TWI820633B - 不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其步驟包含：於一熱像機核心晶片之一溫度下，在一畫禎時間下啟動快門後，獲得一黑體溫度所產生的一響應值；將該響應值進行線性迴歸分析獲得一修正響應強度值方程式；將該響應值輸入該修正響應強度值方程式，以及；獲得該黑體溫度之一修正響應值。
Description
本發明係關於一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，特別是關於一種熱影像機不受快門干擾之溫度校正方法。
一般熱影像模組在運用測溫時，通常需開機等待15至20分鐘，使該模組達一定工作溫度，即感測核心(Focal Plane Array,FPA)晶片溫度相對穩定後，才能執行測溫功能，同時亦須藉由均勻度及單溫度點(快門)校正，來確保影像品質在室溫(R.T)至100℃內之溫度精度維持在±5℃或±5%，但在週期性的單溫度點(快門)校正期間造成的測溫溫度飄移是造成測溫精度過大的主要成因之一。
為解決上述之缺點，一般來說有三種溫度校正方法，方法一：最常用的技術便是溫機後，盡量不要進行快門校正，而直接使用測溫設備內溫度補差，進行手動微調，這種方式適用於環境溫度變易低的量測場域，以額溫槍作為初始參考溫度，來做手動溫度補差微調，最大缺點就是場域被侷限，不適用在環境溫度變異性高的場域及量測溫度區間寬的目標。
方法二：測溫系統中導入一組經校正溫度感測
元件，在出廠前實驗室調校時，開機20分鐘待系統穩定後，啟動單點溫度校正程序，目的有二，第一、維持當下影像均勻度，第二、盡量將校正溫度感測元件固定在快門附近，使快門溫度不受內外界溫度影響，將此時偵測快門溫度換算成數位強度值(得到精準讀出快門溫度與數位強度值對應關係)，也就是獲得以感測核心晶片經數位轉換輸出的強度值(以counts表示)，將此時快門溫度對應的強度值紀錄至系統儲存單元內，此時系統已經完成出廠前溫校程序。
當系統開機歷經使感測核心晶片操作溫度達到恆定(約20分鐘)，量測前啟動單點快門溫度校正程序，此時快門感測溫度會對應新的一組數位強度值，在快門在小區域溫度變動空間內，可經由溫度補差方式(offset)進行線性補償，這是一般業界所謂全自動溫度補差校正，此技術在環境溫度大變異區間量測下不精準(誤差大)。
技術3：盡可能將全部成因考慮，利用實驗模擬不同場景下之複雜的正交高階特徵轉換矩陣函數，進行數值運算，測溫系統內只要知道場景環境溫度、目標物距離、感測核心晶片操作溫度輸入資訊等，當然這些輸入條件都需要有額外溫度及距離感測器量測數值導入，再結合出廠前在實驗室不同溫度區間的取樣設計實驗，找出經驗法則之正交高階特徵轉換矩陣函數來推算正確測溫值。
雖技術3可滿足大範圍溫度變異的測溫，這類技
術最主要問題需要龐大矩陣計算，常需要高性能運算單元，同時假設不同參數間的無相關性，使得運算簡化，雖可大幅提升大溫度範圍測溫精度，但複雜的經驗運算矩陣造成運算晶片負擔極高、事先完整條件取樣設計實驗規劃難度高、預先校正時間長及要增裝不同環境溫度感測器、光學快門週邊溫度感測器、感測核心運作溫度感測器與測距單元等元件及模組搭配，較適用固定式具高效能運算單元之高階測溫系統中，尤其不適合應用在手持式測溫機溫度精度校正。
綜上所述，目前熱影像機從開機到真正運作需進行長時間等待或大量的數值運算進行校正，無法直接使用，為了能夠縮短暖機之等待時間並減少大量之數值運算，因此本案之申請人經苦心研究發展出一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，可精準的校正溫度並有效減少熱影像機開機到使用的等待時間。
鑒於先前技術的遇到的問題，以光學快門進行單點溫度進行影像均勻度校正短區間內感測核心晶片偵測到光學快門啟閉後的暫態量化強度值會有較劇烈的波動，如此推算出的測溫值也會造成短時間暫態的不精確溫度值。本專利將利用極簡化並通用擬合二次曲線雙區間接合方程式，進行非線性自動溫度補差運算，經過本專利提出的數值計算法則，可適用在熱影像畫素已經兩點溫度校正、壞點取代，後
續便可降低測溫熱影像機系統硬體絕緣暨散熱設計的複雜度、系統體積與耗能，可不需改變系統硬體架構，直接節省製造開發成本。
為達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其步驟包含：(A)於一熱像機核心晶片之一溫度下，在一畫禎時間下啟動快門後，獲得一黑體溫度所產生的一響應值；(B)將該響應值進行線性迴歸分析獲得一修正響應強度值方程式；(C)將該響應值輸入該修正響應強度值方程式，(D)獲得該黑體溫度之一修正響應值。
較佳地，該響應值分為一上升段響應值及一下降段響應值，該修正響應強度值方程式可分為一上升段修正響應強度值方程式及一下降段修正響應強度值方程式。
