RU2755093C1

RU2755093C1 - Method for calibration of thermal imaging devices and the device for its implementation

Info

Publication number: RU2755093C1
Application number: RU2020138459A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Петрович Ходунков
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-09-13

Abstract

FIELD: thermal imaging measurements.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of thermal imaging measurements and is intended for use in metrology for grading, calibration and verification of thermal imaging devices. A method for calibration of thermal imaging devices is claimed, in which the spectral sensitivity of the pixel elements of the receiving matrix of the thermal imaging device is pre-corrected. For this purpose, an optical source of infrared radiation is used, the spectrum of which is as similar as possible to the spectrum of radiation of a black body, and energy brightness is stabilized with a given accuracy, distributed with a given uniformity over an aperture of a given size and shape and is placed in exact correspondence with the thermodynamic temperature of a black body. The spectral sensitivity of pixel elements is adjusted by an amount that is determined based on their brightness and brightness dispersion, the average sample brightness and the average sample brightness dispersion for all pixel elements. As an optical source of infrared radiation, a combination of an optical infrared emitter and an integrating sphere is used, from the output port of which a given spectrum of a given radiation is obtained. This method does not require a long waiting time for the emitter to enter a stationary thermal mode, as is the case in analogues and the prototype. In addition, by providing a high uniformity of brightness across the matrix, the method significantly reduces the likelihood of false signals appearing in the thermal image, which is especially important for thermal imagers used for detection purposes.

EFFECT: increase in the accuracy of calibration with the simultaneous reduction in its duration.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике тепловизионных измерений и предназначено для применения в метрологии при градуировке, калибровке и поверке приборов тепловизионных.The invention relates to a technique for thermal imaging measurements and is intended for use in metrology for the calibration, calibration and verification of thermal imaging devices.

На современном уровне развития науки и техники в данной области известны и применяются следующие способы градуировки приборов тепловизионных.At the present level of development of science and technology in this field, the following methods of calibrating thermal imaging devices are known and applied.

Известен способ градуировки, в котором сравниваются показания температуры излучающей поверхности, полученные контактным методом с использованием хромель-алюмелевых термопар и методом тепловизионной съемки (Герасютенко В.В., Шарков А.В., Кораблев В.А., Минкин Д.А. Совершенствование методов и средств поверки и градуировки тепловизиров // Измерительная техника, №6. 2020. С. 33-39). Способ реализован на примере экспериментальной установки, основным элементом которой является излучающая поверхность в виде прямоугольной пластины размерами 330×200×4 мм. С целью уменьшения рассеивания тепловых потоков с излучающей поверхности пластины в окружающую среду применены нагреватели воздуха, прикрепленные к боковым торцам излучающей поверхности, при этом нагреватели изготовлены в виде пластин из сплава алюминия с магнием.There is a known calibration method, which compares the temperature readings of the emitting surface obtained by the contact method using chromel-alumel thermocouples and the thermal imaging method (Gerasyutenko V.V., Sharkov A.V., Korablev V.A., Minkin D.A. Improvement methods and means of verification and calibration of thermal imagers // Measuring equipment, No. 6. 2020. P. 33-39). The method is implemented on the example of an experimental setup, the main element of which is a radiating surface in the form of a rectangular plate with dimensions of 330 × 200 × 4 mm. In order to reduce the dissipation of heat fluxes from the radiating surface of the plate into the environment, air heaters are used, attached to the lateral ends of the radiating surface, while the heaters are made in the form of plates from an aluminum-magnesium alloy.

Известен двухточечный способ калибровки тепловизионных матриц (Бабкин П.С, Павлов Ю.Н., Перов А.Н. Применение двухточечного метода калибровки для тепловизионных матриц фирмы ULIS // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2015. №6. С. 13-26. doi:10.7463/rdopt.0615.0820469). Согласно данному способу используют две температуры модели абсолютно черного тела при постоянном времени интегрирования. В процессе калибровки видеосигнал с матрицы инвертируют на аналого-цифровом преобразователе, в результате чего на исходном тепловизионном изображении светлые участки будут соответствовать более нагретым телам, а темные участки более холодным объектам. Затем, исходя из экспериментальных данных, выбирают точку разбиения всего диапазона температур. Таким образом, целью первого этапа калибровки становится поиск двух оптимальных пар опорных напряжений. Для каждой пары опорных напряжений при фиксированных температурах подложки матрицы выполняют регистрацию тепловизионной картины и вычисляют значения моды гистограммы. Полученную зависимость отображают на трехмерном графике. Аналогично вычисляют значения моды гистограммы тепловизионной картины для другой (второй) температуры матрицы и температуры модели абсолютно черного тела. В результате осуществления способа калибровки для каждого пиксела тепловизионной матрицы находят кривую его чувствительности в зависимости от температуры окружающей среды.Known two-point calibration method for thermal imaging matrices (Babkin PS, Pavlov Yu.N., Perov A.N. Application of the two-point calibration method for thermal imaging matrices from ULIS // Radiooptika. Bauman Moscow State Technical University. Electron, Zh. 2015 . No. 6. S. 13-26. Doi: 10.7463 / rdopt.0615.0820469). According to this method, two temperatures of the blackbody model are used at a constant integration time. In the process of calibration, the video signal from the matrix is inverted on an analog-to-digital converter, as a result of which, in the initial thermal imaging image, the light areas will correspond to more heated bodies, and the dark areas will correspond to colder objects. Then, based on the experimental data, the point of division of the entire temperature range is selected. Thus, the goal of the first stage of calibration is to find two optimal pairs of reference voltages. For each pair of reference voltages at fixed temperatures of the matrix substrate, the thermal imaging pattern is recorded and the values of the histogram mode are calculated. The resulting dependence is displayed on a three-dimensional graph. Similarly, the values of the mode of the histogram of the thermal imaging picture are calculated for another (second) temperature of the matrix and the temperature of the blackbody model. As a result of the calibration method, for each pixel of the thermal imaging matrix, its sensitivity curve is found depending on the ambient temperature.

