CN106679817B - 一种用于标定红外热像仪的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于标定红外热像仪的方法，通过校正红外热像仪的动态范围和焦平面温度，并综合考虑温漂效应和锗窗衰减效应的影响因素，建立温度与校正后红外热像仪响应之间的函数关系，以标定红外热像仪。本发明的用于标定红外热像仪的方法，能够同时标定多台红外热像仪，标定更准确，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及红外技术领域，更具体地，涉及一种用于标定红外热像仪的方法。
背景技术
红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量，反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应，因此红外热像仪除了可以成像之外，还能利用物体辐射的能量大小不同来进行测温。红外热像仪测温为非接触式的，广泛应用于消防、电力、故障诊断等行业。
红外热像仪组装完成后，经过非均匀性校正和调光后，可以进行成像，但是还不能实现测温，要想实现测温功能，还必须进行相应的标定流程。目前传统的红外热像仪标定是利用高精度的黑体，在室温下，通过实验，确定被测黑体温度与其响应值之间的关系，用公式表示描述或者生成查找表。
实际测温时，根据得到的公式或者查找表，将响应值转换成被测物体的温度。这种标定方法简单易行，但是存在下面几点不足：第一，环境的适应性不强。一方面因为红外热像仪是非接触式测温，因此会受到大气环境温度的影响，上述标定方法只是在某一个环境温度下进行，当环境温度变化时，会影响到测温精度。另一方面，红外探测器的响应会随着环境温度变化而变化，如果不进行实时调整，会出现响应饱和或者截止的情况；第二，上述标定方法只能适用于没有锗窗的情况，但是红外热像仪在实际使用时，很多情况下都需要在镜头前加上锗窗，起到对光学系统和红外探测器的保护作用；第三，上述标定方法没有考虑红外热像仪的个体差异性，必须每台单独进行标定，不利于批量生产。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的适用性强、能够同时标定多台红外热像仪的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于标定红外热像仪的方法，其包括以下步骤：
S1、根据探测器测量范围，校正探测器响应灵敏度及焦平面温度；
S2、绘制温度曲线；
S3、绘制温漂曲线；
S4、建立锗窗衰减补偿模型；
S5、拟合温度曲线和温漂曲线，调整红外热像仪响应，基于所述锗窗衰减补偿模型建立温度与校正后的红外热像仪响应之间的函数关系。
通过校正探测器的响应灵敏度和焦平面温度，确定红外热像仪的标定基准，增强标定方法的适用性，能够同时标定多台红外热像仪。同时，通过对温漂现象以及锗窗衰减现象的考虑，拟合建立的温度曲线、温漂曲线与锗窗衰减模型，建立红外热像仪的探测温度与校正后的响应之间的函数关系，从而实现红外热像仪的标定，使标定方法更准确，其对环境的适应性更强。
本申请提出的一种用于标定红外热像仪的方法，其有益效果主要如下：
(1)通过校正探测器动态范围及焦平面温度，确定标定基准，使该标定方法能够同时适用于标定多台红外热像仪，增强了其适用性；
(2)通过绘制温度曲线，获取标定的参考系；
(3)通过绘制温漂曲线，界定温漂效应对红外热像仪的影响，并建立相应的校正关系，避免温漂效应对红外热像仪的不良影响；
(4)通过锗窗衰减补偿模型，避免锗窗对信号的衰减效应对红外热像仪的不良影响；
(5)综合考虑温漂效应和锗窗衰减效应，建立红外热像仪探测温度与校正后的响应之间的函数关系，根据该函数关系得到的探测温度与红外热像仪响应的对应关系更准确；
(6)自适应调整红外热像仪响应，可以增强红外热像的适用条件，当环境温度变化时，场景中的极高温或者极低温不会导致响应截止或者饱和的情况，红外热像仪仍然能准确测温。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种用于标定红外热像仪的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1所示，一种用于标定红外热像仪的方法，其包括以下步骤：
