一种热像仪辐射定标精度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种热像仪辐射定标精度分析方法，包括步骤有：(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数；(2)分析采用标准黑体辐射源进行辐射定标过程中影响入瞳辐射亮度的不确定度来源和各项影响量的相对不确定度大小；(3)合成入瞳辐射亮度的相对不确定度大小及概率分布形式；分析引入的不确定度分量大小，合成辐射亮度的标准差；(4)计算定标系数的不确定度大小及其概率分布形式，获取热像仪复原辐射亮度与DN值之间的对应关系；(5)得到热像仪复原辐射亮度的不确定度及概率分布；(6)确定红外热像仪实际的入瞳辐射亮度。本发明专利技术用于评价红外热像仪辐射亮度测量可靠性，提高了定标精度，改善了数据质量。

A method for the accuracy analysis of radiometric calibration of thermal imager

The invention discloses a method for the accuracy analysis of radiometric calibration of a thermal imager, including: (1) the radiation calibration experiment of infrared thermography, the determination of the radiometric calibration coefficient, and (2) the analysis of the source of uncertainty and the relative uncertainty affecting the radiance of the pupil during the radiometric calibration of the standard black body radiation source. The size of the relative uncertainty of the synthetic pupil radiance and the probability distribution form (3), the size of the uncertainty component and the standard deviation of the synthetic radiance are analyzed. (4) the uncertainty of the calibration coefficient and the probability distribution form are calculated, and the correspondence between the radiance and the DN value of the thermal imager is obtained. (5) get the uncertainty and probability distribution of the radiance of the thermal imager; (6) determine the actual pupil radiation brightness of the infrared thermal imager. The invention is used for evaluating the reliability of infrared radiant radiance measurement, improving the calibration accuracy and improving the data quality.

【技术实现步骤摘要】
一种热像仪辐射定标精度分析方法
本专利技术涉及热像仪相关
，尤其涉及一种热像仪辐射定标精度分析方法。
技术介绍
在红外热像仪测试中被测量的物理量是地面场景像元的辐射亮度L,而热像仪输出信号是图像灰度值DN,要把热像仪获取的信号转换成辐射亮度值,还需要辐射定标过程。热像仪辐射定标过程是辐射标准的传递过程，经过多级的传递过程最终将初级黑体辐射源标准传递至热像仪入瞳辐射亮度标准，获取热像仪探测器响应值与入瞳处辐射亮度的对应关系。而辐射标准传递过程中使用的各种仪器，测量的各种参数等均会引入一定的不确定度，从而影响辐射定标的精度。常用的辐射定标精度分析方法是分析辐射定标中对辐射亮度产生影响的各个参量，计算各分量的相对不确定度，并求出各个不确定度的方和根，将其作为辐射定标的定标精度。在利用热像仪进行探测时，所关心的数据是通过热像仪出的辐射亮度，其准确程度直接反应了测量质量的好坏。在进行红外数据仿真时，需要利用复原辐射亮度的不确定度及概率分布形式，得到不同辐射定标精度下仿真数据，以此进行辐射定标精度对红外测量数据后期应用的影响程度分析。显然，辐射定标的精度会影响复原辐射亮度的准确程度，但由各不确定度分量方和根所求出的不确定度如何用于红外测量数据的数据质量，目前并没有相关的分析。