Известен способ, в котором используют трехточечную коррекцию, согласно которой записывают заданное количество кадров для каждого из трех заданных поддиапазонов температуры (Petrov M.N., Sobolev P.S., Cherniak B.V. Calibration of thermal imaging systems based on matrix IR photodetectors // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series (2019) 012036, doi:10.1088/1742-6596/1352/l/012036). Установка соответствующей температуры осуществляется с помощью тестового объекта, который реализуют на основе источника абсолютно черного тела. В процессе выполнения вычислений на основе заданного количества кадров формируется матрица, состоящая из столбцов, длина (количество строк) которых соответствует размеру кадра. Калибровка инфракрасного (ИК) фотоприемника осуществляется в несколько этапов. На первом этапе выполняют операцию отбрасывания зашумленных пикселей, на втором этапе выполняют отсечение пикселей по амплитуде. Такие пиксели отображаются в виде белых или черных точек на изображения, и они заменяются интерполированными пикселями. На третьем этапе выполняют отбраковку пикселей по чувствительности, для этого используют ИК-изображения для трех температур, строят две гистограммы разности амплитуд пикселей: между изображениями с низкой и средней температурой, средней и высокой температурой. В результате этого идентифицируются пиксели, для которых характерно нелинейное изменение амплитуды при повышении температуры. На четвертом этапе выполняют расчет поправочного коэффициента, нормированного к единице, который выравнивает амплитуду пикселей во время обработки экспериментальных данных. На пятом этапе проверяют наличие скоплений дефектных пикселей.The known method, which uses a three-point correction, according to which a specified number of frames are recorded for each of three specified temperature subranges (Petrov MN, Sobolev PS, Cherniak BV Calibration of thermal imaging systems based on matrix IR photodetectors // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series (2019) 012036, doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1352 / l / 012036). The setting of the appropriate temperature is carried out using a test object, which is implemented on the basis of a blackbody source. In the process of performing calculations, based on a given number of frames, a matrix is formed, consisting of columns, the length (number of rows) of which corresponds to the size of the frame. Calibration of an infrared (IR) photodetector is carried out in several stages. At the first stage, the operation of discarding noisy pixels is performed, at the second stage, the pixels are clipped in amplitude. Such pixels are displayed as white or black dots in the image and are replaced with interpolated pixels. At the third stage, pixels are rejected by sensitivity, for this, IR images are used for three temperatures, two histograms of the difference in pixel amplitudes are built: between images with low and medium temperatures, medium and high temperatures. As a result, pixels are identified, which are characterized by a nonlinear change in amplitude with increasing temperature. At the fourth stage, a correction factor is calculated, normalized to unity, which equalizes the amplitude of the pixels during processing of the experimental data. At the fifth stage, the presence of accumulations of defective pixels is checked.

Известен способ поверки приборов тепловизионных (ГОСТ 8. 619-2006: Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки - М.: Стандартинформ, 2006. 30 с.). Согласно данному способу определение неравномерности чувствительности прибора тепловизионного по полю его матрицы осуществляют путем сравнения пиксельных показаний с температурой, задаваемой эталонным излучателем, который, представляет собой модель абсолютно черного тела, выполненную в виде полости, нагреваемой электрическим нагревателем. Неравномерность чувствительности по полю определяют в пяти точках диапазона рабочих температур (нижняя, верхняя и три точки внутри диапазона). После установления стационарного режима эталонного излучателя проводят не менее 5 измерений на каждой температуре. Излучающую поверхность эталонного излучателя последовательно совмещают с не менее чем пятью различными областями термограммы (по центру и в углах термограммы). Измеряют среднюю температуру по области термограммы, соответствующей апертуре излучателя. Неравномерность чувствительности по полю рассчитывают как разницу максимального значения из полученных средних температур и минимального значения из полученных средних температур. При этом устанавливают требование о том, что полученное значение неравномерности не должно превышать значения, указанного в паспорте на прибор тепловизионный конкретного типа.There is a known method of calibrating thermal imaging devices (GOST 8. 619-2006: State system for ensuring the uniformity of measurements. Thermal imaging measuring devices. Verification technique - M .: Standartinform, 2006. 30 p.). According to this method, the non-uniformity of the sensitivity of the thermal imaging device over the field of its matrix is determined by comparing the pixel readings with the temperature set by the reference emitter, which is a model of an absolutely black body made in the form of a cavity heated by an electric heater. The unevenness of the sensitivity across the field is determined at five points of the operating temperature range (lower, upper and three points within the range). After establishing the stationary mode of the reference emitter, at least 5 measurements are carried out at each temperature. The emitting surface of the reference emitter is consistently aligned with at least five different areas of the thermogram (in the center and in the corners of the thermogram). The average temperature is measured over the area of the thermogram corresponding to the emitter aperture. The non-uniformity of the sensitivity across the field is calculated as the difference between the maximum value from the obtained average temperatures and the minimum value from the obtained average temperatures. At the same time, the requirement is established that the obtained value of unevenness should not exceed the value specified in the passport for a thermal imaging device of a specific type.

