一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置及测试方法与流程

本发明涉及红外成像领域，尤其是一种红外成像系统的噪声等效温差装置及测试方法。
背景技术：
：红外成像系统通过探测红外辐射特性得到目标与背景的热图分布。噪声等效温差是红外成像系统主要性能参数之一，它能够表征系统对目标的温度灵敏度。通过噪声等效温差的实验室数据测试，可以评估红外成像系统的作用距离。传统的噪声等效温差测试设备包括黑体辐射源、目标靶板、准直光管、模拟视频采集设备、计算软件和监视器。测试设备组成示意图如图2所示。1为黑体控制器，2为黑体辐射源，3为准直光管，4为红外成像系统，5为低压差分信号采集工控机，6为半月靶。其中，黑体辐射源用来提供红外成像系统可探测的辐射能量，靶面上带有镂空的半月靶图案；准直光管将黑体入射的光源转换为平行光源，能够有效抑制杂散光；工控机能够完成红外成像系统的灰度数据采集以及对黑体辐射源的温度控制。采集的灰度数据包括两部分，其中背景黑体辐射数据作为计算噪声的依据，而背景黑体辐射数据和半月靶目标辐射数据作为计算信号的依据。具体测试方法如下：1)红外成像系统对准测量装置准直光管的视场中心，调整成像系统的焦距，保证成像最清晰。红外热成像系统的电平设定为手动增益；2)调整背景温度为t1，半月靶温度为t2，温度的差值必须要在信号传递函数的线性区内。在目标和背景区分别采集n帧图像(n不少于100)，每帧成像数据构成一组二维灰度数组；3)利用工控机上的红外性能测试分析软件完成噪声等效温差的测试。传统的噪声等效温差测试方法有以下缺点：1)由于平行光管的焦距有限(一般视场角在10°左右)，对于大视场、超大视场的红外成像系统而言，半月靶在成像面上的尺寸极小，无法满足国标的计算要求；2)传统的netd测试设备一般采集模拟视频信号进行性能测试。因实验室环境复杂，场景反射到平行光管内会受到图像处理算法影响，改变灰度数据，导致测试结果严重偏离真实值。因此需要调整成手动增益下进行测试；3)红外系统的信号传递函数是目标与背景对应温差的信号值和目标与背景之间的温差的比值，由于测试环境和测试设备的原因，信号传递函数存在一定偏量。而传统的netd测试方法一般是人为设定一个温差值作为目标和背景温差，如果选择的温差点经过偏移后出现在临近非线性区或者线性区外，会对测试结果造成较大影响；4)红外成像系统的噪声可分为时间低频噪声、时间高频噪声、空间低频噪声、空间高频噪声。传统测试设备仅用时间高频噪声表征红外成像系统的噪声信息，没有考虑其它分量对红外成像系统的影响。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置及测试方法。本发明的目的在于克服现有技术的局限性，通过改进传统的测试方法，提出一种大视场噪声等效温差的测试方法，并且能够保证测试结果满足精度要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置，包括黑体控制器，黑体辐射源，准直光管，红外成像系统和低压差分信号采集工控机，黑体控制器连接黑体辐射源，黑体辐射源提供辐射能量，通过准直光管将黑体入射的光源转换为平行光源进入红外成像系统，红外成像系统对准测量准直光管的视场中心，将测试数据传输到工控机，工控机从红外成像系统采集灰度数据，并通过黑体控制器对黑体辐射源进行温度控制。所述一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置的测试方法为：1)通过信号传递函数完成温差的确定；控制黑体辐射源温度范围设定为[t1℃，t2℃]，灰度采集间隔温差δt，对应温差点平均灰度数据g(i)，用最小二乘法拟合出信号传递函数为：其中，n为采集帧数，δt(i)为第i个温差；引入非线性度算法迭代，计算确定满足线性度误差要求的温差值δtemp，线性度k为：2)选择两个温度点的感兴趣区域(roi),经步骤1)计算得到温度点分别为和和分别作为目标和背景的温度点，红外热成像系统采集两个温度点的数据得到目标与背景的温差值，分别作为目标与背景的辐射信号,分别记为g1和g2；3)引入3d噪声算法，将灰度数据的时间噪声和空间噪声分为七个分量，用来计算红外成像系统的噪声nrms；其中，t为灰度数据的帧数，v为灰度数据的列数，h为灰度数据的行数，gtvh为在时间、行数、列数三维坐标系下的噪声均值，gt为在时间坐标系下行方向和列方向的噪声均值，gv为在列方向坐标系下时间和行方向的噪声均值，gh为在行方向坐标系下时间和列方向的噪声均值，gvh为每帧求平均得到在时间方向上的噪声均值，gth为在时间和行方向上求平均得到在列方向上的噪声均值，gtv为在时间和列方向上求平均得到在行方向上的噪声均值，m为在时间、列方向、行方向求平均得到的三维噪声均值；4)利用netd(zaoshengdengxiaowencha)计算公式计算噪声等效温差：netd＝nrms×δtemp/(g2-g1)×ρ1×ρ2其中，ρ1为黑体的辐射率，ρ2为传输衰减后的能量百分比。