红外观测辐照度自动量化调光装置及方法与流程

本发明涉及一种红外观测辐照度自动量化调光装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术：

随着红外光学技术的发展，利用红外传感器探测目标特性、进行状态分析与事件识别，在信息感知、机器视觉、自动控制等领域发挥的作用越来越突出。红外观测辐照度作为红外探测获取的信息，是对红外图像赋予更具本质物理意义的表征量，既可以作为观测量直接分析和识别目标，也可以与传输路径共同分析获取目标红外特性这一基本属性。但是一般的红外探测系统无法获取观测辐照度或仅适用于较小动态范围场景，无法满足红外信息探测获取日益迫切的需求。

在红外探测系统的日常应用中，一般以获取红外图像为主，通过图像信息实现运动观测、夜晚监测、异常警示等功能，如需获取观测辐照度，则通过观测距离、曝光时间等条件控制，使观测数据恰好处于图像灰度的有效范围。这种观测由于限定因素多、动态范围小，效果往往不理想。实际中，红外探测系统的应用场景和观测对象往往千差万别，而应用的时机也不是固化模式，若获取观测辐照度不能实现于各类红外探测系统，获得的红外信息则仅停留于图像或者信息不全面，导致无法获得更丰富、更本质的属性内容。

红外探测系统一般由光路、探测器和其他部件(显示、存储、控制等)组成，光路用于获取视场内景物的红外波段光信号，探测器用于光信号转换为可显示和记录的信号如电平信号或图像灰度信号。随着红外探测器的发展，目前应用中越来越多地采用红外焦平面探测器，以获取观测景物的二维红外图像，其图像灰度往往与景物在相应红外波段的信号强弱相关。对于红外图像灰度的标定，常采用相对标准的合作目标或合作场地，黑体由于发射率近于1可作为理想选择。

技术实现要素：

本发明的目的是解决红外探测系统获取目标观测辐照度时因动态范围小和图像亮度饱和而无法进行有效测量的问题，提供一种红外观测辐照度自动量化调光装置及方法。

本发明解决上述问题采用的技术方案：红外观测辐照度自动量化调光装置包括调调光执行模块1、调光控制模块2、同步记录模块3、光量化模块4、红外探测系统10，调光量化模块4分别与调光控制模块2、同步记录模块3相连，调光执行模块1、调光控制模块2、同步记录模块3依次相连；

调光执行模块1包括伺服电机6、调光传动单元7、第一变密度盘8、第二变密度盘9，伺服电机6与调光传动单元7相连后两侧分别与第一变密度盘8、第二变密度盘9相连接，通过伺服电机6接收调光控制模块2产生的伺服控制信号，在该信号驱动下进行运转，通过调光传动单元，将伺服电机6运转产生的驱动力传送至第一变密度盘8、第二变密度盘9，第一变密度盘8、第二变密度盘9嵌入在光路中，通过第一变密度盘8、第二变密度盘9对通过光路的光通量进行调节，调节时以调光传动单元驱动第一变密度盘8、第二变密度盘9转动实现；

调光控制模块2包括灰度设置单元、灰度分析单元、伺服控制单元，灰度设置单元、灰度分析单元、伺服控制单元依此连接，通过灰度设置单元，设置调光控制时的基准灰度，该基准灰度取值处于红外探测器的有效动态范围内且高于背景灰度，根据目标亮度或温度的大小设置基准灰度取值的大小将有利于观测实施，通过灰度分析单元，统计分析观测图像，获取所观测图像的图像灰度，通过伺服控制单元，比较图像灰度与基准灰度之间的差异，并根据该差异产生伺服控制信号；

同步记录模块3包括轴角编码器、同步控制单元、图像存储器，轴角编码器、同步控制单元、图像存储器依此连接，通过轴角编码器记录变密度盘的转动位置，将变密度盘的调光量体现于轴角编码器值，通过同步控制单元，对轴角编码器、图像存储器的测量信息进行同步记录控制，所述图像存储器与探测器连接，通过图像存储器，记录视场中红外目标的观测图像，将红外观测辐照度体现于图像灰度值，通过查询索引单元将轴角编码器、灰度值对应的观测辐照度作为目标的红外观测辐照度；

调光量化模块4包括程控数采单元、调光参数单元、查询索引单元，程控数采单元、调光参数单元、查询索引单元依此连接，通过程控数采单元，对黑体进行观测，分别调节黑体温度和变密度盘位置，采集黑体观测标准图像的图像灰度值和轴角编码器值获得调光量化对应值，通过调光参数单元，记录调光量化对应值，该调光量化对应值为轴角编码器数值、黑体灰度、黑体温度、黑体观测辐照度之间的对应关系参数，通过查询索引单元，建立轴角编码器索引和图像灰度索引，并通过查询上述两索引获得对应的目标观测辐照度；

