本發(fā)明涉及一種基于掃描矩形黑體的熱像儀非均勻性評價(jià)校正裝置。

背景技術(shù)：

熱像儀通過紅外輻射測溫原理獲取觀測目標(biāo)表面輻射溫度的空間分布信息，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中目標(biāo)的發(fā)熱和傳熱。與熱電偶、熱敏電阻等其它測溫手段相比，熱像儀具有非接觸、可獲取高分辨溫度分布信息等優(yōu)點(diǎn)，但也具有測溫準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)。

熱像儀非均勻性是指熱像儀觀察均勻黑體輻射源時(shí)不同像元輸出不一致的特性，其來源于探測器陣列、光學(xué)系統(tǒng)、讀出電路等各環(huán)節(jié)引入的不一致性。熱像儀非均勻性是熱像儀測溫誤差的重要來源，因此對熱像儀非均勻性進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，對分析測溫?cái)?shù)據(jù)誤差特性，以及通過非均勻性校正提高測溫準(zhǔn)確性，都具有重要意義。

目前熱像儀的非均勻性評價(jià)和校正方法主要分為兩類：基于定標(biāo)的方法和基于場景的方法。其中基于場景的方法可靠性較差，不適合需要準(zhǔn)確測溫的場合?；诙?biāo)的方法通過熱像儀觀測均勻輻射源來評估不同像元間差異，操作簡單，在實(shí)際中得到較多應(yīng)用。但是基于定標(biāo)的方法要求提供均勻黑體輻射源，實(shí)際操作中這是非常困難的，因此目前該方法大多只能用于環(huán)境溫度下的非均勻性單點(diǎn)校正；當(dāng)標(biāo)定的輻射溫度點(diǎn)偏離環(huán)境溫度較多，尤其熱像儀視場較大時(shí)，由于受空氣對流、輻射換熱的影響，輻射源均勻性較差，常規(guī)方法校正結(jié)果的誤差也很大。德國有研究者提出對同一輻射源在不同行列偏移時(shí)進(jìn)行最少三次成像，綜合三次成像結(jié)果分離熱像儀非均勻性和黑體非均勻性；但是該方法要求準(zhǔn)確的定位控制，校正結(jié)果存在隨機(jī)噪聲累積問題，校正系統(tǒng)需要大面積輻射源，因此實(shí)用中仍存在問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種熱像儀非均勻性的準(zhǔn)確評價(jià)校正裝置，其不依賴于黑體輻射源的均勻性，對熱成像中的隨機(jī)噪聲不敏感，裝置體積較小。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：

一種用于熱像儀非均勻性評價(jià)和校正的測試裝置，可實(shí)現(xiàn)熱像儀對黑體輻射源的掃描觀測，利用相同輻射源在熱像儀不同像素位置的成像差異來計(jì)算非均勻性相關(guān)參數(shù)，其特征在于：所述黑體輻射源為矩形腔式黑體，待測熱像儀安裝在90度翻轉(zhuǎn)裝置上，90度翻轉(zhuǎn)裝置安裝在一維平移臺上，一維平移臺運(yùn)動方向垂直于矩形黑體輻射源的長邊。

進(jìn)一步說，所述的黑體輻射源兩側(cè)固定有點(diǎn)標(biāo)志物，點(diǎn)標(biāo)志物具有顯著不同于周圍環(huán)境的輻射溫度，在熱圖像中易于識別。

進(jìn)一步說，所述的黑體輻射源有多個(gè)，且并排放置、每個(gè)黑體輻射源具有不同輻射溫度。

本發(fā)明的有益效果：與常規(guī)基于黑體輻射源一次成像的非均勻性校正方法相比，本發(fā)明在比較不同像素間響應(yīng)特性差異時(shí)，是基于相同黑體輻射源相同位置在不同時(shí)刻的輻射強(qiáng)度進(jìn)行比較，因此黑體輻射源自身的非均勻性并不會直接對熱像儀非均勻性評價(jià)結(jié)果帶來誤差，本發(fā)明既可用于熱像儀非均勻性的單點(diǎn)校正，也可用于兩點(diǎn)校正。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；

