專利名稱：一種可伸縮可控溫的u形邊框黑體視場光闌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測器陣列Gnfrared Focal Plane Arrays, IRFPA)具有結(jié)構(gòu)簡單、 探測能力強、功耗低、幀頻高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在紅外搜索系統(tǒng)、機載前視紅外系統(tǒng)、成像導引頭和成像跟蹤系統(tǒng)中得到廣泛的應用。IRFPA根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是線陣， 一類是凝視型面陣。其中，凝視型面陣探測器由于省去了結(jié)構(gòu)復雜的光機掃描結(jié)構(gòu)，得到越來越廣泛的應用。由于IRFPA中成千上萬個探測元對于同一輻射輸入的光電響應不一致，導致圖像質(zhì)量都受到固定背景噪聲(Fixed Pattern Noise, FPN)的污染，也就是所謂的非均勻性。 非均勻性通常表現(xiàn)為空間上隨機分布、時間上集中于低頻的固定模式噪聲，它會隨著工作條件變化而緩慢漂移，并且隨著工作時間的延長而加重。非均勻性噪聲嚴重影響了系統(tǒng)的成像性能，降低了系統(tǒng)的溫度分辨率。利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)對凝視型IRFPA的非均勻性進行校正(Norumiformity Correction, NUC)，可以使均勻性很差的凝視型IRFPA獲得滿意的視覺效果和自適應的補償?shù)臏仄肼?，從而提高熱成像系統(tǒng)的溫度分辨率，具有巨大的應用價值和實際意義。紅外成像系統(tǒng)的輻射定標主要包括相對輻射定標和絕對輻射定標兩個部分。其中絕對輻射定標是將探測單元的數(shù)字化輸出信號值轉(zhuǎn)換成具有一定物理含義的表征量(輻亮度或溫度等)。對于紅外測溫熱像儀來說，其絕對輻射定標按定標階段可以分為出廠定標和動態(tài)定標兩大類，出廠定標是指儀器出廠時設(shè)定一個圖像灰度與目標溫度之間對應關(guān)系的查找表，但是熱像儀工作一段時間后，會發(fā)生工作點的漂移，導致測溫不準，所以用動態(tài)定標來補償與修正出廠查找表。對于空間紅外相機來說，其絕對輻射定標一般按定標階段分為發(fā)射前定標和在軌定標，在軌定標又可分為星上定標、交叉定標和場地定標等。當前需要黑體參考源進行周期性校正的工作模式現(xiàn)在許多高檔的紅外熱像儀中都設(shè)置有高低溫黑體，通過光路切換等方式使 IRFPA對黑體成像，由此獲得兩點校正的參數(shù)；普通的紅外熱像儀一般也在光路中安裝有可伸縮的擋板，當熱像儀發(fā)生工作點漂移時，擋板周期性地插入視場以獲取補償參數(shù)。當高低溫黑體或擋板工作時，IRFPA無法對場景成像，只能對參考源(黑體或擋板)成像，這在目標跟蹤等場合是不適宜的，可能造成目標丟失。近年來，我們研究提出一種基于U形邊框黑體視場光闌的紅外成像輻射定標與非均勻校正技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)邊框黑體視場光闌下像元的兩點校正參數(shù)與幀間位移，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，完成非均勻校正，能進一步提高代數(shù)算法的校正精度；由于邊框黑體視場光闌的溫度是可控的，在非均勻校正的基礎(chǔ)上，光闌的溫度可為輻射定標提供參考，以期補償熱成像系統(tǒng)工作點的漂移，提高輻射定標的精度。該技術(shù)的基礎(chǔ)就是U形邊框黑體視場光闌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為基于邊框黑體視場光闌的非均勻校正與輻射定標提供參考源， 針對IRFPA所成圖像的非均勻性校正與輻射定標，提供一種U形邊框黑體視場光闌，該光闌插入視場時只影響視場的邊緣，為基于邊框黑體的非均勻校正及輻射定標提供基礎(chǔ)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種U形邊框黑體視場光闌，包括固定板、滑動板、夾片和控溫裝置。所述的固定板起固定滑動板的作用，同時作為傳熱裝置；其具體形狀由視場光闌所處位置的機械結(jié)構(gòu)決定，厚度??