Известен способ калибровки тепловизионного прибора на микроболометрической матрице и устройство для его реализации, заключающийся в том, что тепловизионный прибор включают, выдерживают во включенном состоянии для термостатирования, регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Указанные сигналы оцифровывают, инвертируют и записывают в память контроллера тепловизионного прибора. После чего их суммируют с оцифрованными сигналами с соответствующих чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Перед объективом тепловизионного прибора вплотную к нему периодически устанавливают непрозрачную и поглощающую излучение в рабочем диапазоне длин волн микроболометрической матрицы шторку. После чего регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Реализующее способ устройство содержит встроенный в тепловизионный прибор контроллер, соединенный с микроболометрической матрицей, первый, второй и третий таймеры, установленную снаружи тепловизионного прибора перед его объективом шторку, снабженную приводом ее перемещения с концевым выключателем, и логический элемент «И» (патент на изобретение РФ №2569170, МПК G01K 15/00, G011J 5/28, опубл. 20.11.2015, БИ№32).A known method of calibrating a thermal imaging device on a microbolometric matrix and a device for its implementation, which consists in the fact that the thermal imaging device is turned on, kept in the on state for thermostatting, the values of signals from each of the sensitive elements of the microbolometric matrix are recorded. These signals are digitized, inverted and recorded in the memory of the controller of the thermal imaging device. Then they are summed up with the digitized signals from the corresponding sensitive elements of the microbolometric matrix. In front of the lens of the thermal imaging device, close to it, a shutter is periodically installed that is opaque and absorbing radiation in the operating wavelength range of the microbolometric matrix. After that, the values of signals from each of the sensitive elements of the microbolometric matrix are recorded. The device implementing the method contains a controller built into the thermal imaging device connected to a microbolometric matrix, the first, second and third timers, a shutter installed outside the thermal imaging device in front of its lens, equipped with a drive for its movement with a limit switch, and a logical element "I" (patent for an invention of the Russian Federation No. 2569170, IPC G01K 15/00, G011J 5/28, publ. 20.11.2015, BI No. 32).

Наиболее близким по технический сущности к предлагаемому способу является способ градуировки тепловизора с высоким температурным разрешением (Brandon Lane, Eric P. Whitenton. Calibration and Measurement Procedures for a High Magnification Thermal Camera // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD USA 20899-8223, NISTIR 8098, http://dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.8098). В данном способе сравнивают температуру внутри сферической полости калибровочной модели черного тела с пиксельными показаниями матрицы тепловизора, после чего выполняют линеаризацию каждого пикселя и осреднение его сигнала в результате линеаризации. Для повышения точности задания температуры калибровочной модели черного тела ее калибруют с помощью передаточного радиометра, который, в свою очередь, калибруется на основе температуры, определенной Международной температурной шкалой 1990 г. При этом, заданная температура калибровочной модели черного тела (измеренная с помощью термопар) сравнивается с радиометрическим значением температуры, выдаваемым передаточным радиометром.The closest in technical essence to the proposed method is a method for calibrating a thermal imager with a high temperature resolution (Brandon Lane, Eric P. Whitenton. Calibration and Measurement Procedures for a High Magnification Thermal Camera // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD USA 20899- 8223, NISTIR 8098, http://dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.8098). In this method, the temperature inside the spherical cavity of the calibration model of the black body is compared with the pixel readings of the thermal imager matrix, after which each pixel is linearized and its signal is averaged as a result of linearization. To improve the accuracy of setting the temperature of the calibration black body model, it is calibrated using a transfer radiometer, which, in turn, is calibrated based on the temperature determined by the International Temperature Scale 1990. In this case, the specified temperature of the calibration black body model (measured using thermocouples) is compared with a radiometric temperature value given by a transmission radiometer.

Общий и главный недостаток существующих способов градуировки приборов тепловизионных заключается в том, что априори они не обеспечивают высокую точность и достоверность, что обусловлено спецификой эталонного излучателя в виде модели абсолютно черного тела (АЧТ), которая используется в данных способах. Модель абсолютно черного тела всегда имеет некоторую сложно измеряемую неравномерность температурного поля ее излучающей плоскости, при градуировке данная неравномерность передается средству измерения, причем в увеличенном значении, и в настоящее время никак не оценивается. В то же время, пиксельные элементы приемной матрицы любого тепловизионного прибора, выполненные, например, из микрофотодиодов или микрофоторезисторов, всегда имеют незначительно различающиеся спектральные чувствительности, что приводит к некоторой неравномерности яркости теплового видеоизображения, причем данная равномерность характеризуется разностью температур, соизмеримой с разностью температур в излучающей полости модели АЧТ и обычно составляет ≈0,05 К. По этой причине, при использовании модели АЧТ невозможно выполнить корректировку спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы, равно как невозможно различить, за счет чего на конкретном тепловом видеоизображении наблюдается неравномерность яркости - либо из-за неравномерности температуры в полости модели АЧТ, либо из-за различия спектральных чувствительностей пиксельных элементов. В результате наложения этих двух факторов всегда имеет место неопределенность измерений, более высокая, чем та, которая требуется на современном уровне развития науки и техники.The general and main disadvantage of existing methods for calibrating thermal imaging devices is that, a priori, they do not provide high accuracy and reliability, which is due to the specifics of the reference emitter in the form of a model of an absolutely black body (ABB), which is used in these methods. The model of an absolutely black body always has some difficultly measured unevenness of the temperature field of its emitting plane; during calibration, this unevenness is transmitted to the measuring instrument, and in an increased value, and is currently not evaluated in any way. At the same time, pixel elements of the receiving matrix of any thermal imaging device, made, for example, of microphotodiodes or microphotoresistors, always have slightly different spectral sensitivities, which leads to some uneven brightness of the thermal video image, and this uniformity is characterized by a temperature difference commensurate with the temperature difference in the radiating cavity of the blackbody model and is usually ≈0.05 K. For this reason, when using the blackbody model, it is impossible to correct the spectral sensitivity of the pixel elements of the receiving matrix, as well as it is impossible to distinguish, due to which unevenness of brightness is observed on a specific thermal video image - either from for temperature unevenness in the cavity of the blackbody model, or because of the difference in spectral sensitivities of pixel elements. As a result of the superposition of these two factors, there is always a measurement uncertainty that is higher than that required at the current level of development of science and technology.

