出一个能够预测执行器状态的模型，这个模型的建立过程包括数据收集、模型构建、模型训练、模型验证和模型部署等步骤，这个模型的建立使得系统能够根据实时监测的环境温度预测出需要的执行器状态，从而实现对环境温度变化的实时补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法。
背景技术
现有的车载红外热像系统普遍采用恒温设计，由于需要使用加热或冷却设备来控制红外热像镜头组的温度，系统的复杂度、体积和成本较高，且难以适应环境温度的变化。此外，由于温控设备的体积和重量限制，这种设计难以实现高精度的温度控制，因此可能会损害系统的成像性能。
为了解决这些问题，目前提出了无热化设计红外光学系统的概念。这种设计利用特定材料和精密设计来减少环境温度对系统性能的影响，从而避免了恒温设计的缺陷。但是目前为了准确预测系统在不同环境下的成像性能，需要建立非常精密的热光学模型，这是一个技术挑战。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法，通过构建温度补偿环境控制系统，建立温度补偿模型，以及进行系统测试与优化等步骤，实现了对环境温度变化的实时补偿，从而保持了红外热像光学系统的稳定性和图像质量。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤A：构建温度补偿环境控制系统，并将温度补偿环境控制系统与红外热像光学系统集成；
所述温度补偿环境控制系统包括温度传感器、执行器、控制模块和驱动模块；
所述温度传感器用于监测红外热像光学系统的所处环境温度，所监测和记录的数据传输至控制模块进行处理；
所述执行器用于调整镜头位置，以使得镜头适应环境温度的变化；
所述控制模块用于解析温度传感器的数据，并根据这些数据计算出需要发送给执行器的控制量；
所述驱动模块用于驱动执行器，在收到控制模块发出需要调整的指令后，所述驱动模块驱动执行器进行物理操作；
步骤B、建立温度补偿模型，该模型基于环境温度数据，通过计算预测执行器的控制量，以降低环境温度变化对红外热像光学系统性能的影响；
所述建立温度补偿模型具体为：
b1.1、收集包括环境温度和执行器的状态的数据；
b1.2、构建温度补偿模型，将找到环境温度和执行器状态之间的线性关系作为该模型的目标；
b1.21、温度补偿模型基于环境温度的加权求和进行预测，预测的目标是执行器的状态，该模型表示为：预测值＝权重*温度+偏置，其中“权重”和“偏置”是模型的参数；
b1.22、为权重w和偏置b设定初始值；
b1.23、定义损失函数，损失函数为预测值与真实值差值的平方；
b1.24、初始化模型参数，随机选择权重w和偏置b的初始值；
计算预测值，给定一个环境温度x，计算预测的执行器状态yhat，模型的预测值通过yhat＝wx+b计算得出；
计算损失，对于预测值yhat和真实的执行器状态y，计算损失L，使用损失函数，所以L＝(yhat-y)2；
找出改变参数最能缩小差距的方向，找出一个方向，让预测值yhat更接近真实的执行器状态y，这个方向通过计算w和b对应的″改变率″找出，″改变率″指当改变w或b时，损失L变化的程度，计算″改变率″的公式分别为：
对于w：2x(yhat-y)；
对于b：2*(yhat-y)；
根据方向调整参数：找出了正确的方向之后，按照这个方向调整w和b的值，以使预测值yhat更接近真实的执行器状态y，设置一个学习步长，并用以下方式来调整w和b的值：
新的w值＝旧的w值-学习步长*w的″改变率″；
新的b值＝旧的b值-学习步长*b的″改变率″；
重复上述步骤，不断调整w和b的值，使预测值yhat越来越接近真实的执行器状态y，直到对结果感到满意，或者重复了预设次数的调整；
b1.3、验证和调整模型
使用部分数据或者新收集的数据来验证模型的预测能力，如果模型的预测能力不达预期，返回步骤b1.24，调整模型参数，然后再次训练和验证模型；
b1.4：模型部署
当模型的预测能力满足需求后，将模型部署到控制模块，在运行中，控制模块将实时接收温度传感器的数据，然后使用模型计算出执行器的控制量，并通过驱动模块来控制执行器，以实现环境温度的实时补偿。
2、根据权利要求1所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤C：系统测试与优化
c2.1、利用温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果；
c2.2、对测试结果进行分析，找出温度补偿性能不足的地方；
c2.3、优化温度补偿模型，提高温度补偿精度。