S1、根据探测器测量范围，校正探测器响应灵敏度及焦平面温度；
S2、绘制温度曲线；
S3、绘制温漂曲线；
S4、建立锗窗衰减补偿模型；
S5、拟合温度曲线和温漂曲线，调整红外热像仪响应，基于所述锗窗衰减补偿模型建立温度与校正后的红外热像仪响应之间的函数关系。
确定探测器的测量范围后，通过校正探测器的响应灵敏度和焦平面温度，确定了红外热像仪进行标定的基准，使后续对红外热像仪进行标定的过程具有很好的适用性，能够用于同时标定多台红外热像仪。
由于红外热像仪启动和运行过程中，存在温漂现象。同时，在实际使用过程中，通常需要在镜头前放置锗窗，以保护光学系统及探测器，但是，红外信号经锗窗后会有一定程度的衰减，影响红外热像仪的探测效果和准确性。该方法针对温漂现象和锗窗衰减现象的影响，建立了相应的标定校正方法，以对这些因素造成的不良影响进行校正。
此外，通过对建立的曲线关系进行拟合，以贴近实际使用过程中的情况，使探测器测量的温度范围内的所有响应变化都能够通过拟合后的关系曲线很好的表现出来，以达到标定校正的目的。
上述步骤S1中的响应灵敏度的校正方法包括：
S11、确定探测器测量的温度范围；
S12、获取红外热像仪对具有温度范围内最高温度值的黑体辐射源的第一响应值；
S13、获取红外热像仪对具有温度范围内最低温度值的黑体辐射源的第二响应值；
S14、获取第一响应值与第二响应值的差值的绝对值；
S15、调整该绝对值至根据探测器的测量温度范围预设的探测器响应动态范围内。
确定探测器测量的温度范围后，该温度范围的两个端值，最高温度值和最低温度值。将具有最高温度值的黑体辐射源放置在红外热像仪前，获取此时红外热像仪的第一响应值Y1；将具有最低温度值的黑体辐射源放置在红外热像仪前，获取此时红外热像仪的第二响应值Y2。
调整探测器的偏压以改变第一响应值Y1和第二响应值Y2，以调整Y1和Y2差值的绝对值至设定值。该设定值在根据探测器测量的温度范围确定的探测器动态范围内波动。该设定值太小，会导致测温精度不够；该设定值太大，容易导致数据出现饱和或截止的现象。
根据红外热像仪的应用领域，在一个具体的实施例中，设定探测器测量的温度范围为-20℃-250℃，根据该测量温度范围确定的探测器动态范围为7950-8050。
上述步骤S1中，焦平面温度的校正步骤进一步包括：红外热像仪在应用环境温度下运行稳定后，取待标定的数台红外热像仪的探测器焦平面温度的平均值并将待标定红外热像仪的焦平面温度均调整至
将红外热像仪的探测器焦平面温度均调节至均值使红外热像仪的标定基准相同，确保标定方法的适用性和准确性。
上述步骤S2中，温度曲线的绘制步骤包括：
S21、在探测器测量的温度范围内取具有一定温度间隔的一组数据；
S22、获取红外热像仪对具有与上述一组数据对应温度的黑体辐射源的响应值数组；
S23、根据所得到的响应值数组绘制得到温度曲线，记录焦平面温度T0。
通过依次在红外热像仪前放置数个具有不同温度的黑体辐射源，并获取相应的黑体辐射源的响应值。相邻黑体辐射源间的温度间隔相同，该间隔的范围为25℃-35℃，并且，黑体辐射源的温度均在探测器的测量温度范围内。
在一个具体的实施例中，采用10个黑体辐射源用于采集温度曲线的绘制数据，10个黑体辐射源的温度依次为-20℃，10℃，40℃，70℃，100℃，130℃，160℃，190℃，220℃，250℃。
相邻黑体辐射源的温度间隔太小，绘制的温度曲线更准确，但是，所需要用的黑体辐射源数量较多，检测过程繁琐；相邻黑体辐射源的温度间隔太大，所需要用到的黑体辐射源数量较少，但是，在绘制温度曲线时，所采集的数据太少，影响曲线与实际情况的符合性。
通过红外热像仪对探测器测量温度范围内具有一定规律的温度的物体的响应值数据，建立红外热像仪的探测器测量温度范围内的探测温度与响应值关系的温度曲线，将红外热像仪的测量温度与响应值的关系对应起来，便于后续校正处理。
上述步骤S3中，温漂曲线的绘制步骤包括：