Кроме того, размеры излучающих плоскостей моделей абсолютно черного тела, как правило, всегда малы, поэтому при проецировании на приемную матрицу прибора тепловизионного они не покрывают полностью всю поверхность данной матрицы. Вследствие этого, невозможно одновременно по одному тепловизионному снимку судить о неравномерности собственной спектральной чувствительности всех пиксельных элементов матрицы. Поэтому требуется несколько снимков различных участков матрицы, которые необходимо совмещать - это также увеличивает погрешность градуировки.In addition, the dimensions of the radiating planes of the models of an absolutely black body, as a rule, are always small, therefore, when projected onto the receiving matrix of a thermal imaging device, they do not completely cover the entire surface of this matrix. As a result, it is impossible to simultaneously judge from one thermal imaging image about the unevenness of the intrinsic spectral sensitivity of all pixel elements of the matrix. Therefore, several images of different parts of the matrix are required, which must be combined - this also increases the calibration error.

Помимо этого, в способах, основанных на использовании модели АЧТ, существенно влияние внешней засветки на результат градуировки, которое особенно заметно при малых температурах (вблизи комнатных температур) -это дополнительно снижает точность.In addition, in methods based on the use of the black body model, the influence of external illumination on the calibration result is significant, which is especially noticeable at low temperatures (near room temperatures), this additionally reduces the accuracy.

Кроме этого, традиционно выполняемая операция градуировки с эталонным излучателем в виде модели АЧТ имеет довольно большую продолжительность, ввиду длительного времени выхода модели абсолютно черного тела на стационарный тепловой режим.In addition, the traditionally performed operation of calibration with a reference emitter in the form of a black body model has a rather long duration, due to the long time it takes for the black body model to reach a stationary thermal regime.

Цель изобретения - повышение точности градуировки с одновременным сокращением ее длительности.The purpose of the invention is to improve the accuracy of the calibration with a simultaneous reduction in its duration.

Указанная цель достигается тем, что в способе градуировки приборов тепловизионных градуировку выполняют для нескольких заданных реперных значений температуры по соответствующим им энергетическим яркостям апертуры оптического источника инфракрасного излучения, спектр которого максимально подобен спектру излучения абсолютно черного тела, а энергетическая яркость с заданной точностью стабилизирована, с заданной равномерностью распределена по апертуре заданного размера и формы и поставлена в точное соответствие термодинамической температуре абсолютно черного тела, причем данное соответствие предварительно и единожды определено при калибровке оптического источника по абсолютно черному телу, в начале градуировки предварительно выполняют коррекцию спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы тепловизионного прибора, для этого исходя из калибровочной зависимости оптического источника инфракрасного излучения устанавливают энергетическую яркость его апертуры, соответствующую одной из заданных реперных термодинамических температур, фокусируют тепловизионный прибор на апертуру и регистрируют ее тепловое видеоизображение, на полученном тепловом видеоизображении для каждого его пикселя оцифровывают соответствующую данному пикселу яркость и рассчитывают среднюю выборочную яркость по всем пикселям, для каждого пикселя рассчитывают дисперсию яркости от средней выборочной яркости, рассчитывают среднюю выборочную дисперсию яркости по всем пикселям, для каждого пикселя рассчитывают коэффициент, корректирующий спектральную чувствительность пиксельного элемента, который рассчитывают исходя из отношения абсолютной разности дисперсии яркости пикселя и средней выборочной дисперсии яркости к средней выборочной яркости, которое возводят в заданную степень, после чего умножают исходную яркость пикселя на корректирующий коэффициент, тем самым формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры, которое приписывают к заданной термодинамической температуре, после перечисленных выше предварительных операций выполняют градуировку тепловизионного прибора на других реперных температурах, при которой для каждой температуры регистрируют соответствующее ей тепловое видеоизображение апертуры и выполняют его коррекцию, при этом используют предварительно полученные корректировочные коэффициенты для каждого пикселя, после чего скорректированному тепловому видеоизображению ставят в соответствие заданную реперную температуру.This goal is achieved by the fact that in the method of calibrating thermal imaging devices, the calibration is performed for several specified reference temperature values according to the corresponding radiance of the aperture of the optical source of infrared radiation, the spectrum of which is maximally similar to the radiation spectrum of an absolutely black body, and the radiance is stabilized with a given accuracy, with a given uniformly distributed over the aperture of a given size and shape and placed in exact correspondence with the thermodynamic temperature of an absolutely black body, and this correspondence was previously and once determined when calibrating an optical source against an absolutely black body, at the beginning of the calibration, the spectral sensitivity of the pixel elements of the receiving matrix of the thermal imaging device is preliminarily performed, for this, based on the calibration dependence of the optical source of infrared radiation, the energy brightness of its aperture is set, corresponding to one of the given reference thermodynamic temperatures, the thermal imaging device is focused on the aperture and its thermal video image is recorded, on the obtained thermal video image for each of its pixels the brightness corresponding to this pixel is digitized and the average sample brightness for all pixels is calculated, for each pixel the variance of the brightness from the average sample is calculated brightness, calculate the average sample brightness variance for all pixels, for each pixel calculate the coefficient correcting the spectral sensitivity of the pixel element, which is calculated based on the ratio of the absolute difference of the pixel brightness variance and the average sample brightness variance to the average sample brightness, which is raised to a given power, after which multiplies the original pixel brightness by a correction factor, thereby forming a corrected thermal video image of the aperture, which is assigned to a given thermodynamic temperature, after of the preliminary operations listed above, the thermal imaging device is calibrated at other reference temperatures, at which for each temperature the corresponding thermal video image of the aperture is recorded and corrected; temperature.

