專利名稱：一種可伸縮可控溫的u形邊框黑體視場(chǎng)光闌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測(cè)器陣列Gnfrared Focal Plane Arrays, IRFPA)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 探測(cè)能力強(qiáng)、功耗低、幀頻高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在紅外搜索系統(tǒng)、機(jī)載前視紅外系統(tǒng)、成像導(dǎo)引頭和成像跟蹤系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。IRFPA根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是線陣， 一類是凝視型面陣。其中，凝視型面陣探測(cè)器由于省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于IRFPA中成千上萬個(gè)探測(cè)元對(duì)于同一輻射輸入的光電響應(yīng)不一致，導(dǎo)致圖像質(zhì)量都受到固定背景噪聲(Fixed Pattern Noise, FPN)的污染，也就是所謂的非均勻性。 非均勻性通常表現(xiàn)為空間上隨機(jī)分布、時(shí)間上集中于低頻的固定模式噪聲，它會(huì)隨著工作條件變化而緩慢漂移，并且隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而加重。非均勻性噪聲嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的成像性能，降低了系統(tǒng)的溫度分辨率。利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)凝視型IRFPA的非均勻性進(jìn)行校正(Norumiformity Correction, NUC)，可以使均勻性很差的凝視型IRFPA獲得滿意的視覺效果和自適應(yīng)的補(bǔ)償?shù)臏仄肼?，從而提高熱成像系統(tǒng)的溫度分辨率，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。紅外成像系統(tǒng)的輻射定標(biāo)主要包括相對(duì)輻射定標(biāo)和絕對(duì)輻射定標(biāo)兩個(gè)部分。其中絕對(duì)輻射定標(biāo)是將探測(cè)單元的數(shù)字化輸出信號(hào)值轉(zhuǎn)換成具有一定物理含義的表征量(輻亮度或溫度等)。對(duì)于紅外測(cè)溫?zé)嵯駜x來說，其絕對(duì)輻射定標(biāo)按定標(biāo)階段可以分為出廠定標(biāo)和動(dòng)態(tài)定標(biāo)兩大類，出廠定標(biāo)是指儀器出廠時(shí)設(shè)定一個(gè)圖像灰度與目標(biāo)溫度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表，但是熱像儀工作一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生工作點(diǎn)的漂移，導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)，所以用動(dòng)態(tài)定標(biāo)來補(bǔ)償與修正出廠查找表。對(duì)于空間紅外相機(jī)來說，其絕對(duì)輻射定標(biāo)一般按定標(biāo)階段分為發(fā)射前定標(biāo)和在軌定標(biāo)，在軌定標(biāo)又可分為星上定標(biāo)、交叉定標(biāo)和場(chǎng)地定標(biāo)等。當(dāng)前需要黑體參考源進(jìn)行周期性校正的工作模式現(xiàn)在許多高檔的紅外熱像儀中都設(shè)置有高低溫黑體，通過光路切換等方式使 IRFPA對(duì)黑體成像，由此獲得兩點(diǎn)校正的參數(shù)；普通的紅外熱像儀一般也在光路中安裝有可伸縮的擋板，當(dāng)熱像儀發(fā)生工作點(diǎn)漂移時(shí)，擋板周期性地插入視場(chǎng)以獲取補(bǔ)償參數(shù)。當(dāng)高低溫黑體或擋板工作時(shí)，IRFPA無法對(duì)場(chǎng)景成像，只能對(duì)參考源(黑體或擋板)成像，這在目標(biāo)跟蹤等場(chǎng)合是不適宜的，可能造成目標(biāo)丟失。