基于勻速掃描黑體的熱像儀非均勻性校正

崔若璐,侯德鑫,葉樹亮

(中國計量大學(xué) 工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所,浙江 杭州 310018)

1 引 言

在對紅外熱像儀和紅外焦平面陣列(IRFPA)進行非均勻性校正(NUC)時,基于黑體的非均勻性校正方法(又稱標(biāo)定類方法)是一種目前最常用的非均勻校正方法[1-3]。該方法基于一個假設(shè):實驗所用的輻射源(黑體)是均勻的,即面源黑體不同位置有相同的輻射溫度[4-7]。

由于大面積的輻射源的均勻性難以保證,尤其在輻射源溫度偏離環(huán)境溫度較多時。為了減小黑體非均勻性對熱像儀非均勻評估帶來的影響,德國PTB研究機構(gòu)的Gutschwager B等人提出了多次成像法[8]:熱像儀拍攝記錄具有未知且空間溫度分布不均勻的輻射源的一系列熱圖(至少三幅),后兩幅圖像相對于第一幅主圖像進行了沿行和列的平移(至少1個像素),通過校正熱像儀的增益系數(shù)得到NUC結(jié)果。這種方法的優(yōu)點是它可以應(yīng)用于任意空間輻射溫度分布的輻射源,只需要該輻射源在測量過程的分布有足夠的時間穩(wěn)定性。由于準(zhǔn)確的像素坐標(biāo)位移參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取,多次成像法在實際測試中難以操作,同時隨機噪聲誤差會累積。

本文基于多次成像法的方法原理,提出一種更容易實現(xiàn)的測試方法:基于勻速掃描黑體的熱像儀非均勻性校正方法。

2 原理與方法

2.1 校正系統(tǒng)

勻速掃描黑體的熱像儀非均勻性校正系統(tǒng)由黑體、熱像儀、二維運動平臺和電腦組成。黑體和熱像儀分別固定在Z軸和X軸運動平臺上,使得熱像儀運動方向與黑體面運動方向平行。測試時,分別啟動X軸和Z軸運動平臺,使得黑體分別沿著熱圖行方向和列方向運動經(jīng)過整個成像視場。并通過上位機軟件采集熱像儀拍攝的原始熱圖像序列。

多次成像法的方法利用熱圖坐標(biāo)下的3個熱圖的相對位置關(guān)系來校正熱像儀的非均勻性,由于平移的單位為像素級別,準(zhǔn)確定位困難；本文通過運動控制實現(xiàn)熱像儀相對于黑體的相對運動,運動速度經(jīng)過事先標(biāo)定,速度重復(fù)性比位置重復(fù)性好。

2.2 校正算法

熱像儀掃描拍攝黑體對熱像儀進行非均勻性校正的思路是選擇熱圖上的某一點作為非均勻性校正的參考點,然后通過非均勻性校正確定其他點的修正系數(shù),該算法主要分為以下幾個部分:

(1)非均勻性校正的在行(列)掃描過程中,對于黑體表面任意點ib,如果該點在掃描過程中運動經(jīng)過熱像儀某行(列)所有像素點,則該點可用于該行(列)的非均勻校正；由于掃描過程大約花費的時間為10 s左右,在該段時間內(nèi)該黑體點的溫度變化非常小,假設(shè)其溫度不變。當(dāng)黑體在熱圖中掃描的方向沿行方向運行,因此記熱像儀中觀察到該點的像素行編號為ir,不同列像素點觀察到該黑體點的溫度為Tm,ib(ir,ic),則有:

Tm,ib(ir,icRef)=G(ir,ic)Tm,ib(ir,ic)+O(ir,ic)

(1)

Tm,ib(ir,icRef)為第ir行像素點的參考點觀察到黑體點ib的溫度值。G(ir,ic)和O(ir,ic)分別為增益系數(shù)和偏置系數(shù)。式(1)描述的是兩點校正的方法,由于本文研究的重點是勻速掃描的評價方法的特點,為了簡化問題,本文僅對熱像儀進行單點評估,即僅計算系統(tǒng)偏移系數(shù)O(ir,ic),則式(1)簡化為:

Tm,ib(ir,icRef)=Tm,ib(ir,ic)+O(ir,ic)

(2)

(3)