圖3為本發(fā)明的另二個(gè)實(shí)施例；

圖4為本發(fā)明的綜合實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1所示：待測熱像儀1安裝在90度翻轉(zhuǎn)裝置2上，翻轉(zhuǎn)裝置2安裝在一維平移臺3上，矩形黑體輻射源4位于熱像儀1前方；矩形黑體輻射源4與熱像儀1的光軸垂直；當(dāng)熱像儀1運(yùn)動到平移臺3行程中間位置時(shí)，黑體輻射源4中心位于熱像儀1視場中心；矩形黑體輻射源4的長邊應(yīng)大于熱像儀1視場的長邊，保證每次掃描過程中熱像儀1的所有像素都可以掃描到黑體輻射源4；一維平移臺3行程應(yīng)足夠大，使得熱像儀1運(yùn)動到平移臺3兩端時(shí)，黑體輻射源4移出熱像儀視場。

使用該裝置的測試方法為：一維平移臺3首先驅(qū)動熱像儀1運(yùn)動到平移臺3的一端(稱為初始端)；然后熱像儀1從初始端勻速運(yùn)動到另一端，完成對黑體輻射源4的一次掃描成像；然后90度翻轉(zhuǎn)裝置2翻轉(zhuǎn)90度，使得熱像儀1翻轉(zhuǎn)90度，翻轉(zhuǎn)前后矩形黑體輻射源4在熱像儀1中的成像翻轉(zhuǎn)了90度；翻轉(zhuǎn)后，熱像儀1反向勻速運(yùn)動回到初始端，完成對黑體輻射源4的第二次掃描成像；兩次掃描成像數(shù)據(jù)都被記錄下來；數(shù)據(jù)分析時(shí)，利用每次掃描時(shí)熱像儀1的相同行或相同列對相同輻射源的觀測數(shù)據(jù)差異，計(jì)算得到熱像儀1非均勻性的相關(guān)參數(shù)。

與常規(guī)基于黑體輻射源一次成像的非均勻性校正方法相比，本發(fā)明在比較不同像素間響應(yīng)特性差異時(shí)，是基于相同黑體輻射源相同位置在不同時(shí)刻的輻射強(qiáng)度進(jìn)行比較，因此黑體輻射源自身的非均勻性并不會直接對熱像儀非均勻性評價(jià)結(jié)果帶來誤差。本發(fā)明本質(zhì)上是將對黑體輻射源空間均勻性的要求轉(zhuǎn)化為對時(shí)間穩(wěn)定性的要求。

與多次成像方法相比，本發(fā)明采用掃描矩形黑體輻射源的方法，不要求黑體輻射源覆蓋全部熱像儀視場，只要求矩形黑體輻射源的長邊大于熱像儀視場長邊即可，這帶來如下有益技術(shù)效果：(1)黑體輻射源的尺寸顯著減小，從而減小了測試系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)也為一個(gè)系統(tǒng)中部署多個(gè)黑體輻射源奠定基礎(chǔ)；(2)不需要采用面輻射源，可以采用腔式黑體輻射源；而黑體腔的存在，可以減小表面對流和輻射換熱影響，從而提高輻射源的時(shí)間穩(wěn)定性。

本發(fā)明并不需要控制黑體輻射源的位置，而只需要控制其運(yùn)動速度，確切的說是只需要掃描時(shí)運(yùn)動速度穩(wěn)定且重復(fù)性好；對于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的位移臺，運(yùn)動速度取決于脈沖頻率，重復(fù)性很容易做到較高水平，從而降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。另外，由于一次掃描時(shí)熱像儀的一行或一列像素掃描都掃描通過黑體輻射源的相同行，因此基于單次掃描數(shù)據(jù)，可以直接建立同一行(或一列)任意兩個(gè)像素間響應(yīng)關(guān)系，而不需要通過相鄰像素間響應(yīng)差異的多次傳遞建立關(guān)系，從而避免隨機(jī)噪聲累積。