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种热像仪辐射定标精度分析方法，用于评价红外热像仪辐射亮度测量可靠性，提高了定标精度，改善了数据质量。本专利技术提供的一种热像仪辐射定标精度分析方法，其改进之处在于，所述分析方法包括如下步骤：(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数；(2)分析采用标准黑体辐射源进行辐射定标过程中影响入瞳辐射亮度的不确定度来源和各项影响量的相对不确定度大小；(3)根据各不确定度分量合成入瞳辐射亮度的相对不确定度大小及概率分布形式；分析对辐射亮度标准产生影响的各个因素所引入的不确定度分量大小，以其方和根的形式合成辐射亮度的标准差σi；(4)分析辐射定标过程入瞳辐射亮度相对不确定度对定标系数的影响，计算定标系数的不确定度大小及其概率分布形式，获取红外热像仪复原辐射亮度与图像DN值之间的对应关系；(5)得到红外热像仪测量过程中其复原辐射亮度的不确定度及概率分布；(6)确定所述红外热像仪实际的入瞳辐射亮度。优选的，步骤(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数，包括：将黑体置于所述红外热像仪前作为辐射标准，根据普朗克公式将黑体温度转化为黑体辐射亮度，公式为：式中，Wλ为光谱辐射出射度；C1为第一辐射常数，其值为3.7415×104(W·cm-2·μm4)；λ为波长；C2为第二辐射常数，其值为1.4388×104(μm·K)；T为绝对温度；W0为辐射出射度在某一波段的积分；λ1为积分波段波长下限；λ2为积分波段波长上限；ελ为光谱发射率；e为自然底数；由于黑体的光谱发射率为常数，故：所述黑体在红外热像仪工作波段的辐射亮度为：L0＝W0/π；将已知辐射亮度的黑体对所述红外热像仪进行照射，获取多个辐射亮度等级下所述红外热像仪的响应值，再对二者进行线性拟合，公式为：L0＝b×DN+a；式中，L0为红外热像仪实际的入瞳辐射亮度；DN为在固定亮度下图像像元的灰度值；a、b为定标系数。较优选的，不确定度来源包括黑体辐射源准确性、红外热像仪输出信号误差引入的不确定度、红外热像仪面均匀性引起的不确定度、线性拟合引起的不确定度和定标系统杂散光引入的不确定度；其中：分析所述黑体辐射源准确性时，不确定度大小由黑体检测报告得到，其相对不确定度为δ1；分析所述红外热像仪输出信号误差引入的不确定度时，红外热像仪的探测器根据入射光辐射亮度的大小输出响应的电平值，而红外热像仪输出示值为经过数字量化后的灰度值，量化过程产生误差，引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ2；分析所述红外热像仪面均匀性引起的不确定度时，其不同像元对相同辐射亮度的辐射的响应度存在差异，选取红外热像仪图像中黑体成像的中心区域(至少为4×4个像素点，具体范围由用户确定)DL值取平均作为响应DL值，引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ3；分析所述线性拟合引起的不确定度时，获取红外热像仪对不同温度黑体的响应DL值后，根据黑体温度计算相应的辐射亮度值，并将红外热像仪响应DL值与红外热像仪入瞳处的辐射亮度值进行线性拟合，得到红外热像仪辐射亮度响应曲线，其非线性处引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ4；分析所述定标系统杂散光引入的不确定度时，杂散光的反射光亮度引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ5。较优选的，步骤(3)中，求取所述入瞳辐射亮度的相对不确定度大小的公式为：标准不确定度的计算公式为：σL0＝δL0×L；式中，L为热像仪测量入瞳辐射亮度。较优选的，步骤(4)计算定标系数的不确定度大小及其概率分布形式，包括：根据最小二乘法拟合得到定标系数a、b，其公式为：其中：标定系数b服从正态分布，其标准差与数学期望为：标定系数a服从正态分布，其标准差与数学期望为：上述公式中，N为辐射定标实验中测量的辐射亮度与图像灰度值关系的测量点个数；DN为各测量点测量的图像灰度值；σb为标定系数b的标准差；b0为标定系数b的数学期望；Lci为各测量点对应的辐射亮度值；L0i为Lci的数学期望；σa为标定系数a的标准差；a0为标定系数a的标准差。较优选的，步骤(5)得到红外测量过程中红外热像仪复原辐射亮度的不确定度及概率分布，计算公式为：式中，fl(L)为红外热像仪复原辐射亮度的概率分布函数；σL为红外热像仪复原辐射量度的标准差；L0为红外热像仪的复原辐射亮度；复原辐射亮度的相对不确定度大小为：本专利技术的技术方案中，不需要开展大量测试的实验，对于引入不确定度的各分量概率分布不需要开展庞大的概率分布统计实验。通过分析定标过程中各产生不确定度因素对于入瞳辐射亮度的影响，计算定标系数的不确定度及概率分布形式，最终得到红外测量过程中所复原出入瞳辐射亮度的置信概率、置信区间等能更有效评价红外测量数据质量的参数。对于不同辐射定标精度下的热像仪的数据仿真具有指导意义。