红外热像仪辐射定标方法和装置与流程

本发明涉及红外测试技术领域，尤其涉及一种红外热像仪辐射定标方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质。

背景技术：

红外热像仪的辐射定标是实现红外热像仪定量测量的基础，实验室辐射定标就是由不同的红外热像仪测量的辐射亮度值l和成像的数字量化值dn用算法计算出辐射定标系数，包括增益系数gain和偏置值offset。目前普遍的实验室辐射定标过程见图1，设定红外热像仪某一曝光时间，对红外热像仪进行非均匀校正，以黑体辐射源作为标准，通过黑体温度与黑体发射率计算黑体的辐射亮度值l，再通过热像仪对黑体成像，记录黑体在热像仪上成像的灰度值(dn值)。改变黑体温度，记录多组辐射亮度值l与灰度值dn之间的一一对应关系。图2中给出了测得的电荷数量与曝光时间函数关系的典型变化。理想情况下，积累的电荷数量线性地随曝光时间增加而增加。可以观察到所检测到的电荷通量(即斜率)随着黑体温度的增加而增加，但截距不变，因为它仅仅依赖于读出电路的偏置水平。因此，通过线性拟合，可以获取辐射定标系数gain，offset，最终获得l与dn的函数关系：

l＝gain*dn+offset

其中gain为增益系数，offset为偏置值。

传统的热像仪辐射定标在热像仪测量前需要的准备工作时间较长，主要是由于以下两点：

1、不同的热像仪曝光时间对应一组定标参数，因此，需要获取几个曝光时间的定标结果，就需要对几个曝光时间开展辐射定标。由于热像仪的测试过程中曝光时间需要根据目标的辐射强度大小改变热像仪曝光时间，因此测试前的定标很难保证定标的热像仪曝光时间与其测试时所用曝光时间相匹配。这对于实时获取热像仪的定量数据，以及热像仪的快速定量测量都是非常不利的。

2、传统的红外热像仪辐射定标分为相对定标和绝对定标，即在开展黑体定标前先进行通过一点或两点校正方法对热像仪成像面进行非均匀校正，再通过对校正后的热像仪开展绝对辐射定标，计算成像灰度值与入瞳辐射亮度值之间的关系完成热像仪的定标工作。由于非均匀校正过程的存在，大大增加了辐射定标前期的准备工作。同时为了保证定标状态与测量状态的一致性，在开展定量测量工作前同样需要对红外热像仪进行非均匀校正，这又大大增加了红外热像仪测量前期的准备工作时间。在开展动态目标、非合作目标等的快速测量时，这个问题会严重影响测量目标的反映能力，不利于快速测量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中存在的上述一个或多个缺陷，提供一种红外热像仪辐射定标方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质，使得定标参数不再依赖于红外热像仪的曝光时间。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种红外热像仪辐射定标方法，该方法包括以下步骤：

s1、获取同一曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，再通过调整曝光时间获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数；

s2、对各个曝光时间下同一黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数进行拟合，得到当前黑体温度对应的电荷通量密度，进而获得不同黑体温度对应的电荷通量密度；

s3、对所述不同黑体温度对应的电荷通量密度进行拟合，得到辐射定标系数。

在根据本发明所述的红外热像仪辐射定标方法中，优选地，所述步骤s1获取的红外热像仪响应电荷数为单个像元的响应电荷数，所述步骤s3得到的辐射定标系数为单个像元的辐射定标系数，所述方法还包括在步骤s3之后执行的步骤：s4、利用单个像元的辐射定标系数构建红外热像仪的定标参数矩阵，并得到定标拟合公式用于反演辐射温度。

在根据本发明所述的红外热像仪辐射定标方法中，优选地，步骤s2中通过以下公式拟合得到当前黑体温度对应的电荷通量密度：

countsi,j(k,n)＝fi,j(n)*et(k)+coff(n)；

其中et(k)为第k组曝光时间，countsi,j(k,n)为第k组曝光时间下第n种黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度，coff(n)为拟合得到的偏置项。

在根据本发明所述的红外热像仪辐射定标方法中，优选地，步骤s3中通过以下公式拟合得到辐射定标系数：

fi,j(n)＝gi,jlbb(n)+oi,j；

其中gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，lbb(n)为根据第n种黑体温度计算得到的辐射亮度，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度。

在根据本发明所述的红外热像仪辐射定标方法中，优选地，所述步骤s4中构建的红外热像仪的定标拟合公式为：

其中，lbb为辐射亮度，f为红外热像仪的电荷通量密度矩阵，gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m和n分别为红外热像仪中像元的行数和列数。

本发明第二方面，提供了一种红外热像仪辐射定标装置，包括：

数据获取单元，用于获取同一曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，再通过调整曝光时间获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数；