При этом, в одном из вариантов способа в качестве оптического источника инфракрасного излучения используют последовательно соединенные посредством волоконно-оптического кабеля ртутно-ксеноновую лампу и интегрирующую сферу, а в качестве апертуры используют выходной порт интегрирующей сферы, а в другом варианте способа в качестве оптического источника инфракрасного излучения используют последовательно соединенные посредством волоконно-оптического кабеля температурную лампу и интегрирующую сферу, а в качестве апертуры используют выходной порт интегрирующей сферы.In this case, in one embodiment of the method, a mercury-xenon lamp and an integrating sphere connected in series by means of a fiber-optic cable are used as an optical source of infrared radiation, and the output port of the integrating sphere is used as an aperture, and in another embodiment of the method, an optical source of infrared A temperature lamp and an integrating sphere connected in series by means of a fiber-optic cable are used, and the output port of the integrating sphere is used as an aperture.

Указанная цель реализуется с помощью устройства для градуировки приборов тепловизионных, содержащем стабилизированный оптический инфракрасный излучатель, размещенный в корпусе, и связанный оптически через волоконно-оптическую линию связи с входом интегрирующей сферы с заданной выходной апертурой, мощность излучения из которой регулируется блоком питания оптического инфракрасного излучателя и контролируется фотоприемником, установленным на интегрирующей сфере и связанным через линию электрической связи со средством измерения сигнала фотоприемника.This goal is realized with the help of a device for calibrating thermal imaging devices, containing a stabilized optical infrared emitter located in the housing and connected optically through a fiber-optic communication line to the input of the integrating sphere with a given output aperture, the radiation power from which is regulated by the power supply unit of the optical infrared emitter and controlled by a photodetector mounted on the integrating sphere and connected through an electrical communication line with a means for measuring the photodetector signal.

Сущность способа поясняется фиг. 1, на которой представлена принципиальная схема устройства, реализующего данный способ, где: 1 - оптический инфракрасный излучатель, 2 - корпус излучателя, 3 -волоконно-оптическая линия связи, 4 - интегрирующая сфера, 5 - фотоприемник, 6 - линия электрической связи, 7 - средство измерения сигнала фотоприемника, 8 - выходная апертура интегрирующей сферы 4, 9 - приемная матрица тепловизора, 10 - тепловизор, 11 - блок питания оптического инфракрасного излучателя 1, 12 - основание.The essence of the method is illustrated in FIG. 1, which shows a schematic diagram of a device that implements this method, where: 1 - optical infrared emitter, 2 - emitter housing, 3 - optical fiber communication line, 4 - integrating sphere, 5 - photodetector, 6 - electrical communication line, 7 - means for measuring the signal of the photodetector, 8 - the output aperture of the integrating sphere 4, 9 - the receiving matrix of the thermal imager, 10 - the thermal imager, 11 - the power supply unit of the optical infrared emitter 1, 12 - the base.