红外探测系统10包括探测器5、光路，光路分别通过第一变密度盘8、第二变密度盘9和探测器5，探测器5与同步记录模块3中的图像存储器相连。

红外辐照度自动量化调光装置的调光方法步骤如下：

步骤一：通过程控数采单元，对黑体进行观测，分别调节黑体温度和变密度盘位置，采集黑体观测标准图像的图像灰度值和轴角编码器值获得调光量化对应值，通过调光参数单元，记录调光量化对应值，该调光量化对应值为轴角编码器数值、黑体灰度、黑体温度、黑体观测辐照度之间的对应关系参数，通过查询索引单元，建立轴角编码器索引和图像灰度索引，并通过查询上述两索引获得对应的目标观测辐照度；

步骤二：通过灰度设置单元，设置调光控制时的基准灰度，该基准灰度取值处于红外探测器的有效动态范围内且高于背景灰度，根据目标亮度或温度的大小设置基准灰度取值的大小将有利于观测实施，通过灰度分析单元，统计分析观测图像，获取所观测图像的图像灰度，通过伺服控制单元，比较图像灰度与基准灰度之间的差异，并根据该差异产生伺服控制信号；

步骤三：通过伺服电机6，接收调光控制模块产生的伺服控制信号，在该信号驱动下进行运转，通过调光传动单元，将伺服电机运转产生的驱动力传送至第一变密度盘8、第二变密度盘9，第一变密度盘8、第二变密度盘9嵌入在光路中，通过第一变密度盘8、第二变密度盘9对通过光路的光通量进行调节，调节时以调光传动单元驱动第一变密度盘8、第二变密度盘9转动实现；

步骤四：通过轴角编码器记录第一变密度盘8、第二变密度盘9的转动位置，将第一变密度盘8、第二变密度盘9的调光量体现于轴角编码器值，通过同步控制单元，对轴角编码器、图像存储器的测量信息进行同步记录控制，所述图像存储器与探测器连接，通过图像存储器，记录视场中红外目标的观测图像，将红外观测辐照度体现于图像灰度值，通过查询索引单元将轴角编码器、灰度值对应的观测辐照度作为目标的红外观测辐照度

本发明的有益效果：实现红外探测系统调光的定量化与自动化，利用自动量化调光装置及方法获取高动态范围的红外观测辐照度，有效克服测量动态范围小及因图像亮度饱和无法进行测量等问题，既保证了红外探测系统有效获取红外观测辐照度，又提高了红外图像成像效果。

附图说明

图1红外观测辐照度自动量化调光装置结构简图

图中：1.调光执行模块，2.调光控制模块，3.调光量化模块，4.同步记录模块，5.探测器，6.伺服电机，7.调光传动单元，8.第一变密度盘，9.第二变密度盘。

图2红外观测辐照度自动量化调光装置组成结构图

图中：1.调光执行模块，2.调光控制模块，3.调光量化模块，4.同步记录模块，10.红外探测系统。

图3红外观测辐照度自动量化调光装置调光方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。红外观测辐照度自动量化调光装置及方法，用于获取目标的红外观测辐照度，装置结构可参见附图1，组成结构如附图2，方法流程如附图3。

红外观测辐照度自动量化调光装置包括调光量化模块、调光控制模块、调光执行模块、同步记录模块。获取目标的观测辐照度时，首先利用调光量化模块，采集标准图像和轴角编码器值，建立调光量化关系。

调光量化模块包括程控数采单元、调光参数单元、查询索引单元。采集标准图像和轴角编码器值利用程控数采单元进行，获取黑体观测辐照度，分别调节黑体温度和变密度盘位置，采集相应的标准图像和轴角编码器值，获得调光量化对应值。

用程控数采单元与伺服控制单元相连，并以伺服电机驱动变密度盘，将光通量置于最大状态，调节标准黑体温度由小变大，直至使其灰度处于背景与亮度饱和之间，获取相应状态下轴角编码器值，统计对应黑体灰度。基准灰度的数值为背景灰度与饱和灰度之间的数值，以使红外探测响应处于有效的范围内。

用变密度盘逐步减少光通量至最小光通量状态，调节标准黑体温度使其灰度处于基准灰度，同步记录轴角编码器值及黑体温度。

在程序数采单元工作完成后，调光参数单元用于形成调光量化对应值，表述为轴角编码值、黑体灰度值、黑体温度、黑体观测辐照度之间的对应参数。轴角编码器用于记录变密度盘转动情况，其数值与转动位置一一对应，轴角编码器值由小变大，代表变密度盘光通量由小变大。图像灰度用于记录标准黑体成像的观测辐照度数值，观测辐照度数值变化反应在图像灰度的变化上。辐照度数值通过黑体辐射计算公式进行计算。