通量密度拟合单元，用于对各个曝光时间下同一黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数进行拟合，得到当前黑体温度对应的电荷通量密度，进而获得不同黑体温度对应的电荷通量密度；

定标参数拟合单元，用于对所述不同黑体温度对应的电荷通量密度进行拟合，得到辐射定标系数。

在根据本发明所述的红外热像仪辐射定标装置中，优选地，所述红外热像仪辐射定标装置还包括：辐射温度反演单元，用于利用单个像元的辐射定标系数构建红外热像仪的定标参数矩阵，并得到定标拟合公式用于反演辐射温度。

本发明第三方面，提供了一种红外热像仪辐射定标设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。

本发明第四方面，提供了一种红外热像仪辐射定标系统，包括如前所述的红外热像仪辐射定标设备以及与之连接的红外热像仪。

本发明第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。

实施本发明的红外热像仪辐射定标方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质，具有以下有益效果：

1、本发明电荷通量密度定标方法，将传统的不同曝光时间采用不同定标曲线的方法改进为一条定标曲线，可适用于任何曝光时间，大大减少了数据的定量处理过程；

2、本发明在定标过程中采取全像元定标，消除了测量前的非均匀校正准备工作，大大减小的测量的前期准备时间，有利于热像仪的快速定量化测量以及红外定量测量温度范围的拓展。

附图说明

图1为现有的红外热像仪辐射定标过程；

图2为测得的电荷数量与曝光时间函数关系的典型变化图；

图3为根据本发明优选实施例的红外热像仪辐射定标方法的流程图；

图4为电荷-曝光时间拟合结果示意图；

图5为电荷通量密度与黑体温度关系示意图；

图6为根据本发明优选实施例的红外热像仪辐射定标装置的模块框图。

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。

本发明提供的红外热像仪辐射定标方法可以快速实时逐像元的定标，被设计为紧密地配合红外热像仪的物理性能，以便修正不同动态范围中出现的影响。本发明的方法不依赖于观察数字电平的变化与黑体温度对应的函数，或者波段范围内的辐射变化函数，它是用电荷通量密度来表征的，单位为counts/μs，代表了取决于曝光时间的红外热像仪读数灵敏度。同时在前期定标过程中优选进行逐像元的定标数据获取，用以替代测量前的非均匀校正工作，大大节省了测量前的准备工作时间。

请参阅图3，为根据本发明优选实施例的红外热像仪辐射定标方法的流程图。如图3所示，该实施例提供红外热像仪辐射定标方法包括以下步骤：

首先，在步骤s1中，执行数据获取步骤，获取同一曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，再通过调整曝光时间获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数。

该步骤中将黑体置于红外热像仪前作为辐射标准。先维持红外热像仪曝光时间不变，改变黑体的温度，获取红外热像仪的响应电荷数。之后，再改变红外热像仪曝光时间，重复上述步骤，获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数。

优选地，该步骤在记录数据时可以将黑体温度转换为辐射亮度进行存储。上述数据可以记录为不同曝光时间、不同黑体的辐射亮度条件下红外热像仪探测器的响应电荷数。

具体地，由于红外热像仪输出电平与黑体辐射亮度成正比，为了方便比较，首先普朗克公式将黑体温度转化为黑体辐射亮度如下：

式中：wλ：光谱辐射出射度，单位：w·cm^-2·μm^-1；

λ：波长，单位：μm；

c1：第一辐射常数＝3.7415×104，单位：w·cm^-2·μm⁴；

c2：第二辐射常数＝1.4388×104，单位：μm·k；

t：绝对温度，单位：k。

因此黑体在红外热像仪成像波段δλ内的辐射出射度为在这一波段的积分：

式中：wδλ：波段辐射出射度，单位：w·cm^-2；

ελ：光谱发射率

λ1：红外热像仪成像波段下限，单位：μm；

λ2：红外热像仪成像波段上限，单位：μm。

对于黑体，光谱发射率ελ认为是一个常数，上式可写为：

式中wbb为辐射出射度，ε为常数。

因此，可以通过以下公式将黑体温度转换为黑体在红外热像仪成像波段的辐射亮度：

更优选地，在记录时需读取红外热像仪的探测器上每一像元的响应电荷数。

以某一定标试验为例，黑体温度即辐射亮度共设置了a组，曝光时间共设置了b组，对于某一(i，j)像元的定标测试数据如下表。i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m和n分别为红外热像仪中像元的行数和列数。

表1定标原始数据记录表(单像元)