附图说明图1为本专利技术实施例的分析方法流程图；图2为本专利技术实施例的辐射亮度与DN值线性拟合直线示意图；图3为本专利技术实施例的复原辐射亮度相对不确定度随DN变化曲线示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本专利技术进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本专利技术的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本专利技术的这些方面。本实施例提供的一种热像仪辐射定标精度分析方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤：(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数。本实施例采用基于标准黑体辐射源的辐射定标为例，黑体置于热像仪前作为辐射标准，由于热像仪输出电平与黑体辐射亮度成正比，首先根据普朗克公式将黑体温度转化为黑体辐射亮度，公式为：式中，Wλ为光谱辐射出射度，单位为(W·cm-2·μm-1)；C1为第一辐射常数，其值为3.7415×104(W·cm-2·μm4)；λ为波长，单位为(μm)；C2为第二辐射常数，其值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热像仪辐射定标精度分析方法，其特征在于，所述分析方法包括如下步骤：(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数；(2)分析采用标准黑体辐射源进行辐射定标过程中影响入瞳辐射亮度的不确定度来源和各项影响量的相对不确定度大小；(3)根据各不确定度分量合成入瞳辐射亮度的相对不确定度大小及概率分布形式；分析对辐射亮度标准产生影响的各个因素所引入的不确定度分量大小，以其方和根的形式合成辐射亮度的标准差σi；(4)分析辐射定标过程入瞳辐射亮度相对不确定度对定标系数的影响，计算定标系数的不确定度大小及其概率分布形式，获取红外热像仪复原辐射亮度与图像DN值之间的对应关系；(5)得到红外热像仪测量过程中其复原辐射亮度的不确定度及概率分布；(6)确定所述红外热像仪实际的入瞳辐射亮度。

【技术特征摘要】
1.一种热像仪辐射定标精度分析方法，其特征在于，所述分析方法包括如下步骤：(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数；(2)分析采用标准黑体辐射源进行辐射定标过程中影响入瞳辐射亮度的不确定度来源和各项影响量的相对不确定度大小；(3)根据各不确定度分量合成入瞳辐射亮度的相对不确定度大小及概率分布形式；分析对辐射亮度标准产生影响的各个因素所引入的不确定度分量大小，以其方和根的形式合成辐射亮度的标准差σi；(4)分析辐射定标过程入瞳辐射亮度相对不确定度对定标系数的影响，计算定标系数的不确定度大小及其概率分布形式，获取红外热像仪复原辐射亮度与图像DN值之间的对应关系；(5)得到红外热像仪测量过程中其复原辐射亮度的不确定度及概率分布；(6)确定所述红外热像仪实际的入瞳辐射亮度。2.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤(1)进行红外热像仪辐射定标实验，确定辐射定标系数，包括：将黑体置于所述红外热像仪前作为辐射标准，根据普朗克公式将黑体温度转化为黑体辐射亮度，公式为：式中，Wλ为光谱辐射出射度；C1为第一辐射常数，其值为3.7415×104(W·cm-2·μm4)；λ为波长；C2为第二辐射常数，其值为1.4388×104(μm·K)；T为绝对温度；W0为辐射出射度在某一波段的积分；λ1为积分波段波长下限；λ2为积分波段波长上限；ελ为光谱发射率；e为自然底数；由于黑体的光谱发射率为常数，故：所述黑体在红外热像仪工作波段的辐射亮度为：L0＝W0/π；将已知辐射亮度的黑体对所述红外热像仪进行照射，获取多个辐射亮度等级下所述红外热像仪的响应值，再对二者进行线性拟合，公式为：L0＝b×DN+a；式中，L0为红外热像仪实际的入瞳辐射亮度；DN为在固定亮度下图像像元的灰度值；a、b为定标系数。3.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，不确定度来源包括黑体辐射源准确性、红外热像仪输出信号误差引入的不确定度、红外热像仪面均匀性引起的不确定度、线性拟合引起的不确定度和定标系统杂散光引入的不确定度；其中：分析所述黑体辐射源准确性时，不确定度大小由黑体检测报告得到，其相对不确定度为δ1；分析所述红外热像仪输出信号误差引入的不确定度时，红外热像仪的探测器根据入射光辐射亮度的大小输出响应的电平值，而红外热像仪输出示值为经过数字量化后的灰度值，量化过程产生误差，引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ2；分析所述红外热像仪面均匀性引起的不确定度时，其不同像元对相同辐射亮度的辐射的响应度存在差异，...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷浩，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11