(3)非均勻性綜合評價。在某一個特定的溫度下,對行列的評價結(jié)果進行綜合,得到非勻性的綜合評價。將熱圖上所有點的測溫結(jié)果與參考點進行比較,使得所有點的測溫結(jié)果與參考點一致,而所有點與參考點的測溫差即各個點的單點非均勻評估結(jié)果,而在表示該結(jié)果的時候,根據(jù)掃描實驗,行和列之間的像素點評價所使用的黑體點是不同的,故行掃描和列掃描的結(jié)果是獨立的,在描述各個點與參考點之間的差值關(guān)系的時候有兩種不同的計算路徑:

①單點非均勻性計算路徑1:行-列-行的方式:該種計算路徑的計算方式可以用如圖1表示,其中虛線路徑與實線路徑就是點(ir,ic)在行-列-行的方式下到達參考點(irRef,icRef)的兩種不同路徑。

圖1 行-列-行的單點非均勻性計算路徑

對第j種路徑的非均勻性表達公式如下:

(4)

由于該種評價方法每個點通過比較達到參考點的路徑共有nc種,需要對每個參考點這nc種參考路徑求平均:

(5)

②單點非均勻性計算路徑2:該種計算路徑的計算方式可以用如圖2表示,其中虛線路徑與實線路徑就是點(ir,ic)在行-列-行的方式下到達參考點(irRef,icRef)的兩種不同路徑。

圖2 列-行-列的單點非均勻性計算路徑

就對第i種路徑的非均勻性表達公式如下:

(6)

由于該種評價方法每個點通過比較達到參考點的路徑共有nr種,需要對每個參考點這nr種參考路徑求平均:

(7)

(8)

3 噪聲的影響

多次成像法通過相鄰點逐點比較,建立各點與參考點關(guān)系,在此過程中隨機噪聲會進行多次傳遞。本文的方法各點只通過兩個中間點建立與參考點的關(guān)系,隨機噪聲只進行了三次傳遞。基于上述理論結(jié)合仿真和實驗進行分析。

3.1 勻速掃描方法的抗噪能力

3.1.1 實驗裝置和實驗條件

實驗裝置設(shè)計如圖3所示,本次實驗使用的熱像儀型號為FLIR-A35熱像儀,分辨率為320×256,選用幀頻為60Hz。所使用的黑體為凱爾文光電技術(shù)有限公司制造的JQG-300精密黑體,有效輻射面直徑為100 mm。所使用的二維運動平臺為上海鏡程儀器的X軸和Z軸的運動平臺。在實驗中將Z軸和X軸的一維運動臺固定在大理石試驗臺上,然后將熱像儀和黑體分別固定在Z軸和X軸的一維運動臺上,熱像儀的鏡頭與黑體輻射面保持平行,通過運動控制器控制二維運動臺使得熱像儀相對黑體能夠沿行和列方向掃描拍攝黑體輻射面,通過上位機軟件采集熱像儀拍攝的原始熱圖像序列,將其作為仿真實驗的數(shù)據(jù)。

圖3 實驗平臺裝置圖

3.1.2 噪聲影響的評估

對熱像儀采集的數(shù)據(jù)加上標(biāo)準(zhǔn)差為0.1 ℃的高斯白噪聲,加噪聲之后的NUC記為ΔTp,noise,比較加噪聲前后兩次NUC之差見圖4,計算圖4的均方根如下式所示:

(9)

圖4 加噪聲前后的NUC之差(256×320矩陣)

得到均方根的結(jié)果為0.01 ℃,從以上結(jié)果可以得知:勻速掃描評價非均勻性的方法的抗噪能力較好,噪聲基本對NUC結(jié)果沒有影響。

3.2 多次成像法的抗噪能力

多次成像法的論文中僅對一組8×8方陣進行仿真分析[8],同樣對熱像儀所測溫度數(shù)據(jù)加上標(biāo)準(zhǔn)差為0.1 ℃的高斯白噪聲,比較加噪聲前后的NUC結(jié)果,計算其均方根為0.23 ℃。

從上述結(jié)果可以得到多次成像法對噪聲較為敏感,加入相同標(biāo)準(zhǔn)差的白噪聲之后,噪聲對多次成像法的影響為原始噪聲的2.3倍,而噪聲對本文方法的影響為原始噪聲的1/10。

