紅外觀測輻照度自動量化調光裝置及方法與流程

文檔序號：12269204閱讀：565來源：國知局

本發明涉及一種紅外觀測輻照度自動量化調光裝置及方法，屬于光學測量技術領域。

背景技術：

隨著紅外光學技術的發展，利用紅外傳感器探測目標特性、進行狀態分析與事件識別，在信息感知、機器視覺、自動控制等領域發揮的作用越來越突出。紅外觀測輻照度作為紅外探測獲取的信息，是對紅外圖像賦予更具本質物理意義的表征量，既可以作為觀測量直接分析和識別目標，也可以與傳輸路徑共同分析獲取目標紅外特性這一基本屬性。但是一般的紅外探測系統無法獲取觀測輻照度或僅適用于較小動態范圍場景，無法滿足紅外信息探測獲取日益迫切的需求。

在紅外探測系統的日常應用中，一般以獲取紅外圖像為主，通過圖像信息實現運動觀測、夜晚監測、異常警示等功能，如需獲取觀測輻照度，則通過觀測距離、曝光時間等條件控制，使觀測數據恰好處于圖像灰度的有效范圍。這種觀測由于限定因素多、動態范圍小，效果往往不理想。實際中，紅外探測系統的應用場景和觀測對象往往千差萬別，而應用的時機也不是固化模式，若獲取觀測輻照度不能實現于各類紅外探測系統，獲得的紅外信息則僅停留于圖像或者信息不全面，導致無法獲得更豐富、更本質的屬性內容。

紅外探測系統一般由光路、探測器和其他部件(顯示、存儲、控制等)組成，光路用于獲取視場內景物的紅外波段光信號，探測器用于光信號轉換為可顯示和記錄的信號如電平信號或圖像灰度信號。隨著紅外探測器的發展，目前應用中越來越多地采用紅外焦平面探測器，以獲取觀測景物的二維紅外圖像，其圖像灰度往往與景物在相應紅外波段的信號強弱相關。對于紅外圖像灰度的標定，常采用相對標準的合作目標或合作場地，黑體由于發射率近于1可作為理想選擇。

技術實現要素：

本發明的目的是解決紅外探測系統獲取目標觀測輻照度時因動態范圍小和圖像亮度飽和而無法進行有效測量的問題，提供一種紅外觀測輻照度自動量化調光裝置及方法。

本發明解決上述問題采用的技術方案：紅外觀測輻照度自動量化調光裝置包括調調光執行模塊1、調光控制模塊2、同步記錄模塊3、光量化模塊4、紅外探測系統10，調光量化模塊4分別與調光控制模塊2、同步記錄模塊3相連，調光執行模塊1、調光控制模塊2、同步記錄模塊3依次相連；

調光執行模塊1包括伺服電機6、調光傳動單元7、第一變密度盤8、第二變密度盤9，伺服電機6與調光傳動單元7相連后兩側分別與第一變密度盤8、第二變密度盤9相連接，通過伺服電機6接收調光控制模塊2產生的伺服控制信號，在該信號驅動下進行運轉，通過調光傳動單元，將伺服電機6運轉產生的驅動力傳送至第一變密度盤8、第二變密度盤9，第一變密度盤8、第二變密度盤9嵌入在光路中，通過第一變密度盤8、第二變密度盤9對通過光路的光通量進行調節，調節時以調光傳動單元驅動第一變密度盤8、第二變密度盤9轉動實現；

調光控制模塊2包括灰度設置單元、灰度分析單元、伺服控制單元，灰度設置單元、灰度分析單元、伺服控制單元依此連接，通過灰度設置單元，設置調光控制時的基準灰度，該基準灰度取值處于紅外探測器的有效動態范圍內且高于背景灰度，根據目標亮度或溫度的大小設置基準灰度取值的大小將有利于觀測實施，通過灰度分析單元，統計分析觀測圖像，獲取所觀測圖像的圖像灰度，通過伺服控制單元，比較圖像灰度與基準灰度之間的差異，并根據該差異產生伺服控制信號；

同步記錄模塊3包括軸角編碼器、同步控制單元、圖像存儲器，軸角編碼器、同步控制單元、圖像存儲器依此連接，通過軸角編碼器記錄變密度盤的轉動位置，將變密度盤的調光量體現于軸角編碼器值，通過同步控制單元，對軸角編碼器、圖像存儲器的測量信息進行同步記錄控制，所述圖像存儲器與探測器連接，通過圖像存儲器，記錄視場中紅外目標的觀測圖像，將紅外觀測輻照度體現于圖像灰度值，通過查詢索引單元將軸角編碼器、灰度值對應的觀測輻照度作為目標的紅外觀測輻照度；

