崔若璐,侯德鑫,葉樹亮

(中國計(jì)量大學(xué) 工業(yè)與商貿(mào)計(jì)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(jìn)行非均勻性校正(NUC)時(shí),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(gè)假設(shè):實(shí)驗(yàn)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(shí)。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(jī)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(jìn)行了沿行和列的平移(至少1個(gè)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(diǎn)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(shí)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(shí)際測試中難以操作,同時(shí)隨機(jī)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(shí)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(yùn)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(yùn)動平臺上,使得熱像儀運(yùn)動方向與黑體面運(yùn)動方向平行。測試時(shí),分別啟動X軸和Z軸運(yùn)動平臺,使得黑體分別沿著熱圖行方向和列方向運(yùn)動經(jīng)過整個(gè)成像視場。并通過上位機(jī)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(gè)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(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)熱像儀相對于黑體的相對運(yùn)動,運(yùn)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(jìn)行非均勻性校正的思路是選擇熱圖上的某一點(diǎn)作為非均勻性校正的參考點(diǎn),然后通過非均勻性校正確定其他點(diǎn)的修正系數(shù),該算法主要分為以下幾個(gè)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(diǎn)ib,如果該點(diǎn)在掃描過程中運(yùn)動經(jīng)過熱像儀某行(列)所有像素點(diǎn),則該點(diǎn)可用于該行(列)的非均勻校正；由于掃描過程大約花費(fèi)的時(shí)間為10 s左右,在該段時(shí)間內(nèi)該黑體點(diǎn)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(yùn)行,因此記熱像儀中觀察到該點(diǎn)的像素行編號為ir,不同列像素點(diǎn)觀察到該黑體點(diǎn)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(diǎn)的參考點(diǎn)觀察到黑體點(diǎn)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(diǎn)校正的方法,由于本文研究的重點(diǎn)是勻速掃描的評價(jià)方法的特點(diǎn),為了簡化問題,本文僅對熱像儀進(jìn)行單點(diǎn)評估,即僅計(jì)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(jià)。在某一個(gè)特定的溫度下,對行列的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合,得到非勻性的綜合評價(jià)。將熱圖上所有點(diǎn)的測溫結(jié)果與參考點(diǎn)進(jìn)行比較,使得所有點(diǎn)的測溫結(jié)果與參考點(diǎn)一致,而所有點(diǎn)與參考點(diǎn)的測溫差即各個(gè)點(diǎn)的單點(diǎn)非均勻評估結(jié)果,而在表示該結(jié)果的時(shí)候,根據(jù)掃描實(shí)驗(yàn),行和列之間的像素點(diǎn)評價(jià)所使用的黑體點(diǎn)是不同的,故行掃描和列掃描的結(jié)果是獨(dú)立的,在描述各個(gè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的差值關(guān)系的時(shí)候有兩種不同的計(jì)算路徑:

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

圖1 行-列-行的單點(diǎn)非均勻性計(jì)算路徑

對第j種路徑的非均勻性表達(dá)公式如下:

(4)

由于該種評價(jià)方法每個(gè)點(diǎn)通過比較達(dá)到參考點(diǎn)的路徑共有nc種,需要對每個(gè)參考點(diǎn)這nc種參考路徑求平均:

(5)

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

圖2 列-行-列的單點(diǎn)非均勻性計(jì)算路徑

就對第i種路徑的非均勻性表達(dá)公式如下:

(6)

由于該種評價(jià)方法每個(gè)點(diǎn)通過比較達(dá)到參考點(diǎn)的路徑共有nr種,需要對每個(gè)參考點(diǎn)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(diǎn)逐點(diǎn)比較,建立各點(diǎn)與參考點(diǎn)關(guān)系,在此過程中隨機(jī)噪聲會進(jìn)行多次傳遞。本文的方法各點(diǎn)只通過兩個(gè)中間點(diǎn)建立與參考點(diǎn)的關(guān)系,隨機(jī)噪聲只進(jìn)行了三次傳遞。基于上述理論結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

3.1 勻速掃描方法的抗噪能力

3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖3所示,本次實(shí)驗(yàn)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(yùn)動平臺為上海鏡程儀器的X軸和Z軸的運(yùn)動平臺。在實(shí)驗(yàn)中將Z軸和X軸的一維運(yùn)動臺固定在大理石試驗(yàn)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(yùn)動臺上,熱像儀的鏡頭與黑體輻射面保持平行,通過運(yùn)動控制器控制二維運(yùn)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(jī)軟件采集熱像儀拍攝的原始熱圖像序列,將其作為仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jià)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(jìn)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(jì)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(jià)結(jié)果的影響。隨機(jī)生成范圍(100,150)℃的輻射源輻射溫度,為了減小隨機(jī)性,對每個(gè)規(guī)模的矩陣進(jìn)行200次仿真實(shí)驗(yàn),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(jià)的矩陣規(guī)模越大的時(shí)候,受噪聲的影響越嚴(yán)重。在對320×320的矩陣進(jìn)行分析時(shí),加噪聲前后的NUC之差的均方根為0.9396 ℃,噪聲對其影響遠(yuǎn)大于本文的方法。說明相比于多次成像法,本文的評價(jià)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(shí)驗(yàn)說明

Gutschwager B等人[8]僅利用一組數(shù)據(jù)進(jìn)行多次成像法的NUC,并沒有對NUC結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。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(jìn)行評價(jià)。假設(shè)不同的熱像儀的非均勻性不同,而在實(shí)驗(yàn)過程中黑體的非均勻性相同,本文利用兩個(gè)熱像儀對同一個(gè)黑體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),比較不同熱像儀評價(jià)得到的黑體非均勻性的相似程度。

4.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)使用的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)所用兩個(gè)FLIR-A35熱像儀

4.3 實(shí)驗(yàn)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(shí)直接使用熱像儀對黑體輻射面進(jìn)行拍攝,要求黑體輻射面充滿熱像儀的視場。分別取兩個(gè)熱像儀行掃描拍攝黑體過程中的中間一幀,此時(shí)熱像儀正好運(yùn)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(gè)條件。得到對兩個(gè)熱像儀的非均勻性評價(jià)結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于黑體的非均勻性評價(jià)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(gè)紅外焦平面陣列的單個(gè)傳感器的反饋溫度之差的最大值達(dá)到1.2 ℃,由于該方法評價(jià)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(jià)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(jìn)行評估,綜合行、列的評估結(jié)果,得到兩個(gè)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(jià)結(jié)果

從圖8(a)、(b)中得到的熱像儀非均勻性可知,同一個(gè)紅外焦平面陣列的單個(gè)傳感器的反饋溫度之差的最大值達(dá)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(gè)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(jià)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(jià)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(jì)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(gè)熱像儀評估的黑體非均勻性之差

雖然兩個(gè)熱像儀實(shí)驗(yàn)得到的黑體的非均勻性分布類似,但是為了進(jìn)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(gè)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(gè)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(jià)得到的黑體的非均勻0.0819 ℃和0.1164 ℃。不同熱像儀評價(jià)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?yàn)橐韵露c(diǎn):

(1)黑體的穩(wěn)定性在對兩個(gè)熱像儀做實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)生了變化；

(2)熱像儀的穩(wěn)定性在一次實(shí)驗(yàn)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(yùn)動參數(shù)(而非位移參數(shù))掃描的熱像儀非均勻性評價(jià)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(gè)熱像儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),成功分離黑體非均勻性的影響,在實(shí)驗(yàn)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。

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