优选的，所述利用温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果具体为：
c2.11、在整个系统启动并正常运行的情况下，温度传感器将持续监测并记录红外热像光学系统所处的环境温度，这些温度数据将被传输至控制模块；
c2.12、将红外热像光学系统置于温度试验箱中，模拟各种温度条件；
c2.13、在每个设定的温度条件下，控制模块会根据温度补偿模型，计算出需要的执行器状态，并通过驱动模块来控制执行器进行微调镜头的位置，以适应温度变化，这时，观察并记录执行器的动作和红外热像光学系统的图像质量是否保持稳定。
优选的，所述c2.13具体为：
c2.131、控制模块会根据接收到的温度数据，通过训练好的温度补偿模型，计算出需要的执行器状态；
c2.132、控制模块将计算出的执行器状态(镜头应该在的位置)以电信号的形式发送给驱动模块；
c2.133、驱动模块接收到信号后，会驱动执行器进行相应的物理操作(是移动镜头到预定的位置)；
c2.134、执行器在驱动模块的控制下，完成了镜头的微调。
优选的，所述对测试结果进行分析，找出温度补偿性能不足的地方具体为：
c2.21、分析在每个设定的温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令的一致性，以及红外热像光学系统的图像质量；
c2.22、如果在某些温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令不一致，或者图像质量有下降，那么应将这些情况视为温度补偿性能不足的地方。
优选的，所述优化温度补偿模型，提高温度补偿精度具体为：
C2.31对于在c2.2中发现的问题，分析原因，原因包括温度补偿模型的预测不准确，或者执行器没有根据控制模块的指令进行精确动作；
C2.32、根据分析的结果，优化温度补偿模型，如果问题出在温度补偿模型，那么通过收集更多的数据来进一步训练和改善模型，如果问题出在执行器，那么对执行器或驱动模块进行调整或替换；
C2.33、实施优化措施，并再次进行温度试验箱测试，以验证优化效果。
本发明的有益技术效果：
本发明构建了一个能够实时监测环境温度并根据温度变化调整光学系统的系统，这个系统包括温度传感器、执行器、控制模块和驱动模块，它们的组合使得系统能够实时监测环境温度，根据温度变化计算出需要的执行器状态，并控制执行器进行相应的物理操作，从而实现对环境温度变化的实时补偿。
本发明通过大量的数据训练出一个能够预测执行器状态的模型。这个模型的建立过程包括数据收集、模型构建、模型训练、模型验证和模型部署等步骤，这个模型的建立使得系统能够根据实时监测的环境温度预测出需要的执行器状态，从而实现对环境温度变化的实时补偿。
本发明通过温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果，并根据测试结果进行系统优化，这个步骤的实施使得系统能够在各种温度条件下保持稳定的性能和图像质量，从而实现对环境温度变化的实时补偿。
本发明通过构建温度补偿环境控制系统，建立温度补偿模型，以及进行系统测试与优化等步骤，实现了对环境温度变化的实时补偿，从而保持了红外热像光学系统的稳定性和图像质量。这个方案的实施可以大大提高车载红外热像镜头组光学系统在各种环境温度下的性能，对于提高车载红外热像镜头组光学系统的稳定性和图像质量具有重要的意义。
附图说明
图1为按照本发明的实施例的温度补偿环境控制系统示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供的针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤A：构建温度补偿环境控制系统，并将温度补偿环境控制系统与红外热像光学系统集成；
构建一个温度补偿环境控制系统，该系统包括温度传感器、执行器、控制模块和驱动模块；
将该系统与现有红外热像光学系统集成，实现温度补偿功能；
温度传感器用于监测环境温度，具体实时监测和记录红外热像光学系统所处的环境温度，所监测和记录的数据会被送到控制模块进行处理；
执行器是能够在接收到特定信号后产生物理动作的设备，用于微调光学系统，抵消温度变化引起的影响，如果环境温度升高导致光学系统的焦距发生了微小偏移，执行器会被控制以微调镜头位置，从而消除或改善这种偏移；
驱动模块用于驱动执行器，驱动模块是实现控制信号从电信号转变为机械运动的部分，在收到控制模块发出的指令后，驱动模块会驱动执行器进行物理操作，如果控制模块确定需要调整镜头的位置以抵消温度变化的影响，驱动模块将触发执行器进行这种微调；
