一种红外热像仪生产中的标定方法和标定系统

摘要

本发明涉及红外热像仪测温技术领域，提供了一种红外热像仪生产中的标定方法和标定系统。其中方法包括：调整热像仪配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求；使热像仪工作在一预设恒定环境温度，改变其视场内黑体的温度，对场内黑体的多个温度点进行标定；计算红外热像仪每个像素点的增益和电压偏移；剔除增益和电压偏移中的异常数值，得到预设恒定环境温度下的测温查找表；利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果。本发明遍历不同黑体温度，通过计算各个像素的增益和电压偏移矩阵，利用探测器热响应特点，结合生产数据累积规律，综合得到温度查找表。

说明书

【技术领域】

本发明涉及红外热像仪测温技术领域，特别是涉及一种红外热像仪生产中的标定方法和标定系统。

【背景技术】

红外热像仪通过非接触的光学方式接受视场内物体的红外波段辐射能量，并转换成相应的电压值。辐射能量与物体表面温度分布相关，通过对输出的电压值进行标定量化处理，就能获得物体的温度分布图，从而达到非接触温度测量的目的，产品广泛应用于电力故障诊断、工业生产过程监控、夜视安防等领域。

目前红外热像仪标定过程主要通过对照温度可调的黑体，确定黑体温度与电压值之间的关系，用查找表来描述二者关系。在实际应用时，利用所得电压值在查找表中反推出物体温度，从而实现温度测量。其不足之处在于：标定过程没有考虑环境温度因素，导致测温精度随环境温度变化而受影响，甚至出现探测器输出值异常。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是现有标定过程没有考虑环境温度因素，导致测温精度随环境温度变化而受影响，甚至出现探测器输出值异常。

本发明进一步要解决的技术问题是现有技术标定过程中数据传输和存储是非联网形式，不利于产品数据跟踪分析；也不利于与产品等级划分或其他流程兼容，间接增加了生产成本。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种红外热像仪生产中的标定方法，包括：

调整热像仪配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求；

使热像仪工作在一预设恒定环境温度，改变其视场内黑体的温度，对场内黑体的多个温度点进行标定；

计算红外热像仪每个像素点的增益和电压偏移；

剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表；

利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果。

优选的，所述调整热像仪配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求，具体包括：

将热像仪的环境温度设置为室温附近，待热像仪工作达到热平衡后执行以下内容：

将黑体温度调整到测温量程最高温度值，待稳定后，放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面，计算所有像素中前th个最大值的均值，记为max(th)；

将黑体温度调整到测温量程最低温度值，待稳定后，放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面。计算所有像素中后th个最小值的均值，记为min(th)；

调整热像仪的偏置电压、积分时间和积分电容配置参数，满足以下条件：

其中最大电压值max(V)和最小电压值min(V)指探测器电压输出范围。

优选的，所述使热像仪工作在一预设恒定环境温度，改变其视场内黑体的温度，对场内黑体的多个温度点进行标定，具体包括：

采用温度可控的装置，使得热像仪工作在一预设恒定环境温度E₀中；

待热像仪达到热平衡后，将温度可控的黑体放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面；

使黑体温度稳定在T₀，待黑体稳定后，记录黑体温度T₀和热像仪在此时输出的全画面数值矩阵E₀T₀，连续获取N帧数值矩阵；

改变黑体温度至T_j，并按照上述获取全画面数值矩阵E₀T₀的方式，得到全画面数值矩阵E₀T_j；其中T_j的根据当前热像仪的测温范围选定。

优选的，所述j的取值范围包括7-10，并且均匀分布在产品测温范围内，因此相应的获取全画面数值矩阵E₀T_j需要进行7-10次。

优选的，所述计算红外热像仪每个像素点的增益，具体包括：

计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的平均值，计算公式如下：

其中k,h表示第k行、第h列的像素；N表示连续N帧数值，n表示连续N帧数值的序列号；μ(E₀T_j)_k,h表示当前像素在连续N帧数值中的平均值；μ(E₀T_j)为行数K、列数H的矩阵；其中，矩阵大小与热像仪分辨率相同；