；固定板上有兩個開孔，一個開孔用于把固定板固定在紅外成像系統(tǒng)中，另一個開孔的形狀為矩形，大小跟IRFPA像面的有效面積及光學系統(tǒng)放大率有關(guān)，原則為矩形孔在IRFPA上成的像恰好覆蓋IRFPA的有效面積。所述的滑動板是邊框黑體視場光闌的核心，從形狀上看，為一個矩形少一邊的U 形與一個長條形的組合，長條形的寬度與固定板的寬度一致。滑動板在光闌中是可伸縮的。 滑動板插入視場中的U形部分上均勻噴涂有高發(fā)射率的黑體漆，U形每邊的寬度L跟IRFPA 的像元尺寸P、光學系統(tǒng)放大率β及所需遮擋的像元數(shù)c有關(guān)1 =⑴其中遮擋的像元數(shù)c的值為幀間的最大位移值(實際工程應用中一般取10-20)。所述的夾片為長條形，其寬度與固定板的寬度一致，上面有一個與固定板上用于固定的開孔大小形狀一致的開孔。夾片與固定板一起形成一個滑槽，滑動板可在滑槽內(nèi)順暢移動。邊框黑體視場光闌使用時，固定板與夾片不動，保持整個系統(tǒng)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，而滑動板可以根據(jù)需要插入與抽出視場。上述三部分均由導熱性良好的材料制造而成。所述的控溫裝置包括溫度控制器、溫度源器件和測溫器件。采用普通型號的相匹配器件即可，其中溫度源器件優(yōu)選為半導體制冷片。溫度控制器通過固定板的導熱來控制滑動板的溫度。溫度源器件用于變化溫度。測溫器件作為滑動板上溫度的反饋。本發(fā)明的邊框黑體視場光闌各組成部分的連接關(guān)系是固定板位于最底層，滑動板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動，完成U形邊框黑體在視場中的插入與縮回；夾片同樣緊貼安裝在滑動板上方，其上的開孔與固定板上的開孔位置上下對應。固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動板緊密接觸。測溫器件安裝在滑動板上。上述部分安裝在光學系統(tǒng)中?？販匮b置的溫度控制器安裝在光學系統(tǒng)外，溫度源器件和測溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。本發(fā)明的邊框黑體視場光闌適用于二次及二次以上的紅外光學系統(tǒng)，不適用于一次成像的紅外光學系統(tǒng)。邊框黑體視場光闌一般安裝在一次像面上。本發(fā)明的U形邊框黑體視場光闌的工作過程為邊框黑體視場光闌的滑動板在常溫下插入視場，紅外熱像儀采集此時邊框黑體視場光闌的響應；隨后，邊框黑體視場光闌的溫度控制器控制溫度源器件，將固定板的溫度調(diào)為高溫，固定板導熱從而使滑動板的溫度變?yōu)楦邷?，測溫器件將此時的溫度反饋給溫度控制器，采集此時邊框黑體視場光闌的響應; 隨即將U形邊框黑體視場光闌的滑動板縮回，在滑動板在滑槽中滑動時，固定板與夾片起著固定與平穩(wěn)系統(tǒng)的作用；根據(jù)熱像儀采集的數(shù)據(jù)計算邊框黑體視場光闌下像元的兩點校正參數(shù)；獲取有幀間位移的若干幀圖像；根據(jù)得到的邊框兩點校正參數(shù)及幀圖像，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，進而獲取整個視場的校正參數(shù)。有益效果本發(fā)明的U形邊框黑體視場光闌用于凝視型焦平面陣列的非均勻性校正與輻射定標，能在不影響中心視場的情況下完成非均勻校正與輻射定標。相比于當前需要參考黑體進行周期性校正的工作模式，具有快捷、自適應、系統(tǒng)小型化的優(yōu)勢，是一種全新的技術(shù)方案。通過高低溫黑體實現(xiàn)IRFPA的NUC是高性能熱成像系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，相對于現(xiàn)于常用熱成像系統(tǒng)中采用黑體擋片完成NUC處理，本發(fā)明可不遮擋中心成像視場，更有利于實際應用，具有廣闊的發(fā)展和應用前景；可用于制冷與非制冷紅外焦平面探測器熱成像系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)制造、星上紅外熱成像系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)、科學研究等領(lǐng)域。本發(fā)明由于采用具有結(jié)構(gòu)緊湊、清結(jié)的半導體制冷片，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、清結(jié)、 控溫速度快的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的焦平面陣列中邊框黑體視場光闌的工作狀態(tài)示意；a為邊框黑體視場光闌伸出時IRFPA的視場，b為邊框黑體視場光闌縮回時IRFPA的視場；圖2是具體實施方式