В основу заявленного способа положено следующее. Для устранения влияния собственной неравномерности температурного поля модели АЧТ на результат градуировки, вместо модели АЧТ предлагается использовать стабилизированный оптический источник инфракрасного излучения, энергетическая яркость которого предварительно откалибрована с помощью абсолютного радиометра, сигнал которого напрямую связан с термодинамической температурой посредством формулы Планка, т.е. установлена однозначная связь энергетической яркости данного оптического источника с термодинамической температурой. В качестве оптического источника инфракрасного излучения предлагается использовать совокупность из двух оптических элементов: оптического инфракрасного излучателя 1 и связанную с ним посредством линии волоконно-оптической связи 3 интегрирующую сферу 4. При этом спектр излучения оптического инфракрасного излучателя 1 должен быть максимально подобен излучению идеального черного тела, для этих целей почти идеально подходят либо ртутно-ксеноновая, либо температурная лампы. В этом случае инфракрасное излучение, передаваемое от оптического инфракрасного излучателя 1 через линию волоконно-оптической связи 3 к интегрирующей сфере 4, претерпевает многократное отражение внутри интегрирующей сферы 4, в результате чего в плоскости выходной апертуры 8 интегрирующей сферы 4 образуется поток излучения, который характеризуется очень высокой равномерностью энергетической яркости, причем, на порядок и более лучшей, чем достигается при использовании моделей АЧТ в традиционных способах. При этом, если выходная апертура 8 интегрирующей сферы 4 имеет достаточно большой диаметр, то ее изображение, проецируемое на приемную матрицу 9 тепловизора 10, будет полностью перекрывать размеры матрицы 9. Интегрирующие сферы с большим диаметром выходной апертуры выпускаются серийно, поэтому данный аспект не вызывает каких-либо технических проблем и легко реализуем.The claimed method is based on the following. To eliminate the influence of the inherent unevenness of the temperature field of the blackbody model on the calibration result, instead of the blackbody model, it is proposed to use a stabilized optical source of infrared radiation, the energy brightness of which is pre-calibrated using an absolute radiometer, the signal of which is directly related to the thermodynamic temperature by means of the Planck formula, i.e. an unambiguous connection was established between the energy brightness of this optical source and the thermodynamic temperature. As an optical source of infrared radiation, it is proposed to use a combination of two optical elements: an optical infrared emitter 1 and an integrating sphere 4 connected with it through a fiber-optic communication line 3. In this case, the radiation spectrum of an optical infrared emitter 1 should be maximally similar to the radiation of an ideal black body, for these purposes, either mercury-xenon or temperature lamps are almost ideal. In this case, infrared radiation transmitted from the optical infrared emitter 1 through the fiber-optic communication line 3 to the integrating sphere 4 undergoes multiple reflection inside the integrating sphere 4, as a result of which a radiation flux is formed in the plane of the output aperture 8 of the integrating sphere 4, which is characterized by a very high uniformity of energy brightness, and, moreover, an order of magnitude and better than is achieved when using black body models in traditional methods. In this case, if the output aperture 8 of the integrating sphere 4 has a sufficiently large diameter, then its image projected onto the receiving matrix 9 of the thermal imager 10 will completely overlap the dimensions of the matrix 9. Integrating spheres with a large diameter of the output aperture are produced commercially, therefore this aspect does not cause any -or technical problems and is easy to implement.

При выполнении градуировки тепловизора 10 регистрируют тепловые видеоизображения выходной апертуры 8 при нескольких заданных реперных температурах. При этом возможная неравномерность попиксельной яркости получаемых видеоизображений целиком и полностью определяется возможным различием спектральных чувствительностей пиксельных элементов матрицы 9 (микрофоторезисторов, микрофотодиодов).When performing the calibration of the thermal imager 10, thermal video images of the output aperture 8 are recorded at several specified reference temperatures. In this case, the possible unevenness of the per-pixel brightness of the obtained video images is entirely determined by the possible difference in the spectral sensitivities of the pixel elements of the matrix 9 (microphotoresistors, microphotodiodes).

Для устранения данного дефекта предлагается при одной из реперных температур, предпочтительнее - верхняя температурная граница рабочего диапазона тепловизора, единожды выполнить коррекцию спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы 9 тепловизора 10.To eliminate this defect, it is proposed at one of the reference temperatures, preferably the upper temperature limit of the operating range of the thermal imager, to correct the spectral sensitivity of the pixel elements of the receiving matrix 9 of the thermal imager 10 once.

Коррекцию осуществляют следующим образом. На полученном исходном тепловом видеоизображении для каждого его пикселя оцифровывают соответствующую данному пикселю яркость и рассчитывают среднюю выборочную яркость по всем пикселям:The correction is carried out as follows. On the resulting initial thermal video image, for each of its pixels, the brightness corresponding to this pixel is digitized and the average sample brightness for all pixels is calculated:

гдеwhere

L_i - яркость i-го пикселя,L _i - brightness of the i-th pixel,

L_m - средняя выборочная яркость по всем писелям матрицы,L _m is the average sample brightness for all matrix letters,

N - количество пикселей.N is the number of pixels.

Затем, для каждого пикселя рассчитывают дисперсию его яркости σL_i от средней выборочной яркости:Then, for each pixel, the variance of its brightness σL _i from the average sample brightness is calculated:

После этого, рассчитывают среднюю выборочную дисперсию яркости σL_m от средней выборочной яркости L_m:After that, calculate the average sample brightness variance σL _m from the average sample brightness L _m :

Для каждого пикселя рассчитывают отношение абсолютной разности дисперсии его яркости и средневыборочной дисперсии яркости к средней выборочной яркости и возводят данное отношение в заданную степень n и обозначают полученное значение k_1,i.For each pixel, the ratio of the absolute difference between the variance of its brightness and the sample mean variance of the brightness to the average sample brightness is calculated and this ratio is raised to a given power n and the obtained value is designated k _{1, i} .

Корректируют исходную яркость L_i каждого пикселя и делают ее равной яркости

рассчитанной по соотношению:Correct the original brightness L _{i of} each pixel and make it equal to the brightness

calculated by the ratio:

При этом, значения коэффициента k_2,i, корректирующего спектральную чувствительность пикселя, рассчитывают в зависимости от знака дисперсии пикселя по следующим соотношениям:In this case, the values of the coefficient k _{2, i} , which corrects the spectral sensitivity of the pixel, are calculated depending on the sign of the pixel dispersion according to the following relations:

- если

- if

- если

- if

Значение показателя степени n подбирают экспериментальным путем так, чтобы оно обеспечивало наилучшую равномерность яркости скорректированного теплового видеоизображения, при этом обычно значения n находятся в пределах n=0,8-1,5.The value of the exponent n is selected experimentally so that it provides the best uniformity of the brightness of the corrected thermal video image, while usually the values of n are in the range of n = 0.8-1.5.