计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的增益，计算公式如下：

遍历不同黑体温度下的数值矩阵，得到多个像素增益矩阵Gain(E₀T_j)。

优选的，所述计算红外热像仪每个像素点的电压偏移，具体包括：

计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的电压偏移，计算公式如下：

Offset(E₀T_j)_k,h＝μ(E₀T_j-1)_k,h-Gain(E₀T_j)_k,h*T_j-1，j∈[1,m]

其中k,h表示第k行、第h列的像素；μ(E₀T_j-1)_k,h表示当前像素在连续N帧数值中的平均值；N表示连续N帧数值，n表示连续N帧数值的序列号；T_j表示黑体温度；

遍历不同黑体温度下的数值矩阵，得到多个像素电压偏移矩阵Offset(E₀T_j)。

优选的，所述剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表，具体包括：

对于增益矩阵Gain(E₀T_j)和电压偏移矩阵Offset(E₀T_j)，剔除其值异常部分，异常部分判决条件如下：

其中，满足三项判决中的任意一项，即判定为异常点；从异常点附近的邻域内找到一个正常点，用所述找到的正常点的增益值和电压偏移值去替换异常点；

处理完所有异常点，组合增益矩阵Gain′(E₀T_j)和电压偏移矩阵Offset′(E₀T_j)即为环境温度E₀、黑体温度T_j下的查找表，再组合不同黑体温度下的查找表，即为该次环境温度下所得查找表；

Table(E₀T_j)＝(Gain′(E₀T_j),Offset′(E₀T_j))

Table(E₀)＝(Table(E₀T₁),Table(E₀T₁)...Table(E₀T₇))。

优选的，还包括：对于修正后的增益矩阵Gain′(E₀T_j)，计算其方差：

当σ(Gain′(E₀T_j))满足：

σ(Gain′(E₀T_j))≤0.2*Gain′(E₀T_j)则认为所述热像仪质量较好；

当热像仪的异常点数量占比小于探测器总像素个数的1％时，则认为所述热像仪质量较好；

同时满足所述增益方差条件和异常点数量占比条件的热像仪归为高质量热像仪。

优选的，所述利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果，具体包括：

各个像素的增益与探测器环境温度相关度高，依据生产数据累积规律，有如下近似表达：

即温度每提高1度，增益增加a；

各个像素的电压偏移与探测器环境温度相关度低，依据生产数据累积规律，有如下近似表达：

根据上述公式获得不同环境温度下的增益矩阵和电压偏移矩阵，并组合二者，得到最终温度查找表：

Table＝(Table(E₀),Table(E₁)...Table(E₄))。

第二方面，本发明还提供了一种红外热像仪生产中的标定系统，包括热像仪、测试室、黑体和计算机，具体的：

所述热像仪，用于接收配置参数，并调整自身的配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求；

所述测试室，用于为所述热像仪提供一预设恒定环境温度；

所述黑体，用于设置在所述热像仪的视场范围内，并能够在多个温度点进行自身温度的调节；

所述计算机，用于获取热像仪的测试参数，并计算红外热像仪每个像素点的增益和电压偏移；剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表；利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果。

本发明提供的红外热像仪标定方法遍历不同黑体温度，通过计算各个像素的增益和电压偏移矩阵，利用探测器热响应特点，结合生产数据累积规律，得到不同环境温度下的温度查找表，综合得到最终的温度查找表。该方法遍历了热像仪工作环境温度和目标场景温度，同时该标定过程可对热像仪标定品质进行监控和分类。进一步的，全软件化的标定方法，降低了标定方法所需时间成本，该方法可应用到实际生产中。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种红外热像仪生产中的标定方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种红外热像仪标定方法的原理示意图；

图3是本发明实施例提供的一种红外热像仪生产中的标定系统的架构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种红外热像仪生产中的标定方法，如图1所示，包括以下执行步骤：

在步骤21中，调整热像仪配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求。

在步骤22中，使热像仪工作在一预设恒定环境温度，改变其视场内黑体的温度，对场内黑体的多个温度点进行标定。

其中，环境温度可以选取为环境温度选取为-10℃、10℃、20℃、30℃、50℃等等。优选的是选取具有较大显性特征的温度节点，以便步骤25中利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表。