近年來，我們研究提出一種基于U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的紅外成像輻射定標(biāo)與非均勻校正技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)邊框黑體視場(chǎng)光闌下像元的兩點(diǎn)校正參數(shù)與幀間位移，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，完成非均勻校正，能進(jìn)一步提高代數(shù)算法的校正精度；由于邊框黑體視場(chǎng)光闌的溫度是可控的，在非均勻校正的基礎(chǔ)上，光闌的溫度可為輻射定標(biāo)提供參考，以期補(bǔ)償熱成像系統(tǒng)工作點(diǎn)的漂移，提高輻射定標(biāo)的精度。該技術(shù)的基礎(chǔ)就是U形邊框黑體視場(chǎng)光闌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為基于邊框黑體視場(chǎng)光闌的非均勻校正與輻射定標(biāo)提供參考源， 針對(duì)IRFPA所成圖像的非均勻性校正與輻射定標(biāo)，提供一種U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，該光闌插入視場(chǎng)時(shí)只影響視場(chǎng)的邊緣，為基于邊框黑體的非均勻校正及輻射定標(biāo)提供基礎(chǔ)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，包括固定板、滑動(dòng)板、夾片和控溫裝置。所述的固定板起固定滑動(dòng)板的作用，同時(shí)作為傳熱裝置；其具體形狀由視場(chǎng)光闌所處位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，厚度小；固定板上有兩個(gè)開孔，一個(gè)開孔用于把固定板固定在紅外成像系統(tǒng)中，另一個(gè)開孔的形狀為矩形，大小跟IRFPA像面的有效面積及光學(xué)系統(tǒng)放大率有關(guān)，原則為矩形孔在IRFPA上成的像恰好覆蓋IRFPA的有效面積。所述的滑動(dòng)板是邊框黑體視場(chǎng)光闌的核心，從形狀上看，為一個(gè)矩形少一邊的U 形與一個(gè)長(zhǎng)條形的組合，長(zhǎng)條形的寬度與固定板的寬度一致?；瑒?dòng)板在光闌中是可伸縮的。 滑動(dòng)板插入視場(chǎng)中的U形部分上均勻噴涂有高發(fā)射率的黑體漆，U形每邊的寬度L跟IRFPA 的像元尺寸P、光學(xué)系統(tǒng)放大率β及所需遮擋的像元數(shù)c有關(guān)1 =⑴其中遮擋的像元數(shù)c的值為幀間的最大位移值(實(shí)際工程應(yīng)用中一般取10-20)。所述的夾片為長(zhǎng)條形，其寬度與固定板的寬度一致，上面有一個(gè)與固定板上用于固定的開孔大小形狀一致的開孔。夾片與固定板一起形成一個(gè)滑槽，滑動(dòng)板可在滑槽內(nèi)順暢移動(dòng)。邊框黑體視場(chǎng)光闌使用時(shí)，固定板與夾片不動(dòng)，保持整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，而滑動(dòng)板可以根據(jù)需要插入與抽出視場(chǎng)。上述三部分均由導(dǎo)熱性良好的材料制造而成。所述的控溫裝置包括溫度控制器、溫度源器件和測(cè)溫器件。采用普通型號(hào)的相匹配器件即可，其中溫度源器件優(yōu)選為半導(dǎo)體制冷片。溫度控制器通過固定板的導(dǎo)熱來控制滑動(dòng)板的溫度。溫度源器件用于變化溫度。測(cè)溫器件作為滑動(dòng)板上溫度的反饋。本發(fā)明的邊框黑體視場(chǎng)光闌各組成部分的連接關(guān)系是固定板位于最底層，滑動(dòng)板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，完成U形邊框黑體在視場(chǎng)中的插入與縮回；夾片同樣緊貼安裝在滑動(dòng)板上方，其上的開孔與固定板上的開孔位置上下對(duì)應(yīng)。固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動(dòng)板緊密接觸。測(cè)溫器件安裝在滑動(dòng)板上。上述部分安裝在光學(xué)系統(tǒng)中。控溫裝置的溫度控制器安裝在光學(xué)系統(tǒng)外，溫度源器件和測(cè)溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。本發(fā)明的邊框黑體視場(chǎng)光闌適用于二次及二次以上的紅外光學(xué)系統(tǒng)，不適用于一次成像的紅外光學(xué)系統(tǒng)。邊框黑體視場(chǎng)光闌一般安裝在一次像面上。