較佳地，修正響應強度值的方程式：該上升段修正響應強度值的方程式：y=C+0.00438x2-1.20399x+20，其中y為上升段修正響應值、C為該黑體輻射之上升段響應值，x為快門啟動後之畫禎時間累計數值。較佳地，高溫一階線性函數係可由高溫黑體響應值與時間關係，以及熱像機核心晶片之溫度與時間關係推導產生。
較佳地，該下降段修正響應強度值的方程式：y1=C1-0.000072(x-180)2+0.11539(x-180)-50，其中y1為下降段修正響應值、C1為該黑體輻射之下降段響應值，x為快門
啟動後之累計數值。
較佳地，快門啟動後之第1個畫禎時間至第180個畫禎時間為該上升段響應值之時間間距。
較佳地，快門啟動後之第181個畫禎時間至第1080個畫禎時間為該下降段響應值之時間間距。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S1-S4:步驟
第一圖係為本發明之一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法流程圖。
第二圖係為熱模組於40℃、30℃黑體輻射源數位化響應值與時間關係圖。
第三圖係為熱模組於校正後1080 frames時間週期內，40℃、30℃黑體輻射源數位化響應強度與時間關係圖。
第四圖係30℃黑體輻射源強度上升段及下降段響應值使用二階函數擬合迴歸。
第五圖係40℃黑體輻射源強度上升段及下降段響應值使用二階函數擬合迴歸。
第六圖係為校正前後之30℃黑體輻射源數位化響應值輸出曲線圖。
第七圖係為校正前後之40℃黑體輻射源數位化響應值輸出曲線圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第一圖，第一圖係為本發明之一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法流程圖。一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，步驟包括：步驟S1於一熱像機核心晶片之一溫度下，在一畫禎時間下啟動快門後，獲得一黑體溫度所產生的一響應值。步驟S2將該響應值進行線性迴歸分析獲得一修正響應強度值方程式。步驟S3將該響應值輸入該修正響應強度值方程式。步驟S4獲得該黑體溫度之一修正響應值。
更詳言之，我們可利用第二圖中，一般熱影像機內進行溫度校正時，先將單點溫度(光學快門作動)校正週期設定為3600秒(1小時啟閉光學快門一次；32400 frames時間間隔≡1hr)，假設未來使用場景會離目標物約1公尺，因此在距離1公尺外進行量測黑體標準輻射源，溫度分別30℃及40℃，同時記錄每一個畫禎時間(Frame)所監視到數位化響應強度值(這裡表示每個frame的畫素數位化響應強度值之平均)，如第二圖所示，在執行單點溫度(光學快門作動)校正
後短暫時間週期內造成數位化響應強度值劇烈變化，而數位化響應強度值可透過之前所提專利普朗克熱輻射曲線近似公式逆運算得到黑體標準輻射源表面溫度值，所以在第二圖觀測表面溫度30℃及40℃的黑體輻射源，在執行單溫度(光學快門)校正後的一段短暫期間造成測溫感測核心FPA晶片數位化響應強度值劇烈變化(每32400 Frames時間間隔會有一個突波曲線)。
為了細部觀察在光學快門作動後暫態測溫感測核心FPA晶片數位化響應強度值劇烈變化區間，我們再放大暫態區間的暫態時間週期120秒(相當於1080 frames時間間格；此畫禎時間數=9 frams/sec)與觀測黑體溫度30℃及40℃之數位化響應強度關係圖，如第三圖。由第三圖發現其觀測30℃及40℃黑體數位化響應強度值的變化趨勢是一致的，也就是開開始光學快門作動後，強度數值初始值會比穩態時低，然後劇烈往上升(第一時間區間)接近180個Frame時間週期後會近最高值然後發生轉折(第二時間區間)，再逐步降至暫態時所觀測之黑體數位化響應強度值。
為使本發明相較於先前技術能夠在一定的量測精度下，更簡化運算，以減少高性能運算單元的使用，因此本發明將此關係曲線在第180 Frame處(變化平緩處)分兩區個別切開為上升段響應值及下降段響應值並分析其曲線趨勢，使用二階函數擬合迴歸，滿足平均擬合度(R2)達值達0.96
以上，最後，求出各階係數，30℃及40℃黑體數位化響應強度值之1080個Frame時間週期下擬合後二次曲線雙區間接合分析，分別如第四、五圖所示。
從第四圖中，30℃黑體輻射強度上升段響應值使用二階函數擬合迴歸後，該上升段修正函數為y=-0.0046x2+1.2503x+3546；30℃黑體輻射強度下降段響應值使用二階函數擬合迴歸後，該下降段修正函數為y=5e-5x2-0.0882x+362。
從第五圖中，40℃黑體輻射強度上升段響應值使用二階函數擬合迴歸後，該上升段修正函數為y=-0.0048x2+1.3142x+4151；40℃黑體輻射強度下降段響應值使用二階函數擬合迴歸後，該下降段修正函數為y=8e-5x2-0.1305x+4238。