調光量化模塊4包括程控數采單元、調光參數單元、查詢索引單元，程控數采單元、調光參數單元、查詢索引單元依此連接，通過程控數采單元，對黑體進行觀測，分別調節黑體溫度和變密度盤位置，采集黑體觀測標準圖像的圖像灰度值和軸角編碼器值獲得調光量化對應值，通過調光參數單元，記錄調光量化對應值，該調光量化對應值為軸角編碼器數值、黑體灰度、黑體溫度、黑體觀測輻照度之間的對應關系參數，通過查詢索引單元，建立軸角編碼器索引和圖像灰度索引，并通過查詢上述兩索引獲得對應的目標觀測輻照度；

紅外探測系統10包括探測器5、光路，光路分別通過第一變密度盤8、第二變密度盤9和探測器5，探測器5與同步記錄模塊3中的圖像存儲器相連。

紅外輻照度自動量化調光裝置的調光方法步驟如下：

步驟一：通過程控數采單元，對黑體進行觀測，分別調節黑體溫度和變密度盤位置，采集黑體觀測標準圖像的圖像灰度值和軸角編碼器值獲得調光量化對應值，通過調光參數單元，記錄調光量化對應值，該調光量化對應值為軸角編碼器數值、黑體灰度、黑體溫度、黑體觀測輻照度之間的對應關系參數，通過查詢索引單元，建立軸角編碼器索引和圖像灰度索引，并通過查詢上述兩索引獲得對應的目標觀測輻照度；

步驟二：通過灰度設置單元，設置調光控制時的基準灰度，該基準灰度取值處于紅外探測器的有效動態范圍內且高于背景灰度，根據目標亮度或溫度的大小設置基準灰度取值的大小將有利于觀測實施，通過灰度分析單元，統計分析觀測圖像，獲取所觀測圖像的圖像灰度，通過伺服控制單元，比較圖像灰度與基準灰度之間的差異，并根據該差異產生伺服控制信號；

步驟三：通過伺服電機6，接收調光控制模塊產生的伺服控制信號，在該信號驅動下進行運轉，通過調光傳動單元，將伺服電機運轉產生的驅動力傳送至第一變密度盤8、第二變密度盤9，第一變密度盤8、第二變密度盤9嵌入在光路中，通過第一變密度盤8、第二變密度盤9對通過光路的光通量進行調節，調節時以調光傳動單元驅動第一變密度盤8、第二變密度盤9轉動實現；

步驟四：通過軸角編碼器記錄第一變密度盤8、第二變密度盤9的轉動位置，將第一變密度盤8、第二變密度盤9的調光量體現于軸角編碼器值，通過同步控制單元，對軸角編碼器、圖像存儲器的測量信息進行同步記錄控制，所述圖像存儲器與探測器連接，通過圖像存儲器，記錄視場中紅外目標的觀測圖像，將紅外觀測輻照度體現于圖像灰度值，通過查詢索引單元將軸角編碼器、灰度值對應的觀測輻照度作為目標的紅外觀測輻照度

本發明的有益效果：實現紅外探測系統調光的定量化與自動化，利用自動量化調光裝置及方法獲取高動態范圍的紅外觀測輻照度，有效克服測量動態范圍小及因圖像亮度飽和無法進行測量等問題，既保證了紅外探測系統有效獲取紅外觀測輻照度，又提高了紅外圖像成像效果。

附圖說明

圖1紅外觀測輻照度自動量化調光裝置結構簡圖

圖中：1.調光執行模塊，2.調光控制模塊，3.調光量化模塊，4.同步記錄模塊，5.探測器，6.伺服電機，7.調光傳動單元，8.第一變密度盤，9.第二變密度盤。

圖2紅外觀測輻照度自動量化調光裝置組成結構圖

圖中：1.調光執行模塊，2.調光控制模塊，3.調光量化模塊，4.同步記錄模塊，10.紅外探測系統。

圖3紅外觀測輻照度自動量化調光裝置調光方法流程圖

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。紅外觀測輻照度自動量化調光裝置及方法，用于獲取目標的紅外觀測輻照度，裝置結構可參見附圖1，組成結構如附圖2，方法流程如附圖3。

紅外觀測輻照度自動量化調光裝置包括調光量化模塊、調光控制模塊、調光執行模塊、同步記錄模塊。獲取目標的觀測輻照度時，首先利用調光量化模塊，采集標準圖像和軸角編碼器值，建立調光量化關系。

調光量化模塊包括程控數采單元、調光參數單元、查詢索引單元。采集標準圖像和軸角編碼器值利用程控數采單元進行，獲取黑體觀測輻照度，分別調節黑體溫度和變密度盤位置，采集相應的標準圖像和軸角編碼器值，獲得調光量化對應值。

用程控數采單元與伺服控制單元相連，并以伺服電機驅動變密度盤，將光通量置于最大狀態，調節標準黑體溫度由小變大，直至使其灰度處于背景與亮度飽和之間，獲取相應狀態下軸角編碼器值，統計對應黑體灰度。基準灰度的數值為背景灰度與飽和灰度之間的數值，以使紅外探測響應處于有效的范圍內。