S31、在探测器测量的温度范围内取具有较大温度间隔的较高温度值Th和较低温度值Tl；
S32、记录红外热像仪对具有温度值Th的黑体辐射源的响应值Yh、具有温度值Tl的黑体辐射源的响应值Yl；
S33、记录当前红外热像仪的应用环境温度；
S34、在应用环境的温度范围内取具有一定间隔的环境温度数据组(T1,…Ti)，获取红外热像仪在与该温度数据组对应的环境温度中，对温度值Th的黑体辐射源和温度值Tl的黑体辐射源的响应值数据组；
S35、根据该响应值数据组绘制温漂曲线。
由于红外热像仪使用过程中的温漂现象，会影响红外热像仪获得红外热像图的效果和准确性。在标定的过程中，将温漂现象的影响因素也考虑在内，有效的较低温漂现象对红外热像仪获取红外热像图准确性的影响。实际应用中，当出现极高温或者极低温时，红外热像仪也能准确测温，不会出现响应截止或者饱和的情况，增强了其对应用环境的适应性。
在探测器测量温度范围内取较高温度值Th和较低温度值Tl，两者的温度间隔较大。两者的温度间隔太大或太小，均会增大温漂校正系数的误差。
在一个具体的实施例中，Th取150℃，Tl取10℃，Th和Tl的温度间隔在100℃以上。分别获取红外热像仪对150℃的黑体辐射源的响应值Yh，红外热像仪对10℃的黑体辐射源的响应值Yl。
同时，针对红外热像仪的实际使用环境确定环境温度范围，在环境温度范围内取一组具有一定间隔的温度数据组(T1,…Ti)。
在一个具体的实施例中，根据实际使用环境，确定环境温度范围为-20℃-80℃。在-20℃-80℃范围内，每间隔5℃取一数据，组成温度数据组(-20℃，-15℃，-10℃,…，75℃，80℃)。
在-20℃的应用环境温度下，分别得到红外热像仪对150℃的黑体辐射源的响应值Yh(1)和对10℃的黑体辐射源的响应值Yl(1)。依此类推，获得温度数据组中每一温度数据下，红外热像仪对150℃的黑体辐射源的响应值Yh(i)和对10℃的黑体辐射源的响应值Yl(i)。依据获得红外热像仪在各应用环境温度下的响应值与温度的关系，绘制得到温漂曲线，用于反映温漂现象对红外热像仪获取红外热像图的影响。
上述步骤中，建立锗窗衰减补偿模型的步骤进一步包括：
S41、在探测器测量的温度范围内，取具有较高温度的第一温度值和较低温度的第二温度值；
S42、红外热像仪前未加锗窗时，获取与具有第一温度值的黑体辐射源对应的第三响应值Y3、与第二温度值的黑体辐射源对应的第四响应值Y4；
S43、在红外热像仪镜头前加上锗窗，获取此时与具有第一温度值的黑体辐射源对应的第五响应值Y5、与第二温度值的黑体辐射源对应的第六响应值Y6；
S44、计算锗窗的衰减系数Kge和偏移Bge。
为了加强对红外热像仪的光学器件和探测器的保护，在镜头前放置锗窗，而锗窗对温度的衰减效应会影响红外热像仪的探测效果和准确性。对锗窗的衰减效应建立补偿关系，以避免锗窗对测温精度的不良影响。
在探测器的测量温度范围内取具有一定温度间隔的温度较高的第一温度和温度较低的第二温度，两者的温度间隔通常设定在100℃以上。两者温度间隔太大或太小，均会增大锗窗衰减系数和偏移的误差。
针对红外热像仪前不加锗窗和加上锗窗的两种情况，分别获取红外热像仪对较高温度和较低温度的黑体的响应值，并通过两者之间的联系计算锗窗的衰减补偿关系。具体的，即是计算锗窗的衰减系数Kge和偏移Bge。
衰减系数Kge和偏移Bge的计算公式分别为：
Bge＝Y3-Y5·Kge (2)
式中，Kge为锗窗的衰减系数，Bge为锗窗造成的偏移，Y3为第三响应值，Y4为第四响应值，Y5为第五响应值，Y6为第六响应值。
上述步骤S5中，温度曲线和温漂曲线的拟合步骤进一步包括：
S51、将温度曲线的数据采用四阶函数在Matlab中进行曲线拟合，生成温度与响应值的关系曲线，该关系曲线表示为T＝f(Y)；
式中，T为温度，Y为T对应的响应值。
S52、在步骤S51中的关系曲线上，查找具温度Th的黑体辐射源对应的响应值Yh′、温度Tl的黑体辐射源对应的响应值Yl′；
S53、计算环境温度为T1时的温漂矫正系数Kf(1)和偏移Bf(1)；
S54、重复步骤S52和S53，计算环境温度数据组(T1,…Ti)中每一个环境温度数据对应的温漂矫正系数Kf(i)和偏移Bf(i)。