中固定板的機械設(shè)計圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖3是具體實施方式
中滑動板的機械設(shè)計圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖4是具體實施方式
中夾片的機械設(shè)計圖；a為側(cè)視圖，b為主視圖，c為立體圖。圖5是具體實施方式
中U形邊框黑體視場光闌三部分的組成圖；。圖6是具體實施方式
中U形邊框黑體視場光闌組合后的實物圖；圖7是具體實施方式
中U形邊框黑體視場光闌及其溫度控制器。圖8是具體實施方式
中基于U形邊框黑體視場光闌的紅外非均勻性校正方法的校正效果示意圖。a為U型邊框黑體視場光闌在低溫下插入視場，b為U型邊框黑體視場光闌在高溫下插入視場，c表示邊框黑體視場光闌縮回，對邊框下像元進行校正，d為代數(shù)算法向內(nèi)遞歸校正后的效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本實施方式中，根據(jù)光學系統(tǒng)放大率以及IRFPA的像元尺寸和所需遮擋的像元數(shù)，設(shè)計了可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌。圖1為其工作狀態(tài)示意圖，a為邊框黑體視場光闌伸出時IRFPA的視場，b為邊框黑體視場光闌縮回時IRFPA的視場。其組成部分中的固定板、滑動板、夾片的機械結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示。固定板用厚度為0. 5mm的黃銅片制成，固定板下面的矩形開孔長為12mm，寬10mm。 滑動板下方的矩形開孔長8. 2mm，寬8. IOmm0邊框黑體視場光闌插入視場后，矩形開孔的三邊各占15個像元，因為光學系統(tǒng)的放大率為1，IRFPA的像元尺寸為30 μ mX 30 μ m,所以黑體漆的有效寬度為15X 30 μ m，即0.45mm。固定板和夾片上都有一個同樣大小的開孔，用于通過螺絲固定固定板和夾片形成滑槽?；瑒影迳嫌幸粭l長形開槽使U形邊框黑體光闌可以插入與抽出視場。根據(jù)機械設(shè)計圖制作好的固定板、滑動板及夾片如圖5所示，其中固定板背部的熱源采用的是半導體制冷片，通過硅橡膠將其與固定板緊密相連。滑動板上的測溫裝置為 PT1000鉬電阻。固定板、滑動板及夾片三個部件組合后如圖6所示，相應的溫度顯示及控制裝置如圖7所示，溫度控制器通過給半導體制冷片的兩級加上不同極性的電壓，可以使其工作在制冷或制熱的模式，通過改變電壓與電流的大小可以控制邊框黑體視場光闌的溫度。在本實施例中，邊框黑體視場光闌的溫度控制范圍是20-70攝氏度。實施例下面結(jié)合實例來說時本發(fā)明的運用，采用制冷型HgCdTe紅外探測器結(jié)合U形邊框黑體視場光闌進行了測試，此種紅外探測器的非均勻性主要表現(xiàn)為斑紋狀與條紋狀，非均勻性的存在對觀察視場造成了嚴重干擾。運用U形邊框黑體視場光闌的步驟如下Si.邊框黑體視場光闌在常溫下插入視場，如圖8(a)所示，采集此時邊框黑體視場光闌在IRFPA上的響應；S2.控溫裝置將U形邊框黑體視場光闌的溫度控制為高溫(50攝氏度左右)，采集此時邊框黑體視場光闌的響應，如圖8(b)，U形邊框黑體視場光闌隨即縮回；S3.根據(jù)Sl與S2中的邊框響應，計算邊框覆蓋下像元的兩點校正參數(shù)；S4.獲取有幀間位移的若干幀圖像；S5.根據(jù)S3中的邊框兩點校正參數(shù)及S4中的圖像，將校正參數(shù)由外向內(nèi)傳遞，進而獲取整個視場的校正參數(shù)。由實施例可知，U形邊框黑體視場光闌為非均勻校正提供參考源，邊框黑體視場光闌伸出時僅遮擋部分視場，在完成非均勻校正的同時不影響中心視場的觀察。如圖8所示，圖8(a)與圖8(b)為非均勻校正前的圖像；圖8 (c)示意了校正的中間過程，對寬度為15個像元的視場四周邊框進行兩點校正后的效果，注意到兩點校正后邊框內(nèi)的場景亮度達到一致，斑紋也消除了 ；圖8(d)是采用本發(fā)明校正后的效果，圖像整體達到了均勻一致的效果，大幅度提高了圖像質(zhì)量。可以很明顯的看出，原始圖像中的條紋狀，網(wǎng)格狀，不規(guī)則斑紋狀非均勻噪聲經(jīng)過校正后都基本清除。