如圖2所示，在矩形黑體輻射源4兩側(cè)還固定布置點(diǎn)標(biāo)志物6、7，二者輻射溫度和周圍環(huán)境有顯著差異。

其產(chǎn)生的有益技術(shù)效果為：在熱像儀1生成的熱圖像中可以清晰的觀察到點(diǎn)標(biāo)志物6、7的成像；因此在數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以根據(jù)每幀熱圖像中點(diǎn)標(biāo)志物6或7在熱圖像中的位置，準(zhǔn)確的計(jì)算出不同熱圖像中輻射源的相對位移關(guān)系，從而避免位置精確控制帶來的系統(tǒng)復(fù)雜問題，以及位置預(yù)測誤差帶來的非均勻性校正誤差問題。

如圖3所示，測試用輻射源包括矩形黑體輻射源4和矩形黑體輻射源5，二者并排放置在熱像儀前方，設(shè)置為不同的黑體輻射溫度，具體溫度值由測試溫度區(qū)間決定，一般取為測試溫度區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)溫度。

其產(chǎn)生的有益技術(shù)效果為：測試中熱像儀同時(shí)掃描觀測兩種輻射溫度的輻射源，因此可以直接建立不同像素在兩個(gè)不同輻射溫度點(diǎn)的響應(yīng)特性對比關(guān)系，根據(jù)兩點(diǎn)決定一線的原理，測試數(shù)據(jù)可支持進(jìn)行非均勻性的兩點(diǎn)校正；如果布置的矩形黑體輻射源數(shù)目超過2個(gè)，則可以得到不同像素在更多輻射溫度點(diǎn)的對比關(guān)系，可以通過直線擬合得到更準(zhǔn)確的兩點(diǎn)校正結(jié)果，或者采用更高階曲線模型進(jìn)行校正(比如3個(gè)不同輻射溫度的黑體輻射源可支持二階多項(xiàng)式校正模型)。

如圖4所示，綜合體現(xiàn)全部上述特征的一個(gè)具體實(shí)施方式如下：

測試裝置如附圖4所示，熱像儀1視場為160mm×128mm，成像距離為300mm，像素分辨率為320(寬)×256(高)像素，幀頻為50hz，其數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集記錄在電腦9上。熱像儀1安裝在90度翻轉(zhuǎn)裝置2上，其通過電機(jī)驅(qū)動并通過限位裝置提供兩個(gè)相距90度的轉(zhuǎn)角定位；翻轉(zhuǎn)裝置2安裝在一維平移臺3上，平移臺為常規(guī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、絲杠傳動的結(jié)構(gòu)，行程為500mm，運(yùn)動速度為20mm/s。矩形黑體輻射源4和5放置在熱像儀前方，與熱像儀距離為300mm，兩個(gè)黑體的有效輻射區(qū)域均為矩形，長邊為300mm，窄邊為40mm，單個(gè)黑體外部最大寬度為100mm，兩個(gè)黑體間隔50mm并排放置。矩形黑體輻射源4和5中間和兩側(cè)放置點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8，點(diǎn)標(biāo)志物采用電熱絲纏繞在直徑10mm的金屬圓筒上制作成類似微型黑體的結(jié)構(gòu)，并在外表面纏繞隔熱材料提供隔熱保護(hù)，點(diǎn)標(biāo)志物無需準(zhǔn)確溫度控制，只需適當(dāng)功率加熱以獲得顯著不同于環(huán)境的輻射溫度；三個(gè)點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8的中心排列在一條直線上，該直線與平移臺3運(yùn)動方向平行，采用矩形黑體，帶來三個(gè)好處，一是黑體尺寸大幅減小，二是可以實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)定性，三是可以很容易的同時(shí)提供兩個(gè)黑體進(jìn)行兩點(diǎn)校正。