本发明的有益效果在于：1)本发明解决了超大视场红外噪声等效温差无法测试的问题，即利用黑体辐射源取代半月靶，分别采集多个温度点的原始灰度数据，分析得到满足线性误差要求的最佳温差值，近而得到满足精度要求的测试结果；2)本发明引入三维噪声模型，按照时间噪声和空间噪声细分为七个分量，可以全面评价红外成像系统的噪声；3)本发明采样原始灰度数据，不受图像处理算法的影响，可以有效提高测试的准确性。附图说明图1为传统方法的工作原理图。图2为本发明的工作原理图；1-黑体控制器，2-黑体辐射源，3-准直光管，4-红外成像系统，5-低压差分信号采集工控机。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置，包括黑体控制器，黑体辐射源，准直光管，红外成像系统和低压差分信号采集工控机，黑体控制器连接黑体辐射源，黑体辐射源提供辐射能量，通过准直光管将黑体入射的光源转换为平行光源进入红外成像系统，红外成像系统对准测量准直光管的视场中心，将测试数据传输到工控机，工控机从红外成像系统采集灰度数据，并通过黑体控制器对黑体辐射源进行温度控制。所述一种超大视场红外热像仪噪声等效温差装置的测试方法为：1)通过信号传递函数完成温差的确定；控制黑体辐射源温度范围设定为[t1℃，t2℃]，灰度采集间隔温差δt，对应温差点平均灰度数据g(i)，用最小二乘法拟合出信号传递函数为：其中，n为采集帧数，δt(i)为第i个温差；引入非线性度算法迭代，计算确定满足线性度误差要求的温差值δtemp，线性度k为：2)选择两个温度点的感兴趣区域(roi),经步骤1)计算得到温度点分别为和和分别作为目标和背景的温度点，红外热成像系统采集两个温度点的数据得到目标与背景的温差值，分别作为目标与背景的辐射信号,分别记为g1和g2；3)引入3d噪声算法，将灰度数据的时间噪声和空间噪声分为七个分量，用来计算红外成像系统的噪声nrms；其中，t为灰度数据的帧数，v为灰度数据的列数，h为灰度数据的行数，gtvh为在时间、行数、列数三维坐标系下的噪声均值，gt为在时间坐标系下行方向和列方向的噪声均值，gv为在列方向坐标系下时间和行方向的噪声均值，gh为在行方向坐标系下时间和列方向的噪声均值，gvh为每帧求平均得到在时间方向上的噪声均值，gth为在时间和行方向上求平均得到在列方向上的噪声均值，gtv为在时间和列方向上求平均得到在行方向上的噪声均值，m为在时间、列方向、行方向求平均得到的三维噪声均值；4)利用netd(zaoshengdengxiaowencha)计算公式计算噪声等效温差：netd＝nrms×δtemp/(g2-g1)×ρ1×ρ2其中，ρ1为黑体的辐射率，ρ2为传输衰减后的能量百分比。参见图1的工作原理图：标号1为黑体控制器，标号2为黑体辐射源，标号3为准直光管，标号4为红外成像系统，标号5为低压差分信号采集工控机。按图1所示布置测试装置，红外成像系统上电工作稳定后调焦使成像清晰；将黑体辐射源设定为20℃，每次间隔0.1℃升温至30℃。选取黑体辐射源的感兴趣区域作为图像采集计算区域。记下每个黑体辐射源温度值所对应的灰度数据；利用最小二乘法计算红外成像系统的信号传递函数，并根据给定的非线性度误差迭代得到最佳温差值。根据噪声等效温差的计算方完成相关计算。要求测试不少于3次，并求平均值作为最终的测试结果。1某型红外成像系统netd测试结果(部分)温度/℃25262728293031netd/mk89.988.788.987.186.184.181.4共用三型红外产品进行测试对比，包括非制冷型红外热成像系统、制冷型面阵红外成像系统以及制冷型线性红外成像系统。测试结果如表2所示。以传统测试设备测试结果作为标准，那么测试误差在2％以内。表2与标准设备对比测试数据表(部分)产品标准设备本方法非制冷红外成像系统95.2mk93.4mk制冷型面阵红外成像系统42mk42.9mk制冷型线列红外成像系统55.3mk55.1mk当前第1页12