3.3 多次成像法的抗噪能力隨矩陣規(guī)模的變化

多次成像法中使用的仿真數(shù)據(jù)為8×8的方陣,矩陣規(guī)模較小?，F(xiàn)討論不同矩陣規(guī)模下,噪聲對多次成像法的評價結(jié)果的影響。隨機生成范圍(100,150)℃的輻射源輻射溫度,為了減小隨機性,對每個規(guī)模的矩陣進行200次仿真實驗,求有無噪聲的NUC之差的均值作為該熱圖像規(guī)模下的噪聲的影響,得到最后的結(jié)果如圖5所示。

從以上結(jié)果可知,多次成像法在評價的矩陣規(guī)模越大的時候,受噪聲的影響越嚴(yán)重。在對320×320的矩陣進行分析時,加噪聲前后的NUC之差的均方根為0.9396 ℃,噪聲對其影響遠大于本文的方法。說明相比于多次成像法,本文的評價方法在較大程度上提高了抗噪聲能力。

圖5 噪聲的影響隨矩陣規(guī)模的變化

4 分離黑體的非均勻性

4.1 實驗說明

Gutschwager B等人[8]僅利用一組數(shù)據(jù)進行多次成像法的NUC,并沒有對NUC結(jié)果進行評價。無論熱像儀的非均勻性或是黑體的非均勻性都沒有現(xiàn)成的方法對其進行評價。假設(shè)不同的熱像儀的非均勻性不同,而在實驗過程中黑體的非均勻性相同,本文利用兩個熱像儀對同一個黑體進行實驗,比較不同熱像儀評價得到的黑體非均勻性的相似程度。

4.2 實驗條件

實驗使用的兩個熱像儀型號為FLIR-A35熱像儀,分別記為A號和C號,選用幀頻為60 Hz,如圖6所示。

圖6 實驗所用兩個FLIR-A35熱像儀

4.3 實驗結(jié)果

4.3.1 基于黑體的熱像儀非均勻性校正

用基于黑體的方法評估熱像儀的非均勻性時直接使用熱像儀對黑體輻射面進行拍攝,要求黑體輻射面充滿熱像儀的視場。分別取兩個熱像儀行掃描拍攝黑體過程中的中間一幀,此時熱像儀正好運行到黑體輻射面的中心位置,滿足黑體輻射面充滿熱像儀視野這個條件。得到對兩個熱像儀的非均勻性評價結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于黑體的非均勻性評價結(jié)果

從圖7的(a)、(b)中得到的非均勻性結(jié)果可知,同一個紅外焦平面陣列的單個傳感器的反饋溫度之差的最大值達到1.2 ℃,由于該方法評價的非均勻性包括熱像儀本身非均勻性和黑體表面的非均勻性,故圖7顯示的評價結(jié)果并不是最終的熱像儀的非均勻性。

4.3.2 基于勻速掃描黑體的熱像儀非均勻性校正

利用本文的勻速掃描黑體的方法對熱像儀的非均勻性進行評估,綜合行、列的評估結(jié)果,得到兩個熱像儀的非均勻性評估結(jié)果如圖8所示。

圖8 勻速掃描黑體的非均勻性評價結(jié)果

從圖8(a)、(b)中得到的熱像儀非均勻性可知,同一個紅外焦平面陣列的單個傳感器的反饋溫度之差的最大值達到1 ℃,該方法理論上不受黑體表面分布非均勻性影響。

4.3.3 兩個熱像儀評估的黑體表面分布的非均勻性

由于基于黑體的方法評價的熱像儀非均勻性無法分離熱像儀自身的非均勻性與黑體表面分布的非均勻性。若本文的方法得到的熱像儀的非均勻性的確不受黑體表面非均勻性的影響,將兩種方法的評價結(jié)果做差,所得到的結(jié)果即為黑體表面的非均勻性。若使用不同熱像儀得到的結(jié)果相似,則說明假設(shè)正確。

計算圖7和圖8的熱圖的非均勻性之差,得到的結(jié)果如圖9所示,圖9(a)和圖9(b)分別是熱像儀拍攝的黑體表面的非均勻性,兩者呈現(xiàn)出相似的溫度分布。證明基于勻速掃描的方法可以分離黑體的空間分布非均勻性。