在步骤23中，计算红外热像仪每个像素点的增益和电压偏移。

在步骤24中，剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表。

在步骤25中，利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果。

本发明实施例提供的红外热像仪标定方法遍历不同黑体温度，通过计算各个像素的增益和电压偏移矩阵，利用探测器热响应特点，结合生产数据累积规律，得到不同环境温度下的温度查找表，综合得到最终的温度查找表。该方法遍历了热像仪工作环境温度和目标场景温度，同时标定过程可对热像仪标定品质进行监控和分类，而全软件化的方法，降低了标定方法所需时间成本，该方法可应用到实际生产中。

结合本发明实施例1，为其步骤21的实现提供了一种具体方式，因为，红外热像仪输出值受环境温度影响大，需根据热像仪测温范围调整热像仪参数，使得热像仪在全环境温度范围正常输出，则步骤21实现时具体包括：

将热像仪的环境温度设置为室温附近，待热像仪工作达到热平衡后执行以下内容：

在步骤211中，将黑体温度调整到测温量程最高温度值，待稳定后，放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面，计算所有像素中前th个最大值的均值，记为max(th)；

在步骤212中，将黑体温度调整到测温量程最低温度值，待稳定后，放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面。计算所有像素中后th个最小值的均值，记为min(th)；优选的，所述计算最大或最小th个像素点的平均值，th选取为整个像面像素的2％。

在步骤213中，调整热像仪的偏置电压、积分时间和积分电容等配置参数，满足以下条件：

其中最大电压值max(V)和最小电压值min(V)指探测器电压输出范围。

其中，偏置电压指用于用于驱动探测器中像素工作的电压；积分电容指用于将探测器接收到的辐射能量转化为电压信号的电容，需要设定具体值来确认转换比例；积分时间指像素的曝光时间。

结合本发明实施例1，为其步骤22的实现提供了一种具体方式，所述使热像仪工作在一预设恒定环境温度，改变其视场内黑体的温度，对场内黑体的多个温度点进行标定，具体包括：

在步骤221中，采用温度可控的装置，使得热像仪工作在一预设恒定环境温度E₀中；

在步骤222中，待热像仪达到热平衡后，将温度可控的黑体放置于热像仪成像清晰处，并保证黑体充满热像仪整个像面；

在步骤223中，使黑体温度稳定在T₀，待黑体稳定后，记录黑体温度T₀和热像仪在此时输出的全画面数值矩阵E₀T₀，连续获取N帧数值矩阵。其中，N的取值可以选取为16。

在步骤224中，改变黑体温度至T_j，并按照上述获取全画面数值矩阵E₀T₀的步骤223的方式，得到全画面数值矩阵E₀T_j；其中T_j的根据当前热像仪的测温范围选定。

其中，所述j的取值范围包括7-10，并且均匀分布在产品测温范围内，因此相应的获取全画面数值矩阵E₀T_j需要进行7-10次。在本发明实施例中，优选的所述j选定值为8。

如图2所示，为本发明实施例提供的一原理示意图，其中，以j的取值为7为例，呈现了较为完整的方法实现流程。

结合本发明实施例1，为其步骤23中的所述计算红外热像仪每个像素点的增益提供了一种具体方式，具体实现为：

在步骤231中，计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的平均值，计算公式如下：

其中k,h表示第k行、第h列的像素；N表示连续N帧数值，n表示连续N帧数值的序列号；μ(E₀T_j)_k,h表示当前像素在连续N帧数值中的平均值；μ(E₀T_j)为行数K、列数H的矩阵；其中，矩阵大小与热像仪分辨率相同；

在步骤232中，计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的增益，计算公式如下：

其中m可以根据上面分析的取[7,10]区间的某一值。

根据上述公式遍历不同黑体温度下的数值矩阵，得到多个像素增益矩阵Gain(E₀T_j)。

结合本发明实施例1，为其步骤23中的所述计算红外热像仪每个像素点的电压偏移提供了一种具体方式，具体实现为：

在步骤231’中，计算热像仪连续输出N帧数值矩阵E₀T_j中各个像素的电压偏移，计算公式如下：

Offset(E₀T_j)_k,h＝μ(E₀T_j-1)_k,h-Gain(E₀T_j)_k,h*T_j-1，j∈[1,m]

其中k,h表示第k行、第h列的像素；μ(E₀T_j-1)_k,h表示当前像素在连续N帧数值中的平均值；N表示连续N帧数值，n表示连续N帧数值的序列号；T_j表示黑体温度；

