一种红外热像仪外场标定方法及装置与流程

本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外热像仪外场标定方法及装置、计算机设备、计算机可读存储介质。

背景技术：

红外成像技术以其抗干扰和穿透能力强，受雨雾霾天气影响小，可以提供全天候的服务等优势，得到了越来越广泛的应用。为了准确地完成目标的红外辐射特性测量，需要对红外热像仪进行辐射定标。目前，红外热像仪的辐射定标通常有两种方式：实验室标定和外场标定。其中，实验室标定是在实验室稳定环境下进行的辐射定标，标定数据重复稳定性好、标定精度高。外场标定是在实验室标定的基础上根据实际测量目标红外辐射特性的外场环境进行修正，主要是为了修正环境温度变化对测量结果的影响。进行目标的红外辐射特性测量时，为了提高信噪比，需要根据目标的辐射特性选择一个合适的积分时间，所以在辐射定标时，应当获取所有需要的积分时间下的辐射定标数据，这是一项繁琐的工作，耗时、耗力，而外场测量准备时间有限，难以进行繁琐复杂的标定过程。

因此，针对以上不足，需要提供一种更为简便、快捷的外场标定方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中红外热像仪外场标定过程繁琐、耗时过长的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种红外热像仪外场标定方法，包括如下步骤：

s1、根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2；

s2、根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2；

s3、设置红外热像仪的相机积分时间为积分时间下限值i1，分别采集并保存红外热像仪在温度下限点t1和温度上限点t2对应输出的图像，改变相机积分时间为积分时间上限值i2，采集并保存红外热像仪在环境温度te对应输出的图像；

s4、根据保存的图像的灰度求解红外热像仪的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪暗电流引起的偏置b；

s5、根据涵盖积分时间变量的标定公式h＝i×(g×l+o)+b得到标定曲线并输出，完成标定；其中，h为红外热像仪输出的图像的灰度，i为相机积分时间，l为辐射亮度。

优选地，采用面源黑体提供温度下限点t1、温度上限点t2、环境温度te对应的红外辐射。

优选地，所述步骤s1包括如下步骤：

s11、开启面源黑体，将所述面源黑体的温度设为此时外场的环境温度te；

s12、开启红外热像仪进行测量，调整红外热像仪对准所述面源黑体的辐射面，保证辐射面充满红外热像仪的视场；

s13、查看此时所述面源黑体对应的图像的灰度中值hm，调整相机积分时间，使hm＝hmax/2，hmax为红外热像仪可输出灰度的最大值，记录此时的积分时间im；

s14、确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2，i1＝0.5×im，i2＝1.5×im。

优选地，所述步骤s2中，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2时，t1＝te-20℃，t2＝te+20℃。

优选地，所述步骤s3包括如下步骤：

s31、开启红外热像仪并在外场的环境中稳定运行30分钟以上，设置红外热像仪的相机积分时间为积分时间下限值i1，调整红外热像仪对准所述面源黑体的辐射面，保证辐射面充满红外热像仪的视场；

s32、设置所述面源黑体的温度为温度下限点t1，采集并保存红外热像仪输出的图像，得到图像的灰度记为h1；设置所述面源黑体的温度为温度上限点t2，采集并保存红外热像仪输出的图像，得到图像的灰度记为h2；

s33、设置红外热像仪的相机积分时间为积分时间上限值i2，设置所述面源黑体的温度为外场的环境温度te，采集并保存红外热像仪输出的图像，图像的灰度记为he。

优选地，所述步骤s4包括如下步骤：

s41、计算所述面源黑体在温度分别为t1、t2和te时，对应的辐射亮度l1、l2和le，所述面源黑体的辐射亮度l与温度t之间的关系式如下：

其中，λ为波长，λ1和λ2分别为红外热像仪的响应波段波长的下限和上限，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，l为所述面源黑体的辐射亮度，t为所述面源黑体的绝对温度(单位k)，ε为所述面源黑体的黑体发射率；

s42、根据所述面源黑体的辐射亮度分别为l1、l2和le时对应的图像的灰度h1、h2、he，带入标定公式h＝i×(g×l+o)+b，求解红外热像仪的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪暗电流引起的偏置b，关系式如下：

优选地，所述面源黑体的边缘处设有防风罩，用于减少干扰。

本发明还提供了一种红外热像仪外场标定装置，包括：

时间确定模块，用于根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2；

温度确定模块，用于根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2；

图像采集模块，用于设置红外热像仪的相机积分时间为积分时间下限值i1，分别采集并保存红外热像仪在温度下限点t1和温度上限点t2对应输出的图像，以及改变相机积分时间为积分时间上限值i2，采集并保存红外热像仪在环境温度te对应输出的图像；

参数计算模块，用于根据保存的图像的灰度求解红外热像仪的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪暗电流引起的偏置b；

曲线输出模块，用于根据涵盖积分时间变量的标定公式h＝i×(g×l+o)+b得到标定曲线并输出，完成标定；其中，h为红外热像仪输出的图像的灰度，i为相机积分时间，l为辐射亮度。