采用四阶函数在Matlab中拟合的方法为：
建立四阶函数Y＝a1·T4(i)+a2·T3(i)+a3·T2(i)+a4·T(i)+a5；
求出系数a1、a2、a3、a4和a5；
将温度精度设置为0.1℃；
计算得到探测器测量的温度范围内的最高温度和最低温度之间的温度对应的响应值，得到探测器焦平面温度为T0时，温度与响应值的对应关系函数T＝f(Y)。
不同应用环境温度下，红外热像仪对温度分别为Th和Tl的黑体辐射源的温漂校正系数Kf(i)和偏移Bf(i)的计算公式为：
Bf(i)＝Y′l-Yl(i)·Kf(i) (4)
计算不同应用环境温度下，红外热像仪的温漂校正系数和偏移，用于建立红外热像仪的原始响应值与对温漂效应校正后的响应值之间的关系，从而得到原始相应值与实际温度的对应关系。
上述步骤S5中，调整红外热像仪响应的步骤包括：
求取一定时间段内快门调零时的平均响应值Ys，并使快门实际响应值的变化范围在设定的快门最大响应值Yq和最小响应值Yt之间；
根据平均响应值Ys与设定的最大响应值Yq和最小响应值Yt的比较结果，自适应调整快门响应值。
根据红外热像仪的应用环境条件，设定快门的最大响应值和最小响应值，确保快门的实际响应值的变化范围不会超过设定的最大响应值或最小响应值，即快门的实际响应值在最大响应值与最小响应值之间变化。
设定快门的最大响应值和最小响应值，使红外热像仪在极限或异常环境条件下使用，出现极高温或极低温的应用环境时，探测器也不会出现响应截止或饱和的情况，保证红外热像仪正常工作，极大的增强了标定后的红外热像仪对应用环境的适应性。
当Ys>Yq时，调整红外热像仪的偏压，将快门响应值调整至Yt；当Ys<Yt时，调整红外热像仪的偏压，将快门响应值调整至Yq。通过自适应调整快门的响应值，确保红外热像仪的响应值处于中间，防止出现响应截止或饱和的现象。
上述步骤S5中，计算校正后的实际温度的步骤包括：
建立不同环境温度下的原始响应值Y(i)和经温漂校正和锗窗衰减校正后的响应值Y′(i)的关系模型；
建立温度与校正后的响应值Y′(i)的对应关系T＝f(Y′(i))。
根据温度曲线、温漂曲线和锗窗衰减补偿模型，建立原始响应值与校正后的响应值之间的关系模型为：
Y′(i)＝Kge·(Kf(i)·(Y(i)+Bf(i)))+Bge (5)
式中，Kge为锗窗衰减系数，Bge为使用锗窗时的偏移，Kf(i)为温漂矫正系数，Bf(i)为温漂偏移，Y(i)为原始响应值。
本发明的用于标定红外热像仪的方法，通过校正红外热像仪的动态范围和焦平面温度均值，确定红外热像仪的标定基准，使其具有很好的适用性，同时，也增强该标定方法的准确性。
结合温度曲线，通过对温漂效应和锗窗衰减效应的校正，建立校正后红外热像仪的响应值与温度的关系模型，避免温漂效应和/或使用锗窗时对红外热像仪的不良影响，计算得到红外热像仪对温度的准确响应。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、根据探测器测量范围，校正探测器响应灵敏度及焦平面温度；
S2、绘制温度曲线；
S3、绘制温漂曲线；
S4、建立锗窗衰减补偿模型；
S5、拟合温度曲线和温漂曲线，调整红外热像仪响应，基于所述锗窗衰减补偿模型建立温度与校正后的红外热像仪响应之间的函数关系；
步骤S3中，温漂曲线的绘制步骤包括：
S31、在探测器测量的温度范围内取具有较大温度间隔的较高温度值Th和较低温度值Tl；
S32、记录红外热像仪对具有温度值Th的黑体辐射源的响应值Yh、与具有温度值Tl的黑体辐射源的响应值Yl；
S33、记录当前红外热像仪的应用环境温度；
S34、在应用环境的温度范围内取具有一定间隔的环境温度数据组(T1,…Ti)，获取红外热像仪在与该温度数据组对应的环境温度中，对温度值Th的黑体辐射源和温度值Tl的黑体辐射源的响应值数据组；
S35、根据该响应值数据组绘制温漂曲线。
2.如权利要求1的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S1中的响应灵敏度的校正方式包括：
S11、确定探测器测量的温度范围；