在步骤232’中，遍历不同黑体温度下的数值矩阵，得到多个像素电压偏移矩阵Offset(E₀T_j)。

其中，步骤231’-步骤232’，与上述步骤231-步骤232可以是并行执行的，也可以串行执行的，并且对于两者的执行先后顺序没有特殊的限定，其中，步骤231’-步骤232’前、步骤231-步骤232后，以及步骤231-步骤232前、步骤231’-步骤232’后均属于本发明的保护范围内的。

结合本发明实施例1，为其步骤24的实现提供了一种具体方式，所述剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表，具体包括：

在步骤241中，对于增益矩阵Gain(E₀T_j)和电压偏移矩阵Offset(E₀T_j)，剔除其值异常部分，异常部分判决条件如下：

其中，满足三项判决中的任意一项，即判定为异常点；

在步骤242中，从异常点附近的邻域内找到一个正常点，用所述找到的正常点的增益值和电压偏移值去替换异常点。例如，可通过八邻域内找到的正常点来替换其异常点。

在步骤243中，处理完所有异常点，组合增益矩阵Gain′(E₀T_j)和电压偏移矩阵Offset′(E₀T_j)即为环境温度E₀、黑体温度T_j下的查找表，再组合不同黑体温度下的查找表，即为该次环境温度下所得查找表。在本发明实施例中，所述查找表可以表述为以下表达式：

Table(E₀T_j)＝(Gain′(E₀T_j),Offset′(E₀T_j))

Table(E₀)＝(Table(E₀T₁),Table(E₀T₁)KTable(E₀T₇))

结合本发明实施例1，为其步骤25的实现提供了一种具体方式，所述利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果，具体包括：

各个像素的增益与探测器环境温度相关度高，依据生产数据累积规律，有如下近似表达：

即温度每提高1度，增益增加a；其中，a一般取0.015。

各个像素的电压偏移与探测器环境温度相关度低，依据生产数据累积规律，有如下近似表达：

根据上述公式获得不同环境温度下的增益矩阵和电压偏移矩阵，并组合二者，得到最终温度查找表：

Table＝(Table(E₀),Table(E₁)KTable(E₄))，其中环境温度间隔一般为20℃。

结合本发明实施例还提供了一种热像仪优劣的判断依据，可以更好的为实际测试人员提供更为准确的测试结果和测试表格，更甚至于说可以依据下面给予的优劣判断依据，给予实际使用的热像仪定出相应等级，并且给予不同等级内的热像仪生成/使用与其优劣等级匹配的测温查找表。其中优劣等级的判断依据具体表现为：

对于修正后的增益矩阵Gain′(E₀T_j)，计算其方差：

当σ(Gain′(E₀T_j))较小时，说明探测器各个像素相应均匀，一致度较高，可认为是质量较好的热像仪产品。一般认为，满足如下条件：

σ(Gain′(E₀T_j))≤0.2*Gain′(E₀T_j)

则认为所述热像仪质量较好；

当热像仪的异常点数量占比小于探测器总像素个数的1％时，则认为所述热像仪质量较好；

同时满足所述增益方差条件和异常点数量占比条件的热像仪归为高质量热像仪。

实施例2：

本发明实施例除了提供如实施例1所述的一种红外热像仪生产中的标定方法外，还通过本发明实施例提供了一种红外热像仪生产中的标定系统，可用于运行和实现如实施例1所述的标定方法，如图3所示，包括热像仪、测试室、黑体和计算机，具体的：

所述热像仪，用于接收配置参数，并调整自身的配置参数，使得热像仪灵敏度和电压值达到预设热像仪测温范围要求；

所述测试室，用于为所述热像仪提供一预设恒定环境温度；

所述黑体，用于设置在所述热像仪的视场范围内，并能够在多个温度点进行自身温度的调节；

所述计算机，用于获取热像仪的测试参数，并计算红外热像仪每个像素点的增益和电压偏移；剔除所述增益和电压偏移中的异常数值，得到所述预设恒定环境温度下的测温查找表；利用探测器特性与温度的关系曲线，得到不同环境温度下的测温查找表，组合各个查找表获得标定结果。

值得说明的是，上述系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。