控制模块负责计算执行器的控制量，控制模块是一个处理单元，它负责解析温度传感器的数据，并根据这些数据计算出需要发送给执行器的控制量；
这一计算过程依赖一个训练过的温度补偿模型，该模型根据收集的温度数据以及对应的最佳执行器状态，学习出如何最好地调整执行器以抵消温度变化的影响；
该温度补偿模型的建立过程为：
b1.1、收集大量的数据，这些数据应该包括环境温度和执行器的状态，即在各种环境温度下红外热像光学系统的最佳配置，数据收集可以通过在各种温度条件下运行设备并记录其性能和配置来实现；
b1.2、构建温度补偿模型，该模型的目标是找到环境温度和执行器状态(如镜头的位置)之间的线性关系；
b1.21、定义模型结构
温度补偿模型基于输入特征(环境温度)的加权求和进行预测，预测的目标是执行器的状态，该模型表示为：预测值＝权重*温度+偏置，其中“权重”和“偏置”是模型的参数，需要从数据中学习得出；
b1.22、初始化模型参数
在训练该模型之前，为权重和偏置设定初始值，初始值可以为从标准正态分布中抽取的随机值，这是为了保证模型在训练初期可以从多样的地方开始学习，不容易陷入局部最优；
b1.23、定义损失函数
损失函数为预测值与真实值差值的平方，这个函数衡量了预测值和真实值之间的差距，差距越大，损失值就越大，通过最小化这个损失函数，就可以找到一组模型参数(权重和偏置)，使得模型的预测值尽可能接近真实值，从而提高模型的预测准确性；
b1.24、初始化模型参数，随机选择权重和偏置的初始值，选择w和b的初始值为随机的小数字，比如将w和b都初始化为0.01；
计算预测值，给定一个输入特征x(环境温度)，计算预测的执行器状态y_hat，模型的预测值通过y_hat＝wx+b计算得出；
计算损失，对于预测值y_hat和真实的执行器状态y，计算损失L，使用损失函数，所以L＝(y_hat-y)2；
找出改变参数最能缩小差距的方向，找出一个方向，让预测值y_hat更接近真实的执行器状态y，这个方向通过计算w和b对应的"改变率"找出，"改变率"是指当我们稍微改变w或b时，损失L变化的程度，计算"改变率"的公式分别为：
对于w:2x(y_hat-y)；
对于b:2*(y_hat-y)；
根据方向调整参数：找出了正确的方向之后，按照这个方向调整w和b的值，以使预测值y_hat更接近真实的执行器状态y，设置一个学习步长(例如0.01)，并用以下方式来调整w和b的值：
新的w值＝旧的w值-学习步长*w的"改变率"
新的b值＝旧的b值-学习步长*b的"改变率"
重复上述步骤，不断调整w和b的值，使预测值y_hat越来越接近真实的执行器状态y，直到对结果感到满意，或者重复了足够多次的调整，上述步骤的目标是找到一组权重和偏置，使得模型的预测值与真实的执行器状态尽可能接近；
b1.3、验证和调整模型
使用部分数据或者新收集的数据来验证模型的预测能力，如果模型的预测能力不佳，可能需要返回步骤1.24，调整模型参数，然后再次训练和验证模型；
b1.4：模型部署
当模型的预测能力满足需求后，可以将模型部署到控制模块，在运行中，控制模块将实时接收温度传感器的数据，然后使用模型计算出执行器的控制量，并通过驱动模块来控制执行器，以实现环境温度的实时补偿；
步骤C：系统测试与优化：
c2.1、利用温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果：
c2.11、在整个系统启动并正常运行的情况下，温度传感器将持续监测并记录红外热像光学系统所处的环境温度，这些温度数据将被传输至控制模块；
c2.12、将红外热像光学系统置于温度试验箱中，模拟各种温度条件，例如，将温度试验箱从-40℃逐渐升温至60℃；
c2.13、在每个设定的温度条件下，控制模块会根据温度补偿模型，计算出需要的执行器状态，并通过驱动模块来控制执行器进行微调镜头的位置，以适应温度变化，这时，观察并记录执行器的动作和红外热像光学系统的图像质量是否保持稳定，该步骤具体而言：c2.131、控制模块会根据接收到的温度数据，通过训练好的温度补偿模型，计算出需要的执行器状态，"执行器状态"包括一些物理参数，例如，镜头需要移动到的具体位置，以抵消温度变化可能导致的光学性能降低，当温度升高时，光学系统的焦距可能发生微小偏移，那么执行器可能需要根据计算结果，调整镜头的位置，以消除这种偏移；
c2.132、控制模块将计算出的执行器状态(镜头应该在的位置)以电信号的形式发送给驱动模块；
c2.133、驱动模块接收到信号后，会驱动执行器进行相应的物理操作(是移动镜头到预定的位置)；
c2.134、执行器在驱动模块的控制下，完成了镜头的微调，红外热像光学系统的光学性能得到了优化，抵消了温度变化可能带来的影响；