对于探测器像元数为m×n的红外热像仪，针对则针对红外热像仪的全像元共需获取m×n组以上表格的数据。

随后，在步骤s2中，执行通量密度拟合步骤，对各个曝光时间下同一黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数进行拟合，得到当前黑体温度对应的电荷通量密度，进而获得不同黑体温度对应的电荷通量密度。

请参阅图4，为电荷-曝光时间拟合结果示意图。本发明的红外热像仪辐射定标方法中将首先读取不同黑体温度(tbb,1，tbb,2，tbb,3，tbb,4…)条件下，红外热像仪响应电荷数与红外热像仪曝光时间的关系。理论上同一黑体温度下红外热像仪的探测器接收的电荷数与曝光时间成线性关系，图中coff代表定标的偏置参数，即响应电荷数的暗电流噪声大小。图中每条直线的斜率，代表单位时间内通过红外热像仪的探测器的电荷数，即不同黑体温度对应的电荷通量密度，单位为counts/μs。后续再通过该电荷通量密度f与黑体温度的函数拟合就可以得到辐射定标参数。因为该电荷通量密度f取决于单位时间内红外热像仪接收到的辐射能量大小，即与红外热像仪入瞳接收到的辐射功率成正比，进而与红外热像仪入瞳接收到的辐射亮度li成正比，定标流程中需将黑体覆盖红外热像仪成像系统，因此红外热像仪的入瞳辐射亮度即为黑体的辐射亮度lbb。

优选地，该步骤s2中通过以下公式拟合得到当前黑体温度对应的电荷通量密度：

countsi,j(k,n)＝fi,j(n)*et(k)+coff(n)；

其中et(k)为第k组曝光时间，countsi,j(k,n)为第k组曝光时间下第n种黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度，coff(n)为线性拟合得到的偏置项。k＝1,2,…,b，n＝1,2,…,a。上述带有i，j下标的参数均对应第(i，j)像元。

例如，采用表1中数据，针对每一组辐射亮度数据，采用相应的数据进行拟合，上述countsi,j(k,n)与et(k)为表中数据，共存在b组一一对应的数据，fi,j(n)与coff(n)为拟合计算出的数据。由此可以得到不同黑体温度对应的电荷通量密度，由于黑体温度可转化为辐射亮度表示，因此也可以得到如下表2所示的不同辐射亮度对应的电荷通量密度。

表2电荷通量密度计算

最后，在步骤s3中，执行定标参数拟合步骤，对所述不同黑体温度对应的电荷通量密度进行拟合，得到辐射定标系数。

优选地，步骤s3中通过以下公式拟合得到辐射定标系数：

fi,j(n)＝gi,jlbb(n)+oi,j；

其中gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，lbb(n)为根据第n种黑体温度计算得到的辐射亮度，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度。

上述gi,j和oi,j为辐射定标系数，可以对表2中不同辐射亮度对应的电荷通量密度进行数据拟合获取。

本发明针对红外热像仪快速、实时定量测量的需求，提出辐射定标数据处理改进方法，代替传统的相对辐射定标过程，减少了相对辐射定标所占用的数据处理时间及引入的不确定度。同时针对像元的电荷数引入电荷通量密度定标方法，将传统的不同曝光时间采用不同定标曲线的方法改进为一条定标曲线可适用于任何曝光时间，大大减少了数据的定量处理过程。

更优选地，上述步骤s1获取的红外热像仪响应电荷数为单个像元的响应电荷数，步骤s3得到的辐射定标系数为单个像元的辐射定标系数，本发明的方法还包括在步骤s3之后执行的步骤：

s4、利用单个像元的辐射定标系数构建红外热像仪的定标参数矩阵，并得到定标拟合公式用于反演辐射温度。也就是说，将上述定标流程推广到红外热像仪的全像元中，更新定标参数为二维矩阵数据形式，以像元数为m×n的红外热像仪为例，该步骤s4中构建的红外热像仪的定标拟合公式为：

其中，lbb为辐射亮度，f为红外热像仪的电荷通量密度矩阵，gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m和n分别为红外热像仪中像元的行数和列数。

其中定标参数矩阵为：

其中gain为增益系数，offset为偏置值。

上述公式可用于计算由红外热像仪响应电荷数到入瞳辐射亮度的反演。

在此基础上，还可以对电荷通量密度与黑体温度进行拟合，得到拟合公式用于对红外热像仪响应电荷数到辐射温度的反演。请参阅图5，为电荷通量密度与黑体温度关系示意图。图5中横坐标代表定标用的黑体温度，纵坐标代表电荷通量密度。该曲线反映了辐射定标的定标结果，该曲线不含曝光时间参数，适用于各种不同曝光时间条件下的红外热像仪辐射温度的反演。