В результате выполненных операций получают набор корректирующих коэффициентов k_2,i, с помощью которых формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры, которое приписывают к заданной термодинамической температуре, при этом, благодаря тому, что спектральная чувствительность пиксельных элементов матрицы 9 скорректирована, получают наилучшую равномерность распределения яркости на видеоизображении и аналогичную точность ее соответствия заданной термодинамической температуре.As a result of the operations performed, a set of correction coefficients k _{2, i is} obtained, with the help of which a corrected thermal video image of the aperture is formed, which is assigned to a given thermodynamic temperature, while, due to the fact that the spectral sensitivity of the pixel elements of the matrix 9 is corrected, the best uniformity of the brightness distribution on video image and similar accuracy of its correspondence to a given thermodynamic temperature.

После этого тепловизор градуируют на других заданных температурах, при этом для каждой температуры регистрируют тепловое видеоизображение апертуры, выполняют коррекцию полученного видеоизображения за счет коррекции спектральной чувствительности пиксельных элементов, при этом используют полученные ранее корректирующие коэффициенты k_2,i.After that, the thermal imager is calibrated at other specified temperatures, while the thermal video image of the aperture is recorded for each temperature, the obtained video image is corrected by correcting the spectral sensitivity of the pixel elements, while the previously obtained correction coefficients k _{2, i are used} .

Способ поясняется работой устройства, схема которого представлена фиг. 1. В качестве составных элементов устройства могут быть взяты следующие: оптический инфракрасный излучатель 1 - либо температурная лампа, например, лампа типа СИ6-300, либо ртутно-ксеноновая лампа, например, лампа L8029 мощностью 100 Вт (производитель - фирма Hamamatsu, Япония). Интегрирующая сфера 4 - например, модель «uku500», внешний диаметр сферы 500 мм, диаметр выходного порта 125 мм. В качестве фотоприемника 5 - любой высокочувствительный фотодиод, например, кремниевый фотодиод типа S1337 (производитель - фирма Hamamatsu, Япония). В качестве средства измерения сигнала фотоприемника 7 - любой мультиметр с соответствующей данному классу измерений точностью.The method is illustrated by the operation of the device, the diagram of which is shown in FIG. 1. The following can be taken as components of the device: optical infrared emitter 1 - either a temperature lamp, for example, a lamp of the SI6-300 type, or a mercury-xenon lamp, for example, a lamp L8029 with a power of 100 W (manufacturer - Hamamatsu, Japan) ... Integration sphere 4 - eg model "uku500", sphere outer diameter 500 mm, outlet port diameter 125 mm. As a photodetector 5 - any high-sensitivity photodiode, for example, a silicon photodiode of the S1337 type (manufactured by Hamamatsu, Japan). As a means of measuring the signal of the photodetector 7 - any multimeter with the accuracy corresponding to this class of measurements.

Устройство работает следующим образом. С помощью блока питания 11 устанавливают заданную мощность оптического инфракрасного излучателя 1, которая поставлена в точное соответствие термодинамической температуре и заранее определена при предварительной калибровке с помощью абсолютного радиометра, сигнал которого напрямую связан с термодинамической температурой посредством формулы Планка (см., например, патент на изобретение РФ №2697429, МПК G01K 15/00, G01J 5/00, опубл. 14.08.2019, БИ №23). Контроль заданной мощности излучателя 1 и, соответственно, заданной температуры, осуществляют путем измерения выходного сигнала U₅ фотоприемника 5, который через линию электрической связи 6 связан со средством измерения 7. Излучение заданной мощности от излучателя 1 посредством линии волоконно-оптической связи 3 подается на входной порт интегрирующей сферы 4, где претерпевает многократные отражения от внутренней поверхности сферы 4 и излучается в полупространство через выходную апертуру 8 обозначенной интегрирующей сферы 4. Фокусируют градуируемый тепловизор 10 на плоскость выходной апертуры 8 интегрирующей сферы 4 и регистрируют тепловое видеоизображение данной апертуры 8. Затем программным способом оцифровывают яркости пикселей матрицы 9 тепловизора 10 и по приведенным выше соотношениям (1) - (3) выполняют расчеты яркости каждого пикселя, средневыборочной яркости, дисперсий яркости каждого пикселя, средневыборочной дисперсии по всем пикселям, по которым находят корректирующие коэффициенты k_2,i и выполняют программную коррекцию яркости каждого пикселя, при этом используют соотношения (4)-(7). В результате формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры 8, обладающее высокой равномерностью яркости, которое ставят в соответствие заданной термодинамической температуре. После выполнения указанных операций задают другие реперные температуры и соответствующие им мощности оптического инфракрасного излучателя 1, для каждой температуры и мощности излучения регистрируют тепловое видеоизображение и выполняют его коррекцию, при этом используют значения ранее полученных корректирующих коэффициентов k_2,i. После выполнения указанных операций градуировку считают завершенной.The device works as follows. With the help of the power supply unit 11, the specified power of the optical infrared emitter 1 is set, which is set in exact correspondence to the thermodynamic temperature and is predetermined during preliminary calibration using an absolute radiometer, the signal of which is directly related to the thermodynamic temperature by means of the Planck formula (see, for example, a patent for an invention RF No. 2697429, IPC G01K 15/00, G01J 5/00, publ. 08/14/2019, BI No. 23). The control of the set power of the emitter 1 and, accordingly, the set temperature, is carried out by measuring the output signal U _{5 of the} photodetector 5, which is connected through the electric communication line 6 to the measuring means 7. Radiation of the set power from the emitter 1 through the fiber-optic communication line 3 is fed to the input the port of the integrating sphere 4, where it undergoes multiple reflections from the inner surface of the sphere 4 and is emitted into the half-space through the output aperture 8 of the designated integrating sphere 4. The calibrated thermal imager 10 is focused on the plane of the output aperture 8 of the integrating sphere 4 and the thermal video image of this aperture 8 is recorded. the brightness of the pixels of the matrix 9 of the thermal imager 10 is digitized and, according to the above relations (1) - (3), the calculations of the brightness of each pixel, the average sample brightness, the variance of the brightness of each pixel, the average sample variance for all pixels are performed, according to which the correction coefficients are found cents k _{2, i} and perform software correction of the brightness of each pixel, using relations (4) - (7). As a result, a corrected thermal video image of the aperture 8 is formed, having a high uniformity of brightness, which is associated with a given thermodynamic temperature. After performing these operations, other reference temperatures and the corresponding power of the optical infrared emitter 1 are set, for each temperature and radiation power, the thermal video image is recorded and corrected, while the values of the previously obtained correction coefficients k _{2, i are used} . After performing these operations, the calibration is considered complete.