權(quán)利要求
1.一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，其特征在于包括固定板、滑動板、夾片和控溫裝置；所述的固定板作為傳熱裝置，厚度小；固定板上有兩個開孔，一個開孔用于把固定板固定在紅外成像系統(tǒng)中，另一個開孔的形狀為矩形，大小跟紅外焦平面探測器陣列像面的有效面積及光學系統(tǒng)放大率有關(guān)，原則為矩形孔在紅外焦平面探測器陣列上成的像恰好覆蓋紅外焦平面探測器陣列的有效面積；所述的滑動板為一個矩形少一邊的U形與一個長條形的組合；滑動板在光闌中可伸縮；滑動板插入視場中的U形部分上均勻噴涂有高發(fā)射率的黑體漆，U形每邊的寬度L跟紅外焦平面探測器陣列的像元尺寸P、光學系統(tǒng)放大率β及所需遮擋的像元數(shù)C有關(guān)L = U⑴β其中遮擋的像元數(shù)c的值為幀間的最大位移值；所述的夾片寬度與固定板的寬度一致，上面有一個與固定板上用于固定的開孔大小形狀一致的開孔；夾片與固定板一起形成一個滑槽，滑動板可在滑槽內(nèi)順暢移動；所述的控溫裝置包括溫度控制器、溫度源器件和測溫器件，采用普通型號的相匹配器件；溫度控制器通過固定板的導熱來控制滑動板的溫度；溫度源器件用于變化溫度；測溫器件作為滑動板上溫度的反饋；上述組成部分的連接關(guān)系是固定板位于最底層，滑動板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動；夾片同樣緊貼安裝在滑動板上方，其上的開孔與固定板上的開孔位置上下對應；固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動板緊密接觸；測溫器件安裝在滑動板上；上述部分安裝在光學系統(tǒng)中；控溫裝置的溫度控制器安裝在光學系統(tǒng)外，溫度源器件和測溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，其特征在于 所述的滑動板遮擋的像元數(shù)c在實際工程應用中一般取10-20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，其特征在于 所述的固定板、滑動板和夾片由導熱性良好的材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，其特征在于 適用于二次及二次以上的紅外光學系統(tǒng)，不適用于一次成像的紅外光學系統(tǒng)；一般安裝在一次像面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，其特征在于 所述的溫度源器件優(yōu)選為半導體制冷片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可伸縮可控溫的U形邊框黑體視場光闌，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。具體包括固定板、滑動板、夾片和控溫裝置；固定板位于最底層，滑動板緊貼安裝在固定板與夾片形成的滑槽上，可在滑槽內(nèi)滑動，完成U形邊框黑體在視場中的插入與縮回；夾片同樣緊貼安裝在滑動板上方，固定板的一端粘貼溫度源器件，另一端與滑動板緊密接觸，測溫器件安裝在滑動板上；溫度源器件和測溫器件的輸出端分別與溫度控制器相連。本發(fā)明用于凝視型焦平面陣列的非均勻性校正與輻射定標，能在不影響中心視場的情況下完成非均勻校正與輻射定標?？捎糜谥评渑c非制冷紅外焦平面探測器熱成像系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)制造、星上紅外熱成像系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)、科學研究等領(lǐng)域。
文檔編號G01J5/02GK102252760SQ201110164698
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者修金利, 劉崇亮, 劉秀, 徐超, 王霞, 金偉其 申請人:北京理工大學