本发明可以在出厂前对红外热像仪探测器的各个像元在实验室分别进行定量化处理，获取不同像元的定标曲线，由于每一像元单独一套定标结果，因此在测量及定标过程中不需要对红外热像仪进行非均匀校正，大大减少了测试的准备工作时间，提高了测量速度。完成定标试验后定标数据可对红外热像仪任何曝光时间的测量数据进行定量化处理，由于曝光时间不再受限于定标数据，因此可在测量中随意调节，大大减少了预先决定曝光时间所带来的工作量，并且提高了定标数据使用的场景动态范围，可实现红外热像仪的实时定量化处理。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种红外热像仪辐射定标装置。请参阅图6，为根据本发明优选实施例的红外热像仪辐射定标装置的模块框图。如图6所示，该实施例提供的红外热像仪辐射定标装置600至少包括：数据获取单元601、通量密度拟合单元602和定标参数拟合单元603。

数据获取单元601，用于获取同一曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，再通过调整曝光时间获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数。

本发明先将黑体置于红外热像仪前作为辐射标准。先维持红外热像仪曝光时间不变，改变黑体的温度，获取红外热像仪的响应电荷数。之后，再改变红外热像仪曝光时间，重复上述步骤，获取各个曝光时间下不同黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数。

优选地，该数据获取单元601在记录数据时可以将黑体温度转换为辐射亮度进行存储。上述数据可以记录为不同曝光时间、不同黑体的辐射亮度条件下红外热像仪探测器的响应电荷数。

具体地，可以通过以下公式将黑体温度转换为黑体在红外热像仪成像波段的辐射亮度：

更优选地，在记录时需读取红外热像仪的探测器上每一像元的响应电荷数。

通量密度拟合单元602用于对各个曝光时间下同一黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数进行拟合，得到当前黑体温度对应的电荷通量密度，进而获得不同黑体温度对应的电荷通量密度。

优选地，通量密度拟合单元602通过以下公式拟合得到当前黑体温度对应的电荷通量密度：

countsi,j(k,n)＝fi,j(n)*et(k)+coff(n)；

其中et(k)为第k组曝光时间，countsi,j(k,n)为第k组曝光时间下第n种黑体温度对应的红外热像仪响应电荷数，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度，coff(n)为线性拟合得到的偏置项。k＝1,2,…,b，n＝1,2,…,a。上述带有i，j下标的参数均对应第(i，j)像元。

定标参数拟合单元603，用于对所述不同黑体温度对应的电荷通量密度进行拟合，得到辐射定标系数。

优选地，定标参数拟合单元603通过以下公式拟合得到辐射定标系数：

fi,j(n)＝gi,jlbb(n)+oi,j；

其中gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，lbb(n)为根据第n种黑体温度计算得到的辐射亮度，fi,j(n)为拟合得到的第n种黑体温度对应的电荷通量密度。

更优选地，上述数据获取单元601获取的红外热像仪响应电荷数为单个像元的响应电荷数，定标参数拟合单元603得到的辐射定标系数为单个像元的辐射定标系数，该红外热像仪辐射定标装置600还包括：辐射温度反演单元604，用于利用单个像元的辐射定标系数构建红外热像仪的定标参数矩阵，并得到定标拟合公式用于反演辐射温度。

辐射温度反演单元604构建的红外热像仪的定标拟合公式为：

其中，lbb为辐射亮度，f为红外热像仪的电荷通量密度矩阵，gi,j为第(i，j)像元的增益系数，oi,j为第(i，j)像元的偏置值，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m和n分别为红外热像仪中像元的行数和列数。

在此基础上，还可以对电荷通量密度与黑体温度进行拟合，得到拟合公式用于对红外热像仪响应电荷数到辐射温度的反演。

本发明实施例还提供了一种执行红外热像仪辐射定标方法的设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如上述实施方式中红外热像仪辐射定标方法。

本发明实施例提供了一种红外热像仪辐射定标系统，包括如前所述的红外热像仪辐射定标设备以及与之连接的红外热像仪。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如上述实施方式中红外热像仪辐射定标方法。

本发明提出一种新的红外热像仪辐射定标方法，通过此方法，定标参数不再依赖于红外热像仪的曝光时间，同时在定标过程中采取全像元定标，消除了测量前的非均匀校正准备工作，大大减小的测量的前期准备时间，提高了红外热像仪工作效率，同时提高红外热像仪定标精度，提高定量化处理流程速度。有利于更精确的进行动态目标、非合作目标的红外热像测量，并提供高定量化测量精度，有利于热像仪的快速定量化测量以及红外定量测量温度范围的拓展。

应该理解地是，本发明中红外热像仪辐射定标方法及装置的原理相同，因此对红外热像仪辐射定标方法的实施例的详细阐述也适用于红外热像仪辐射定标装置。

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。