圖9 不同熱像儀對黑體輻射面的非均勻性評估結(jié)果

4.3.4 兩個熱像儀評估的黑體非均勻性之差

雖然兩個熱像儀實驗得到的黑體的非均勻性分布類似,但是為了進一步證明基于勻速掃描的方法能分離黑體非均勻,現(xiàn)對上述兩個不同的熱像儀評估的黑體非均勻性做差,即將圖9的(a)和(b)相減得到圖10。

圖10 兩個熱像儀評估的黑體非均勻性之差

求得圖10的均方根結(jié)果為0.0666 ℃,小于圖9中評價得到的黑體的非均勻0.0819 ℃和0.1164 ℃。不同熱像儀評價得到的黑體的非均勻性分布類似,但是在某些區(qū)域有差異。其差異的主要原因為以下二點:

(1)黑體的穩(wěn)定性在對兩個熱像儀做實驗的過程中發(fā)生了變化；

(2)熱像儀的穩(wěn)定性在一次實驗的掃描過程中發(fā)生了變化。

5 結(jié) 論

本文提出一種基于運動參數(shù)(而非位移參數(shù))掃描的熱像儀非均勻性評價方法,仿真結(jié)果表明該方法抗噪聲干擾能力有提高,通過對兩個熱像儀進行實驗,成功分離黑體非均勻性的影響,在實驗過程中發(fā)現(xiàn)黑體穩(wěn)定性和熱像儀穩(wěn)定性對測試結(jié)果有重要影響,因此該方法降低了對黑體均勻性要求,但是提高了對黑體穩(wěn)定性要求。

[1] LIU Huitong,YI Xinjian.Two-point nonuniformity correction for IRFPA and its physical motivation[J].Infrared and Laser Engineering,2004,33(1):76-78.(in Chinese)

劉會通,易新建.紅外焦平面陣列非均勻性的兩點校正及依據(jù)[J].紅外與激光工程,2004,33(1):76-78.

[2] NI Yunlong,HAO Qiulai,YU Fandi.Non-uniformity correction for infrared image with large field of view[J].Laser & Infrared,2013,43(3):344-347.(in Chinese)

倪云龍,郝秋來,于繁迪.一種基于大視場紅外圖像的非均勻性校正算法[J].激光與紅外,2013,43(3):344-347.

[3] LI Yanxu,SUN Dexin,LIU Yinnian.Polynomial fitting based on nonuniform ity correction of infrared focal plane arrays[J].Laser & Infrared,2005,35(2):104-107.(in Chinese)

李言旭,孫德新,劉銀年.基于多項式擬合的紅外焦平面非均勻性校正[J].激光與紅外,2005,35(2):104-107.

[4] Krupiński M,Firmanty K,Kastek M.Test stand for non-uniformity correction of microbolometer focal plane arrays used in thermal cameras[J].Proc.SPIE,2013,8896:889611.

[5] LIU Huitong,YI Xinjian,LIU Jing1,et al.Limitations of blackbody-based nonuniformity correction for IRFPA[J].Infrared Technology,2003,25(3):41-44.(in Chinese)

劉會通,易新建,等.紅外焦平面陣列基于黑體的非均勻性校正方法中的限制因素[J].紅外技術(shù),2003,25(3):41-44.

[6] ZHANG Xiaolong,LIU Ying,WANG Jian.Infrared thermometry technology with different nonuniformity correction temperatures[J].Chinese Optics,2014,7(1):150-155.(in Chinese)

張曉龍,劉英,王健,等.不同非均勻性校正溫度的紅外測溫技術(shù)[J].中國光學(xué),2014,7(1):150-155.

[7] ZUO Chao,CHEN Qian,GU Guohua.Nonuniformity correction based on unified photoresponse characteristics of infrared focal plane arrays[J].Acta Photonica Sinica,2011,40(6):926-932.(in Chinese)

左超,陳錢,顧國華.基于焦平面歸一化響應(yīng)特性的紅外非均勻性校正[J].光子學(xué)報,2011,40(6):926-932.

[8] Gutschwager B,Hollandt J.Nonuniformity correction of infrared cameras by reading radiance temperatures with a spatially nonhomogeneous radiation source[J].Measurement Science & Technology,2016,28(1):015401.

[9] ZHANG Xianda.Matrix analysis and application[M].Beijing:The Tsinghua University Press,2013.(in Chinese)

張賢達.矩陣分析與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.