由上述實施例中，在不同溫度下，使用二階函數進行擬合便可來進行單點溫度(光學快門作動)校正數位化響應強度值修正，最後取其各階擬合係數的平均值，可得一擬合修正補償方程式，其中該上升段修正響應強度值的方程式：y=C+0.00438x2-1.20399x+20；下降段修正響應強度值的方程式：y1=C1-0.000072(x-180)2+0.11539(x-180)-50，其中y為上升段修正響應值、C為黑體輻射之上升段響應值，y1為下降段修正響應值、C1為黑體輻射之下降段響應值，x為快門啟動後之畫禎時間累計數值。
運用擬合修正補償方程式觀測30℃及40℃黑體標準源之數位化響應強度值，長時間週期下有擬合修正補償及無擬合修正補償比較如第六圖與第七圖所示，每隔一小時時間週期內進行單點溫度(光學快門作動)校正，運用擬合修正補償方程式後，有效改善數位化響應強度值劇烈變化。
進一步的，為了確認修正補償方程式在其他熱像機有所功效，本發明利用不同兩個熱像模組(A組與B組)進行驗證，各熱像模組分別以使用本發明之擬合修正補償方程式結合熱輻射物理普朗克曲線近似公式內之熱輻射校正迴歸係數再做逆運算(CC)與僅作熱輻射物理普朗克曲線近似公式內之熱輻射校正迴歸係數，再做逆運算後(UN)，所得到一個小時(前後各一次單溫光學快門作動校正)作分析。
編號A型有運用擬合修正補償方程式，在觀測30℃黑體標準源之實際溫度值，在最小溫度值部分由29.29℃修正至29.40℃；最大溫度值部分由31.24℃修正至30.43℃，在觀測40℃黑體標準源之實際溫度值，由在最小溫度值部分由39.40℃修正至39.41℃；最大溫度值部分由41.12℃修正至40.34℃，平均值(AVG)、標準差(STD)、最小值(MIN)、最大值(MAX)及中位數(MED)相關數值如表一。
編號B型有運用擬合修正補償方程式在觀測30℃黑體標準源之實際溫度值，在最小溫度值部分由29.12℃修正至29.16℃；最大溫度值部分由31.37℃修正至30.58℃，在觀測40℃黑體標準源之實際溫度值，由在最小溫度值部分由39.27℃修正至39.27℃；最大溫度值部分由41.38℃修正至40.59℃，相關數值如表二。
由表一、二可證明該擬合修正補償方程式可有效抑制暫態下測溫變異，大幅改善單溫(光學快門作動)校正時造成的溫度飄移導致測溫不精準，同時本實施例也證明可用於不同類型的熱像機，經由本發明之擬合修正補償方程式進行修正補償均可達到高暫態測溫穩定極高精度測溫需求。
綜上所述，本發明提出一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，藉由二階函數進行擬合校正，得出一擬合修正補償方程式，可用軟體載入運算晶片模組或利用電腦
或微處理器方式進行即時運算，快速的得到精確與穩定溫度值，本發明不須增加系統的體積、耗能與複雜的硬體絕熱裝置。由實施例中，針對30℃、40℃黑體溫度在單溫校正(光學快門作動)後，在短暫時間週期內造成數位化響應強度值劇烈變化，運用擬合修正補償方程式後，有效改善數位化響應強度值劇烈變化。最終，另外以兩組熱像模組進行驗證及比較，證明經由本發明之擬合修正補償方程式進行修正補償均可達到高暫態測溫穩定極高精度測溫需求。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S1-S4:步驟
Claims (5)
- 一種不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其步驟包含：(A)於一熱像機核心晶片之一溫度下，在一畫禎時間下啟動快門後，獲得一黑體溫度所產生的一響應值；(B)將該響應值進行線性迴歸分析獲得一修正響應強度值方程式；(C)將該響應值輸入該修正響應強度值方程式，以及；(D)獲得該黑體溫度之一修正響應值，其中該響應值分為一上升段響應值及一下降段響應值，該修正響應強度值方程式可分為一上升段修正響應強度值方程式及一下降段修正響應強度值方程式。
- 如申請專利範圍第1項所述之不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其中該上升段修正響應強度值方程式：y=C+0.00438x2-1.20399x+20，其中y為上升段修正響應值、C為該上升段響應值，x為快門啟動後之畫禎時間累計數值。
- 如申請專利範圍第1項所述之不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其中該下降段修正響應強度值方程式：y1=C1-0.000072(x-180)2+0.11539(x-180)-50，其中y1為下降段修正響應值、C1為該下降段響應值，x為快門啟動後之畫禎時間累計數值。
- 如申請專利範圍第1項所述之不受快門干擾熱影像模組測 溫校正方法，其中於快門啟動後之第1個畫禎時間至第180個畫禎時間為該上升段響應值之時間間距。
- 如申請專利範圍第1項所述之不受快門干擾熱影像模組測溫校正方法，其中於快門啟動後之第181個畫禎時間至第1080個畫禎時間為該下降段響應值之時間間距。
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