c2.2、对测试结果进行分析，找出温度补偿性能不足的地方：
c2.21、分析在每个设定的温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令的一致性，以及红外热像光学系统的图像质量；
c2.22、如果在某些温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令不一致，或者图像质量有明显下降，那么应将这些情况视为温度补偿性能不足的地方；
c2.3、优化温度补偿模型，提高温度补偿精度：
c2.31、对于在步骤2.2中发现的问题，分析可能的原因，可能的原因可能包括温度补偿模型的预测不准确，或者执行器没有根据控制模块的指令进行精确动作；
c2.32、根据分析的结果，优化温度补偿模型，例如，如果问题出在温度补偿模型，那么可以通过收集更多的数据来进一步训练和改善模型，如果问题出在执行器，那么可能需要对执行器或驱动模块进行调整或替换；
c2.33、实施优化措施，并再次进行温度试验箱测试，以验证优化效果。
在本实施例中，以下表格1中，“焦距偏移”指的是由于温度变化导致的光学系统焦距的偏移量，偏移量越小，说明温度补偿效果越好，可以看到，在每个温度点，集成了"温度补偿环境控制系统"的光学系统的焦距偏移都小于未集成"温度补偿环境控制系统"的光学系统，说明在相同测试环境下集成了温度补偿环境控制系统的光学系统有更好的温度补偿效果：
在本实施例中，红外热像光学系统包括：
红外镜头组：由多个红外光学镜片组成，用于集中红外辐射到探测器；
红外探测器：捕捉由红外镜头组集中的红外辐射，然后将其转换为电信号；
机械或电子调焦系统：用于调整镜头组以优化成像质量；
电子处理单元：处理红外探测器的电信号并将其转换为可供观察的热图像；
温度补偿环境控制系统与车载红外热像镜头组光学系统的集成步骤如下：
在红外镜头组、红外探测器和调焦系统的附近安装温度传感器以监测温度变化；
执行器被设计并安装在能够对镜头组或调焦系统产生物理影响的地方，以对温度引起的影响进行补偿；
控制模块和驱动模块与车载红外热像系统的电子处理单元集成，以接收温度读数，并根据温度补偿模型计算出执行器应该采取的动作；
执行器根据控制模块和驱动模块的指示进行调整，对温度引起的变化进行补偿。
综上所述，在本实施例中，本实施例提供的通过构建温度补偿环境控制系统，建立温度补偿模型，以及进行系统测试与优化等步骤，实现了对环境温度变化的实时补偿，从而保持了红外热像光学系统的稳定性和图像质量。这个方案的实施可以大大提高车载红外热像镜头组光学系统在各种环境温度下的性能，对于提高车载红外热像镜头组光学系统的稳定性和图像质量具有重要的意义。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：构建温度补偿环境控制系统，并将温度补偿环境控制系统与红外热像光学系统集成；
所述温度补偿环境控制系统包括温度传感器、执行器、控制模块和驱动模块；
所述温度传感器用于监测红外热像光学系统的所处环境温度，所监测和记录的数据传输至控制模块进行处理；
所述执行器用于调整镜头位置，以使得镜头适应环境温度的变化；
所述控制模块用于解析温度传感器的数据，并根据这些数据计算出需要发送给执行器的控制量；
所述驱动模块用于驱动执行器，在收到控制模块发出需要调整的指令后，所述驱动模块驱动执行器进行物理操作；
步骤B、建立温度补偿模型，该模型基于环境温度数据，通过计算预测执行器的控制量，以降低环境温度变化对红外热像光学系统性能的影响；
所述建立温度补偿模型具体为：
b1.1、收集包括环境温度和执行器的状态的数据；
b1.2、构建温度补偿模型，将找到环境温度和执行器状态之间的线性关系作为该模型的目标；
b1.21、温度补偿模型基于环境温度的加权求和进行预测，预测的目标是执行器的状态，该模型表示为：预测值＝权重*温度+偏置，其中“权重”和“偏置”是模型的参数；
b1.22、为权重w和偏置b设定初始值；
b1.23、定义损失函数，损失函数为预测值与真实值差值的平方；
b1.24、初始化模型参数，随机选择权重w和偏置b的初始值；
计算预测值，给定一个环境温度x，计算预测的执行器状态yhat，模型的预测值通过yhat＝wx+b计算得出；
计算损失，对于预测值yhat和真实的执行器状态y，计算损失L，使用损失函数，所以L＝(yhat-y)2；
找出改变参数最能缩小差距的方向，找出一个方向，让预测值yhat更接近真实的执行器状态y，这个方向通过计算w和b对应的"改变率"找出，"改变率"指当改变w或b时，损失L变化的程度，计算"改变率"的公式分别为：
对于w:2x(yhat-y)；