Преимущества заявленного способа заключаются в обеспечении более высокой точности измерений, существенном сокращении длительности процесса градуировки. В данном способе не требуется длительного времени ожидания выхода излучателя на стационарный тепловой режим, как это имеет место в аналогах и прототипе. В способе время выхода на режим измерений составляет всего 1-2 мин, в то время как в аналогах и прототипе это на это требуется не менее одного часа. Кроме того, обеспечивая высокую равномерность яркости по матрице, способ существенно снижает вероятность появления ложных сигналов на тепловом изображении, что особенно важно для тепловизоров, применяемых в целях обнаружения.The advantages of the claimed method are in providing a higher measurement accuracy, a significant reduction in the duration of the calibration process. This method does not require a long waiting time for the emitter to reach a stationary thermal regime, as is the case in analogs and the prototype. In the method, the time to reach the measurement mode is only 1-2 minutes, while in analogs and the prototype it takes at least one hour. In addition, providing high uniformity of brightness across the matrix, the method significantly reduces the likelihood of false signals in the thermal image, which is especially important for thermal imagers used for detection.

Claims

1. The method of calibration of thermal imaging devices, which consists in the fact that the calibration is performed for several specified reference temperature values according to the corresponding radiance of the aperture of the optical source of infrared radiation, the spectrum of which is maximally similar to the spectrum of radiation of an absolutely black body, and the radiance is stabilized with a given accuracy, with with a given uniformity is distributed over an aperture of a given size and shape and is put in exact correspondence with the thermodynamic temperature of an absolutely black body, and this correspondence is previously and once determined when calibrating an optical source against an absolutely black body, at the beginning of the calibration, the spectral sensitivity of the pixel elements of the receiving matrix of the thermal imaging device is preliminarily performed , for this, based on the calibration dependence of the optical source of infrared radiation, the energy brightness of its aperture is set, corresponding to one and from the given reference thermodynamic temperatures, the thermal imaging device is focused on the aperture and its thermal video image is recorded, on the obtained thermal video image for each of its pixels the brightness corresponding to this pixel is digitized and the average sample brightness for all pixels is calculated, for each pixel the brightness variance from the average sample brightness is calculated, calculate the average sample brightness variance for all pixels, for each pixel calculate the coefficient correcting the spectral sensitivity of the pixel element, which is calculated based on the ratio of the absolute difference of the pixel brightness variance and the average sample brightness variance to the average sample brightness, which is raised to a given power, and then multiplied the original pixel brightness by a correction factor, thereby forming a corrected thermal video image of the aperture, which is assigned to a given thermodynamic temperature, after enumerating of the above preliminary operations, the thermal imaging device is calibrated at other reference temperatures, at which for each temperature the corresponding thermal video image of the aperture is recorded and corrected, while the previously obtained correction coefficients for each pixel are used, after which the corrected thermal video image is matched to the specified reference temperature. temperature.

2. A method for calibrating thermal imaging devices according to claim 1, in which a mercury-xenon lamp and an integrating sphere connected in series by means of a fiber-optic cable are used as an optical source of infrared radiation, and the output port of the integrating sphere is used as an aperture.

3. A method for calibrating thermal imaging devices according to claim 1, in which a temperature lamp and an integrating sphere connected in series by means of a fiber-optic cable are used as an optical source of infrared radiation, and an output port of the integrating sphere is used as an aperture.

4. A device for calibrating thermal imaging devices, containing a stabilized optical infrared emitter placed in a housing and connected optically through a fiber-optic communication line to the input of an integrating sphere with a given output aperture, the radiation power from which is regulated by a power supply unit of an optical infrared emitter and controlled by a photodetector, installed on the integrating sphere and connected through a line of electrical communication with the means for measuring the signal of the photodetector.