用變密度盤逐步減少光通量至最小光通量狀態，調節標準黑體溫度使其灰度處于基準灰度，同步記錄軸角編碼器值及黑體溫度。

在程序數采單元工作完成后，調光參數單元用于形成調光量化對應值，表述為軸角編碼值、黑體灰度值、黑體溫度、黑體觀測輻照度之間的對應參數。軸角編碼器用于記錄變密度盤轉動情況，其數值與轉動位置一一對應，軸角編碼器值由小變大，代表變密度盤光通量由小變大。圖像灰度用于記錄標準黑體成像的觀測輻照度數值，觀測輻照度數值變化反應在圖像灰度的變化上。輻照度數值通過黑體輻射計算公式進行計算。

對于調光參數單元，需建立查詢索引單元，用于建立軸角編碼索引和圖像灰度索引，查詢上述兩索引以獲得對應的觀測輻照度。

調光量化關系建立后，開始進行目標觀測，通過調光控制模塊，由灰度設置單元、灰度分析單元、伺服控制單元進行調光控制。先設置圖像灰度控制參數為上述基準灰度，開始獲取紅外目標圖像。圖像灰度反映目標觀測輻照度的數值，當灰度小于基準灰度時，光通量處于最大狀態，獲得對應輻照度；當灰度大于及等于基準灰度時，光通量處于調節狀態。

光通量調節，具體由伺服控制單元進行圖像灰度與基準灰度比較，產生伺服控制信號，圖像灰度由灰度分析單元以實時工作的方式獲取。灰度分析單元工作在實時工作方式，主要用于實時控制過程，該單元也可工作在事后方式，主要用于黑體觀測、目標觀測所獲取圖像的高精度處理，用于調光量化關系建立和觀測輻照度數據獲取。

伺服控制信號產生后，由調光執行模塊進行光通量調節，分別由伺服電機、調光傳動單元、變密度盤執行完成。伺服電機用于接收調光控制模塊的伺服控制信號，在該信號驅動下運轉；調光傳動單元用于將伺服電機運轉產生驅動力傳送至變密度盤；變密度盤用于在調光傳動單元驅動下轉動對光通量進行調節。

調光執行模塊中的變密度盤的工作波段，與待獲取的紅外觀測輻照度波段相一致。

在目標觀測過程中，需由同步記錄模塊進行信息記錄與同步控制，由軸角編碼器、圖像存儲器、同步控制單元完成。軸角編碼器用于記錄變密度盤轉動，將變密度盤的調光量體現于軸角編碼器值；圖像存儲器用于記錄紅外觀測圖像，將紅外觀測輻照度體現于圖像灰度值；同步控制單元用于控制軸角編碼器、圖像存儲器同步工作，并用調光量化關系以同步信息記錄觀測輻照度。

同步控制單元需要與信息記錄的有關單元相連，對于調光控制模塊及調光執行模塊，通過與同步控制單元相連，則能夠更加穩定、可靠地工作。

目標觀測中，用調光模塊改變光通量使目標灰度處于基準灰度，同步獲取軸角編碼器值，用軸角編碼器值及黑體溫度對應關系，獲取紅外觀測輻照度值等效為相應黑體觀測輻照度值。利用對應的軸角編碼器值及黑體灰度，查詢軸角編碼器值對應的照度值，作為紅外觀測輻照度結果。

在軸角編碼器、圖像灰度值在查詢索引值時，則以線性插值的方法進行數據插值，并同時對觀測輻照度值進行插值獲取。調光量化關系建立時的數據越密集，則插值引起的誤差越小。采用有效的插值方法，可以較好減小誤差。

單次調光量化關系建立后，在獲取目標觀測輻照度時進行多次應用，其應用效果及數據精度，取決于應用條件與調光量化關系建立條件的一致性程度。

實施例

采用本發明所述的紅外觀測輻照度自動量化調光裝置及方法，獲取目標觀測輻照度數據。

首先，利用標準黑體，建立軸角編碼、圖像灰度、觀測輻照度之間的調光量化關系，具體表示為如下調光量化對應值及查詢索引，如表1。為簡化說明，僅建立10組對應值，實際中建立數據遠遠大于此數量。

表1調光量化關系表

表1為軸角編碼器、黑體灰度、黑體溫度、黑體觀測輻照度數據列表，軸角編碼器所在行，為處于最大光通量狀態A6及以依次減小至最小光通量狀態A1；對應黑體圖像灰度H1直至增大至基準灰度H5，之后灰度保持H5不變；黑體溫度對應數據由T1逐步增大至T10，計算相應觀測輻照度獲得M1至M10。

然后，進行目標觀測。

獲取目標觀測輻照度時，先設置基準灰度，則獲得目標圖像灰度為基準灰度H5，獲取此時目標觀測輻照度對應軸角編碼器值為An。

接下來，處理獲取目標觀測輻照度。