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一项所述红外热像仪外场标定方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一项所述红外热像仪外场标定方法的步骤。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种红外热像仪外场标定方法及装置、计算机设备、计算机可读存储介质，本发明根据实际测量的外场环境温度确定采集标定数据使用的积分时间下限值、积分时间上限值、温度下限点和温度上限点，通过采集三种边界情况下的辐射测量图像，解算关于积分时间变量的标定曲线，完成外场条件下适用于一定范围内任意积分时间的快速标定，操作少、耗时短，能够有效简化红外热像仪外场标定过程。

附图说明

图1是本发明实施例中一种红外热像仪外场标定方法步骤示意图；

图2是本发明实施例中对红外热像仪进行外场标定的示意图；

图3是本发明实施例中一种红外热像仪外场标定装置结构示意图。

图中：1：红外热像仪；2：面源黑体；21：辐射面；22：防风罩；100：时间确定模块；200：温度确定模块；300：图像采集模块；400：参数计算模块；500：曲线输出模块。

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和图2所示，本发明实施例提供的一种红外热像仪外场标定方法，包括如下步骤：

s1、根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2。

根据进行目标红外辐射图像测量的外场环境对红外热像仪1进行标定，能够提高红外热像仪1的测量精度。

s2、根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2。

设置的温度下限点t1(即要采集的低温点)和温度上限点t2(即要采集的高温点)应当覆盖外场可能发生的温度波动范围，优选地，步骤s2中，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2时，t1＝te-20℃，t2＝te+20℃。低温点/高温点与环境温度相差20℃，取20℃可以保证红外热像仪响应热处于线性区(最佳工作区间)，同时校正适用于较大的温度范围，低温点/高温点与环境温度相差过高可能导致红外热像仪饱和，相差过低则会导致校正适用范围减小。

s3、设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间下限值i1，分别采集并保存红外热像仪1在温度下限点t1和温度上限点t2对应输出的图像，改变相机积分时间为积分时间上限值i2，采集并保存红外热像仪1在环境温度te对应输出的图像。

红外热像仪1在设定的相机积分时间下，采集到对应的图像，得到图像的灰度，以矩阵h表示，矩阵h的元素是采集到的图像中每个像素点的灰度值。

s4、根据步骤s3中保存的三幅图像的灰度，求解红外热像仪1的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪1暗电流引起的偏置b。

s5、根据涵盖积分时间变量的标定公式h＝i×(g×l+o)+b得到标定曲线并输出，完成标定；其中，h为红外热像仪1输出的图像的灰度，i为相机积分时间，l为红外热像仪1测量目标的辐射亮度。

得到的标定曲线由积分时间下限值i1到积分时间上限值i2，适用的测量目标的温度范围为由温度下限点t1到温度上限点t2。

本发明提供了一种红外热像仪外场标定方法，该方法通过采集两个积分时间下不同温度的三种图像数据，计算出标定参数(红外热像仪1的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪1暗电流引起的偏置b)，由此得到标定曲线，完成外场条件下适用一定范围内任意积分时间的快速标定。该方法通过很少的操作，即可得到涵盖积分时间变量的标定公式，相比于在辐射定标时获取所有需要的积分时间下的辐射定标数据，能够有效减少操作，节省时间与人工。

优选地，该红外热像仪外场标定方法采用面源黑体2提供温度下限点t1、温度上限点t2、环境温度te对应的红外辐射。如图2所示，将面源黑体2设置在红外热像仪1前方，以面源黑体2的辐射面21作为进行辐射定标时，红外热像仪1测量的、具有红外辐射的目标。进一步地，面源黑体2的边缘处还设有防风罩22，红外热像仪1的相机镜头设于防风罩22遮挡范围中，以便减少外场环境干扰。

优选地，步骤s1进一步包括如下步骤：

s11、开启面源黑体2，将面源黑体2的温度设为此时外场的环境温度te。

s12、开启红外热像仪1进行红外辐射测量，调整红外热像仪1对准面源黑体2的辐射面21，保证辐射面21充满红外热像仪1的视场。

s13、查看此时面源黑体2对应的图像的灰度中值hm，调整相机积分时间，使hm＝hmax/2，hmax为红外热像仪1可输出灰度的最大值(例如输出为14bit的红外热像仪的hmax＝16383)，记录此时的积分时间im。

s14、确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2，i1＝0.5×im，i2＝1.5×im。

如此设置积分时间下限值i1和积分时间上限值i2可保证红外热像仪响应均处于线性区，若积分时间下限值i1和积分时间上限值i2与im相差过大，容易出现饱和情况导致数据无效，相差过小则压缩了积分时间可调节范围。

优选地，步骤s3进一步包括如下步骤：

s31、开启红外热像仪1并在外场的环境中稳定运行30分钟以上，设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间下限值i1，调整红外热像仪1对准面源黑体2的辐射面21，保证辐射面21充满红外热像仪1的视场。

s32、设置面源黑体2的温度为温度下限点t1，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，得到的图像的灰度记为h1；设置面源黑体2的温度为温度上限点t2，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，得到的图像的灰度记为h2。

s33、设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间上限值i2，设置面源黑体2的温度为外场的环境温度te，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，图像的灰度记为he。