本發(fā)明的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的工作過程為邊框黑體視場(chǎng)光闌的滑動(dòng)板在常溫下插入視場(chǎng)，紅外熱像儀采集此時(shí)邊框黑體視場(chǎng)光闌的響應(yīng)；隨后，邊框黑體視場(chǎng)光闌的溫度控制器控制溫度源器件，將固定板的溫度調(diào)為高溫，固定板導(dǎo)熱從而使滑動(dòng)板的溫度變?yōu)楦邷?，測(cè)溫器件將此時(shí)的溫度反饋給溫度控制器，采集此時(shí)邊框黑體視場(chǎng)光闌的響應(yīng); 隨即將U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的滑動(dòng)板縮回，在滑動(dòng)板在滑槽中滑動(dòng)時(shí)，固定板與夾片起著固定與平穩(wěn)系統(tǒng)的作用；根據(jù)熱像儀采集的數(shù)據(jù)計(jì)算邊框黑體視場(chǎng)光闌下像元的兩點(diǎn)校正參數(shù)；獲取有幀間位移的若干幀圖像；根據(jù)得到的邊框兩點(diǎn)校正參數(shù)及幀圖像，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，進(jìn)而獲取整個(gè)視場(chǎng)的校正參數(shù)。有益效果本發(fā)明的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌用于凝視型焦平面陣列的非均勻性校正與輻射定標(biāo)，能在不影響中心視場(chǎng)的情況下完成非均勻校正與輻射定標(biāo)。相比于當(dāng)前需要參考黑體進(jìn)行周期性校正的工作模式，具有快捷、自適應(yīng)、系統(tǒng)小型化的優(yōu)勢(shì)，是一種全新的技術(shù)方案。通過高低溫黑體實(shí)現(xiàn)IRFPA的NUC是高性能熱成像系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，相對(duì)于現(xiàn)于常用熱成像系統(tǒng)中采用黑體擋片完成NUC處理，本發(fā)明可不遮擋中心成像視場(chǎng)，更有利于實(shí)際應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景；可用于制冷與非制冷紅外焦平面探測(cè)器熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造、星上紅外熱成像系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。本發(fā)明由于采用具有結(jié)構(gòu)緊湊、清結(jié)的半導(dǎo)體制冷片，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、清結(jié)、 控溫速度快的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的焦平面陣列中邊框黑體視場(chǎng)光闌的工作狀態(tài)示意；a為邊框黑體視場(chǎng)光闌伸出時(shí)IRFPA的視場(chǎng)，b為邊框黑體視場(chǎng)光闌縮回時(shí)IRFPA的視場(chǎng)；圖2是具體實(shí)施方式
中固定板的機(jī)械設(shè)計(jì)圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖3是具體實(shí)施方式
中滑動(dòng)板的機(jī)械設(shè)計(jì)圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖4是具體實(shí)施方式
中夾片的機(jī)械設(shè)計(jì)圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖5是具體實(shí)施方式
中U形邊框黑體視場(chǎng)光闌三部分的組成圖；。圖6是具體實(shí)施方式
中U形邊框黑體視場(chǎng)光闌組合后的實(shí)物圖；圖7是具體實(shí)施方式
中U形邊框黑體視場(chǎng)光闌及其溫度控制器。圖8是具體實(shí)施方式