測試時(shí)，首先將矩形黑體輻射源4斷電使處于室溫，矩形黑體輻射源5設(shè)置溫度為80℃，等候直到兩個(gè)黑體溫度穩(wěn)定；三個(gè)點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8上電加熱并在熱像儀1的熱圖像中提供明亮圓點(diǎn)標(biāo)志(直徑約20個(gè)像素)；安裝熱像儀1到翻轉(zhuǎn)裝置上，調(diào)節(jié)熱像儀1姿態(tài)使得點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8中心連線在熱圖像中為水平線；平移臺3控制熱像儀1以20mm/s的速度從一端勻速運(yùn)動到另一端，完成對兩個(gè)黑體輻射源4、5的一次行掃描；然后控制翻轉(zhuǎn)裝置2翻轉(zhuǎn)90度，使得矩形黑體輻射源4、5的像在熱像儀中也翻轉(zhuǎn)90度；控制平移臺3使熱像儀1反向以20mm/s的速度勻速返回，完成對黑體輻射源4、5的一次列掃描。兩次掃描過程中熱像儀的成像數(shù)據(jù)均記錄在電腦9上。

測試后的數(shù)據(jù)處理方法如下：

步驟1：首先從電腦9中讀取測試過程中記錄的熱成像數(shù)據(jù)；為表述方便，記導(dǎo)入的行掃描數(shù)據(jù)為dr(ifrm,ir,ic)，列掃描時(shí)記錄的數(shù)據(jù)為dc(ifrm,ir,ic)，其中索引標(biāo)記ifrm表示熱圖像幀編號，ir為熱圖像行編號，ic為列編號。

步驟2：確定掃描中點(diǎn)時(shí)刻；對行掃描和列掃描的熱成像數(shù)據(jù)分別分析，由于熱像儀為勻速運(yùn)動，因此根據(jù)三個(gè)點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8通過熱像儀1中心的時(shí)刻，以及點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8間距、點(diǎn)標(biāo)志物6、7、8和黑體輻射源4、5中心間距，可計(jì)算得到每個(gè)黑體輻射源中心通過熱像儀1中心的時(shí)刻，其中行掃描時(shí)黑體輻射源4通過熱像儀1中心時(shí)刻對應(yīng)幀編號記為ifz,r4，類似的記行掃描時(shí)黑體輻射源5通過熱像儀1中心時(shí)刻幀編號為ifz,r5，列掃描時(shí)黑體輻射源4通過熱像儀1中心時(shí)刻幀編號為ifz,c4，列掃描時(shí)黑體輻射源5通過熱像儀1中心時(shí)刻幀編號為ifz,c5。

步驟3：計(jì)算各像素掃描過程中觀測數(shù)據(jù)均值；行掃描時(shí)各像素觀測黑體輻射源4中部區(qū)域的平均輸出為：

行掃描時(shí)各像素觀測黑體輻射源5中部區(qū)域的平均輸出為：

列掃描時(shí)各像素觀測黑體輻射源4中部區(qū)域的平均輸出為：

列掃描時(shí)各像素觀測黑體輻射源5中部區(qū)域的平均輸出為：

選擇熱圖像的第irref行、icref列作為參考點(diǎn)來評價(jià)非均勻性，一種典型選擇是熱圖像中的中心點(diǎn)，即取irref為128，icref為160。

計(jì)算行掃描得到的行校正系數(shù)：

增益系數(shù)：

偏置系數(shù)：

計(jì)算列掃描得到的列校正系數(shù)：

增益系數(shù)：

偏置系數(shù)：

計(jì)算“行-列”綜合得到的參數(shù)：

增益系數(shù)：krc(ir,ic)＝kr(ir,ic)·kc(ir,icref)

偏置系數(shù)：brc(ir,ic)＝kc(ir,icref)·br(ir,ic)+bc(ir,icref)

計(jì)算“列-行”綜合得到的參數(shù)：

增益系數(shù)：kcr(ir,ic)＝kc(ir,ic)·kr(irref,ic)

偏置系數(shù)：bcr(ir,ic)＝kr(irref,ic)·bc(ir,ic)+br(irref,ic)

計(jì)算最終得到的非均勻性校正參數(shù)：

增益系數(shù)：

偏置系數(shù)：

k(ir,ic)和b(ir,ic)也可以用于評價(jià)熱像儀的非均勻性。

本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。