对于b:2*(yhat-y)；
根据方向调整参数：找出了正确的方向之后，按照这个方向调整w和b的值，以使预测值yhat更接近真实的执行器状态y，设置一个学习步长，并用以下方式来调整w和b的值：
新的w值＝旧的w值-学习步长*w的"改变率"；
新的b值＝旧的b值-学习步长*b的"改变率"；
重复上述步骤，不断调整w和b的值，使预测值yhat越来越接近真实的执行器状态y，直到对结果感到满意，或者重复了预设次数的调整；
b1.3、验证和调整模型
使用部分数据或者新收集的数据来验证模型的预测能力，如果模型的预测能力不达预期，返回步骤b1.24，调整模型参数，然后再次训练和验证模型；
b1.4：模型部署
当模型的预测能力满足需求后，将模型部署到控制模块，在运行中，控制模块将实时接收温度传感器的数据，然后使用模型计算出执行器的控制量，并通过驱动模块来控制执行器，以实现环境温度的实时补偿。
2.根据权利要求1所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤C：系统测试与优化
c2.1、利用温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果；
c2.2、对测试结果进行分析，找出温度补偿性能不足的地方；
c2.3、优化温度补偿模型，提高温度补偿精度。
3.根据权利要求2所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，所述利用温度试验箱对系统进行温度循环测试，评价系统的温度补偿效果具体为：
c2.11、在整个系统启动并正常运行的情况下，温度传感器将持续监测并记录红外热像光学系统所处的环境温度，这些温度数据将被传输至控制模块；
c2.12、将红外热像光学系统置于温度试验箱中，模拟各种温度条件；
c2.13、在每个设定的温度条件下，控制模块会根据温度补偿模型，计算出需要的执行器状态，并通过驱动模块来控制执行器进行微调镜头的位置，以适应温度变化，这时，观察并记录执行器的动作和红外热像光学系统的图像质量是否保持稳定。
4.根据权利要求3所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，所述c2.13具体为：
c2.131、控制模块会根据接收到的温度数据，通过训练好的温度补偿模型，计算出需要的执行器状态；
c2.132、控制模块将计算出的执行器状态(镜头应该在的位置)以电信号的形式发送给驱动模块；
c2.133、驱动模块接收到信号后，会驱动执行器进行相应的物理操作(是移动镜头到预定的位置)；
c2.134、执行器在驱动模块的控制下，完成了镜头的微调。
5.根据权利要求4所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，所述对测试结果进行分析，找出温度补偿性能不足的地方具体为：
c2.21、分析在每个设定的温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令的一致性，以及红外热像光学系统的图像质量；
c2.22、如果在某些温度条件下，执行器的实际动作与控制模块指令不一致，或者图像质量有下降，那么应将这些情况视为温度补偿性能不足的地方。
6.根据权利要求4所述的一种针对车载红外热像镜头组光学系统的无热化设计方法，其特征在于，所述优化温度补偿模型，提高温度补偿精度具体为：
C2.31对于在c2.2中发现的问题，分析原因，原因包括温度补偿模型的预测不准确，或者执行器没有根据控制模块的指令进行精确动作；
C2.32、根据分析的结果，优化温度补偿模型，如果问题出在温度补偿模型，那么通过收集更多的数据来进一步训练和改善模型，如果问题出在执行器，那么对执行器或驱动模块进行调整或替换；
C2.33、实施优化措施，并再次进行温度试验箱测试，以验证优化效果。
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2023
- 2023-06-29 CN CN202310784274.3A patent/CN117146989A/zh active Pending
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| CN117873221B (zh) * | 2024-03-12 | 2024-05-28 | 广州中科医疗美容仪器有限公司 | 一种灸疗仓的温度监测控制方法及系统 |
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