对于调光参数单元，需建立查询索引单元，用于建立轴角编码索引和图像灰度索引，查询上述两索引以获得对应的观测辐照度。

调光量化关系建立后，开始进行目标观测，通过调光控制模块，由灰度设置单元、灰度分析单元、伺服控制单元进行调光控制。先设置图像灰度控制参数为上述基准灰度，开始获取红外目标图像。图像灰度反映目标观测辐照度的数值，当灰度小于基准灰度时，光通量处于最大状态，获得对应辐照度；当灰度大于及等于基准灰度时，光通量处于调节状态。

光通量调节，具体由伺服控制单元进行图像灰度与基准灰度比较，产生伺服控制信号，图像灰度由灰度分析单元以实时工作的方式获取。灰度分析单元工作在实时工作方式，主要用于实时控制过程，该单元也可工作在事后方式，主要用于黑体观测、目标观测所获取图像的高精度处理，用于调光量化关系建立和观测辐照度数据获取。

伺服控制信号产生后，由调光执行模块进行光通量调节，分别由伺服电机、调光传动单元、变密度盘执行完成。伺服电机用于接收调光控制模块的伺服控制信号，在该信号驱动下运转；调光传动单元用于将伺服电机运转产生驱动力传送至变密度盘；变密度盘用于在调光传动单元驱动下转动对光通量进行调节。

调光执行模块中的变密度盘的工作波段，与待获取的红外观测辐照度波段相一致。

在目标观测过程中，需由同步记录模块进行信息记录与同步控制，由轴角编码器、图像存储器、同步控制单元完成。轴角编码器用于记录变密度盘转动，将变密度盘的调光量体现于轴角编码器值；图像存储器用于记录红外观测图像，将红外观测辐照度体现于图像灰度值；同步控制单元用于控制轴角编码器、图像存储器同步工作，并用调光量化关系以同步信息记录观测辐照度。

同步控制单元需要与信息记录的有关单元相连，对于调光控制模块及调光执行模块，通过与同步控制单元相连，则能够更加稳定、可靠地工作。

目标观测中，用调光模块改变光通量使目标灰度处于基准灰度，同步获取轴角编码器值，用轴角编码器值及黑体温度对应关系，获取红外观测辐照度值等效为相应黑体观测辐照度值。利用对应的轴角编码器值及黑体灰度，查询轴角编码器值对应的照度值，作为红外观测辐照度结果。

在轴角编码器、图像灰度值在查询索引值时，则以线性插值的方法进行数据插值，并同时对观测辐照度值进行插值获取。调光量化关系建立时的数据越密集，则插值引起的误差越小。采用有效的插值方法，可以较好减小误差。

单次调光量化关系建立后，在获取目标观测辐照度时进行多次应用，其应用效果及数据精度，取决于应用条件与调光量化关系建立条件的一致性程度。

实施例

采用本发明所述的红外观测辐照度自动量化调光装置及方法，获取目标观测辐照度数据。

首先，利用标准黑体，建立轴角编码、图像灰度、观测辐照度之间的调光量化关系，具体表示为如下调光量化对应值及查询索引，如表1。为简化说明，仅建立10组对应值，实际中建立数据远远大于此数量。

表1调光量化关系表

表1为轴角编码器、黑体灰度、黑体温度、黑体观测辐照度数据列表，轴角编码器所在行，为处于最大光通量状态A6及以依次减小至最小光通量状态A1；对应黑体图像灰度H1直至增大至基准灰度H5，之后灰度保持H5不变；黑体温度对应数据由T1逐步增大至T10，计算相应观测辐照度获得M1至M10。

然后，进行目标观测。

获取目标观测辐照度时，先设置基准灰度，则获得目标图像灰度为基准灰度H5，获取此时目标观测辐照度对应轴角编码器值为An。

接下来，处理获取目标观测辐照度。

不妨设获取An满足A4＞An＞A3，此时目标观测辐照度Mn为M7、M8之间，进行线性插值处理，取线性插值，则

Mn＝M7+[(A4-An)(M8-M7)]/(A4-A3)

现对上述公式进行具体实例具体化，赋值如下：

A3＝20.8321，A4＝30.5176，M7＝101.3，M8＝177.9，观测目标时得到的An＝25.3117，从而得到Mn＝142.5。

至此，获得目标观测辐照度。