中基于U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的紅外非均勻性校正方法的校正效果示意圖。a為U型邊框黑體視場(chǎng)光闌在低溫下插入視場(chǎng)，b為U型邊框黑體視場(chǎng)光闌在高溫下插入視場(chǎng)，c表示邊框黑體視場(chǎng)光闌縮回，對(duì)邊框下像元進(jìn)行校正，d為代數(shù)算法向內(nèi)遞歸校正后的效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實(shí)施方式中，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)放大率以及IRFPA的像元尺寸和所需遮擋的像元數(shù)，設(shè)計(jì)了可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌。圖1為其工作狀態(tài)示意圖，a為邊框黑體視場(chǎng)光闌伸出時(shí)IRFPA的視場(chǎng)，b為邊框黑體視場(chǎng)光闌縮回時(shí)IRFPA的視場(chǎng)。其組成部分中的固定板、滑動(dòng)板、夾片的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示。固定板用厚度為0. 5mm的黃銅片制成，固定板下面的矩形開孔長(zhǎng)為12mm，寬10mm。 滑動(dòng)板下方的矩形開孔長(zhǎng)8. 2mm，寬8. IOmm0邊框黑體視場(chǎng)光闌插入視場(chǎng)后，矩形開孔的三邊各占15個(gè)像元，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的放大率為1，IRFPA的像元尺寸為30 μ mX 30 μ m,所以黑體漆的有效寬度為15X 30 μ m，即0.45mm。固定板和夾片上都有一個(gè)同樣大小的開孔，用于通過螺絲固定固定板和夾片形成滑槽?；瑒?dòng)板上有一條長(zhǎng)形開槽使U形邊框黑體光闌可以插入與抽出視場(chǎng)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖制作好的固定板、滑動(dòng)板及夾片如圖5所示，其中固定板背部的熱源采用的是半導(dǎo)體制冷片，通過硅橡膠將其與固定板緊密相連?；瑒?dòng)板上的測(cè)溫裝置為 PT1000鉬電阻。固定板、滑動(dòng)板及夾片三個(gè)部件組合后如圖6所示，相應(yīng)的溫度顯示及控制裝置如圖7所示，溫度控制器通過給半導(dǎo)體制冷片的兩級(jí)加上不同極性的電壓，可以使其工作在制冷或制熱的模式，通過改變電壓與電流的大小可以控制邊框黑體視場(chǎng)光闌的溫度。在本實(shí)施例中，邊框黑體視場(chǎng)光闌的溫度控制范圍是20-70攝氏度。實(shí)施例下面結(jié)合實(shí)例來說時(shí)本發(fā)明的運(yùn)用，采用制冷型HgCdTe紅外探測(cè)器結(jié)合U形邊框黑體視場(chǎng)光闌進(jìn)行了測(cè)試，此種紅外探測(cè)器的非均勻性主要表現(xiàn)為斑紋狀與條紋狀，非均勻性的存在對(duì)觀察視場(chǎng)造成了嚴(yán)重干擾。運(yùn)用U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的步驟如下Si.邊框黑體視場(chǎng)光闌在常溫下插入視場(chǎng)，如圖8(a)所示，采集此時(shí)邊框黑體視場(chǎng)光闌在IRFPA上的響應(yīng)；S2.控溫裝置將U形邊框黑體視場(chǎng)光闌的溫度控制為高溫(50攝氏度左右)，采集此時(shí)邊框黑體視場(chǎng)光闌的響應(yīng)，如圖8(b)，U形邊框黑體視場(chǎng)光闌隨即縮回；S3.根據(jù)Sl與S2中的邊框響應(yīng)，計(jì)算邊框覆蓋下像元的兩點(diǎn)校正參數(shù)；S4.獲取有幀間位移的若干幀圖像；S5.根據(jù)S3中的邊框兩點(diǎn)校正參數(shù)及S4中的圖像，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，進(jìn)而獲取整個(gè)視場(chǎng)的校正參數(shù)。由實(shí)施例可知，U形邊框黑體視場(chǎng)光闌為非均勻校正提供參考源，邊框黑體視場(chǎng)光闌伸出時(shí)僅遮擋部分視場(chǎng)，在完成非均勻校正的同時(shí)不影響中心視場(chǎng)的觀察。如圖8所示，圖8(a)與圖8(b)為非均勻校正前的圖像；圖8 (c)示意了校正的中間過程，對(duì)寬度為15個(gè)像元的視場(chǎng)四周邊框進(jìn)行兩點(diǎn)校正后的效果，注意到兩點(diǎn)校正后邊框內(nèi)的場(chǎng)景亮度達(dá)到一致，斑紋也消除了 ；圖8(d)是采用本發(fā)明校正后的效果，圖像整體達(dá)到了均勻一致的效果，大幅度提高了圖像質(zhì)量。可以很明顯的看出，原始圖像中的條紋狀，網(wǎng)格狀，不規(guī)則斑紋狀非均勻噪聲經(jīng)過校正后都基本清除。
權(quán)利要求