S12、获取红外热像仪对具有温度范围内最高温度值的黑体辐射源的第一响应值；
S13、获取红外热像仪对具有温度范围内最低温度值的黑体辐射源的第二响应值；
S14、获取第一响应值与第二响应值的差值的绝对值；
S15、调整该绝对值至根据探测器的测量温度范围预设的探测器响应动态范围内。
3.如权利要求1的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S1中，焦平面温度的校正步骤进一步包括：红外热像仪在应用环境温度下运行稳定后，取待标定的数台红外热像仪的探测器焦平面温度的平均值并将待标定红外热像仪的焦平面温度均调整至
4.如权利要求1的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S2中，温度曲线的绘制步骤包括：
S21、在探测器测量的温度范围内取具有一定温度间隔的一组数据；
S22、获取红外热像仪对具有与上述一组数据对应温度的黑体辐射源的响应值数组；
S23、根据所得到的响应值数组绘制得到温度曲线，记录焦平面温度T0。
5.如权利要求4的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S4中，建立锗窗衰减补偿模型的步骤进一步包括：
S41、在探测器测量的温度范围内取具有较高温度的第一温度值和较低温度的第二温度值；
S42、红外热像仪前未加锗窗时，获取与具有第一温度值的黑体辐射源对应的第三响应值Y3、与第二温度值的黑体辐射源对应的第四响应值Y4；
S43、在红外热像仪镜头前加上锗窗，获取此时与具有第一温度值的黑体辐射源对应的第五响应值Y5、与第二温度值的黑体辐射源对应的第六响应值Y6；
S44、计算锗窗的衰减系数Kge和偏移Bge。
6.如权利要求5的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S44中，衰减系数Kge和偏移Bge的计算公式分别为：
Bge＝Y3-Y5·Kge
式中，Y3为第三响应值，Y4为第四响应值，Y5为第五响应值，Y6为第六响应值。
7.如权利要求6的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S5中，温度曲线和温漂曲线的拟合步骤进一步包括：
S51、将温度曲线的数据采用四阶函数在Matlab中进行曲线拟合，生成温度与响应值的关系曲线，该关系曲线表示为T＝f(Y)；
式中，T为温度，Y为T对应的响应值；
S52、在步骤S51中的关系曲线上，查找具温度Th的黑体辐射源对应的响应值Yh′、温度Tl的黑体辐射源对应的响应值Yl′；
S53、计算环境温度为T1时的温漂矫正系数Kf(1)和偏移Bf(1)；
S54、重复步骤S52和S53，计算环境温度数据组(T1,…Ti)中每一个环境温度数据对应的温漂矫正系数Kf(i)和偏移Bf(i)。
8.如权利要求7的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S5中，所述调整的步骤包括：
求取一定时间段内快门调零时的平均响应值Ys，并使快门实际响应值的变化范围在设定的快门最大响应值Yq和最小响应值Yt之间；
根据平均响应值Ys与设定的最大响应值Yq和最小响应值Yt的比较结果，自适应调整快门响应值。
9.如权利要求8的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，步骤S5中，所述建立温度与校正后的红外热像仪响应之间的函数关系的步骤包括：
建立原始响应值Y(i)和经温漂校正和锗窗校正后的响应值Y′(i)的关系模型；
建立温度与校正后的响应值Y′(i)的对应关系T＝f(Y′(i))。
10.如权利要求9的一种用于标定红外热像仪的方法，其特征在于，所述关系模型具体为：
Y′(i)＝Kge·(Kf(i)·(Y(i)+Bf(i)))+Bge
式中，Kge为锗窗衰减系数，Bge为使用锗窗时的偏移，Kf(i)为温漂矫正系数，Bf(i)为温漂偏移，Y(i)为原始响应值。
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