优选地，步骤s4进一步包括如下步骤：

s41、计算面源黑体2在温度分别为t1、t2和te时，对应的辐射亮度l1、l2和le，面源黑体2的辐射亮度l与温度t之间的关系式如下：

其中，λ为波长(μm)，λ1和λ2分别为红外热像仪1的响应波段波长的下限和上限，c1为第一辐射常数，c1＝3.7415×104(w·cm^-2·μm⁴)，c2为第二辐射常数，c2＝1.4388×104(μm·k)，l为面源黑体2的辐射亮度，t为面源黑体2的绝对温度，单位为k，即代入上述公式时，面源黑体2的温度的单位需从℃转为k，如t＝10℃＝10+273＝283k，ε为面源黑体2的黑体发射率。

s42、根据面源黑体2的辐射亮度分别为l1、l2和le时对应的图像的灰度h1、h2、he，带入标定公式h＝i×(g×l+o)+b，求解红外热像仪1的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪1暗电流引起的偏置b，进行求解的关系式具体如下：

其中，h1、h2为相机积分时间为i1时红外热像仪1采集并保存的图像的灰度，he为相机积分时间为i2时红外热像仪1采集并保存的图像的灰度。

如图3所示，本发明还提供了一种红外热像仪外场标定装置，包括时间确定模块100、温度确定模块200、图像采集模块300、参数计算模块400和曲线输出模块500，其中：

时间确定模块100用于根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2。

进一步地，时间确定模块100用于：

开启面源黑体2，将面源黑体2的温度设为此时外场的环境温度te；

开启红外热像仪1进行红外辐射测量，调整红外热像仪1对准面源黑体2的辐射面21，保证辐射面21充满红外热像仪1的视场；

查看此时面源黑体2对应的图像的灰度中值hm，调整相机积分时间，使hm＝hmax/2，hmax为红外热像仪1可输出灰度的最大值(例如输出为14bit的红外热像仪的hmax＝16383)，记录此时的积分时间im；

确定采集标定数据使用的积分时间下限值i1和积分时间上限值i2，i1＝0.5×im，i2＝1.5×im。

温度确定模块200用于根据外场的环境温度te，确定采集标定数据使用的温度下限点t1和温度上限点t2。进一步地，t1＝te-20℃，t2＝te+20℃。

图像采集模块300用于设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间下限值i1，分别采集并保存红外热像仪1在温度下限点t1和温度上限点t2对应输出的图像，以及改变相机积分时间为积分时间上限值i2，采集并保存红外热像仪1在环境温度te对应输出的图像。

进一步地，图像采集模块300用于：

开启红外热像仪1并在外场的环境中稳定运行30分钟以上，设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间下限值i1，调整红外热像仪1对准面源黑体2的辐射面21，保证辐射面21充满红外热像仪1的视场；

设置面源黑体2的温度为温度下限点t1，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，得到的图像的灰度记为h1；设置面源黑体2的温度为温度上限点t2，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，得到的图像的灰度记为h2；

设置红外热像仪1的相机积分时间为积分时间上限值i2，设置面源黑体2的温度为外场的环境温度te，采集并保存红外热像仪1输出的图像，对应地，图像的灰度记为he。

参数计算模块400用于根据图像采集模块300保存的三幅图像的灰度求解红外热像仪1的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪1暗电流引起的偏置b。

进一步地，参数计算模块400用于：

计算面源黑体2在温度分别为t1、t2和te时，对应的辐射亮度l1、l2和le，面源黑体2的辐射亮度l与温度t之间的关系式如下：

其中，λ为波长(μm)，λ1和λ2分别为红外热像仪1的响应波段波长的下限和上限，c1为第一辐射常数，c1＝3.7415×104(w·cm^-2·μm⁴)，c2为第二辐射常数，c2＝1.4388×104(μm·k)，l为面源黑体2的辐射亮度，t为面源黑体2的绝对温度，单位为k，即代入上述公式时，面源黑体2的温度的单位需从℃转为k，如t＝10℃＝10+273＝283k，ε为面源黑体2的黑体发射率；

根据面源黑体2的辐射亮度分别为l1、l2和le时对应的图像的灰度h1、h2、he，带入标定公式h＝i×(g×l+o)+b，求解红外热像仪1的响应率g、杂散辐射引起的偏置o和红外热像仪1暗电流引起的偏置b，进行求解的关系式具体如下：

其中，h1、h2为相机积分时间为i1时红外热像仪1采集并保存的图像的灰度，he为相机积分时间为i2时红外热像仪1采集并保存的图像的灰度。

曲线输出模块500用于根据涵盖积分时间变量的标定公式h＝i×(g×l+o)+b得到标定曲线并输出，完成标定；其中，h为红外热像仪1输出的图像的灰度，i为相机积分时间，l为辐射亮度。

特别地，在本发明一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各实施方式中所述红外热像仪外场标定方法的步骤。

在本发明另一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各实施方式中所述红外热像仪外场标定方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述红外热像仪外场标定方法实施例的流程，在此不再重复说明。

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。