1.一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，其特征在于包括固定板、滑動(dòng)板、夾片和控溫裝置；所述的固定板作為傳熱裝置，厚度??；固定板上有兩個(gè)開孔，一個(gè)開孔用于把固定板固定在紅外成像系統(tǒng)中，另一個(gè)開孔的形狀為矩形，大小跟紅外焦平面探測(cè)器陣列像面的有效面積及光學(xué)系統(tǒng)放大率有關(guān)，原則為矩形孔在紅外焦平面探測(cè)器陣列上成的像恰好覆蓋紅外焦平面探測(cè)器陣列的有效面積；所述的滑動(dòng)板為一個(gè)矩形少一邊的U形與一個(gè)長(zhǎng)條形的組合；滑動(dòng)板在光闌中可伸縮；滑動(dòng)板插入視場(chǎng)中的U形部分上均勻噴涂有高發(fā)射率的黑體漆，U形每邊的寬度L跟紅外焦平面探測(cè)器陣列的像元尺寸P、光學(xué)系統(tǒng)放大率β及所需遮擋的像元數(shù)C有關(guān)L = U⑴β其中遮擋的像元數(shù)c的值為幀間的最大位移值；所述的夾片寬度與固定板的寬度一致，上面有一個(gè)與固定板上用于固定的開孔大小形狀一致的開孔；夾片與固定板一起形成一個(gè)滑槽，滑動(dòng)板可在滑槽內(nèi)順暢移動(dòng)；所述的控溫裝置包括溫度控制器、溫度源器件和測(cè)溫器件，采用普通型號(hào)的相匹配器件；溫度控制器通過固定板的導(dǎo)熱來控制滑動(dòng)板的溫度；溫度源器件用于變化溫度；測(cè)溫器件作為滑動(dòng)板上溫度的反饋；上述組成部分的連接關(guān)系是固定板位于最底層，滑動(dòng)板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)；夾片同樣緊貼安裝在滑動(dòng)板上方，其上的開孔與固定板上的開孔位置上下對(duì)應(yīng)；固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動(dòng)板緊密接觸；測(cè)溫器件安裝在滑動(dòng)板上；上述部分安裝在光學(xué)系統(tǒng)中；控溫裝置的溫度控制器安裝在光學(xué)系統(tǒng)外，溫度源器件和測(cè)溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，其特征在于 所述的滑動(dòng)板遮擋的像元數(shù)c在實(shí)際工程應(yīng)用中一般取10-20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，其特征在于 所述的固定板、滑動(dòng)板和夾片由導(dǎo)熱性良好的材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，其特征在于 適用于二次及二次以上的紅外光學(xué)系統(tǒng)，不適用于一次成像的紅外光學(xué)系統(tǒng)；一般安裝在一次像面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，其特征在于 所述的溫度源器件優(yōu)選為半導(dǎo)體制冷片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場(chǎng)光闌，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。具體包括固定板、滑動(dòng)板、夾片和控溫裝置；固定板位于最底層，滑動(dòng)板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，完成U形邊框黑體在視場(chǎng)中的插入與縮回；夾片同樣緊貼安裝在滑動(dòng)板上方，固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動(dòng)板緊密接觸，測(cè)溫器件安裝在滑動(dòng)板上；溫度源器件和測(cè)溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。本發(fā)明用于凝視型焦平面陣列的非均勻性校正與輻射定標(biāo)，能在不影響中心視場(chǎng)的情況下完成非均勻校正與輻射定標(biāo)。可用于制冷與非制冷紅外焦平面探測(cè)器熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造、星上紅外熱成像系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J5/02GK102252760SQ201110164698
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者修金利, 劉崇亮, 劉秀, 徐超, 王霞, 金偉其 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)