本发明涉及热像仪相关技术领域，尤其涉及一种热像仪辐射定标精度分析方法。
背景技术：
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。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明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。
本发明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：
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：
本发明的技术方案中，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为本发明实施例的分析方法流程图；
图2为本发明实施例的辐射亮度与dn值线性拟合直线示意图；
图3为本发明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
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。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发明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发明的这些方面。
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，其值为1.4388×104(μm·k)；t为绝对温度，单位为(k)；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。
(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。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，在实验室辐射定标中，黑体辐射源辐射面温度与黑体控制器显示温度会存在偏差，由此引入的辐射定标不确定度，不确定度大小由黑体检测报告得到。作为黑体辐射源不确定度引入最终的合成不确定度中，其相对不确定度为δ1，δ1＝2％。
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，作为不确定度引入最终的定标不确定度中，其相对不确定度为δ2，δ2＝3％。
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，在实验室辐射定标数据处理过程中，为了保证定标的准确性，提高定标精度，选取红外热像仪图像中黑体成像的中心区域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，δ3＝2％；值得注意的是，本实施例中心区域至少为4×4个像素点，具体范围由用户确定。
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，得到热像仪辐射亮度响应曲线，理论上该响应曲线应为直线，但实际中热像仪的亮度响应特性存在一定的非线性，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，δ4＝1％。
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，δ5＝1％。
(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，根据中心极限定理，其概率密度函数服从正态分布。
影响辐射定标热像仪入瞳辐射亮度不确定度来源中，δ1～δ5均指相对不确定度且相互独立。因此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为红外热像仪入瞳辐射亮度。
(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。由辐射定标可获取热像仪复原辐射亮度与图像dn值之间的对应关系。
实验中共测得9组辐亮度值以及相应的热像仪响应dn值(dn值为多个像素点dn值的均值，因而存在小数位)如下表：
表1入瞳辐射亮度与热像仪响应关系
根据最小二乘法拟合得到定标系数a、b，其公式为：
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的数学期望。
由表1中数据，根据上述公式，计算定标系数a、b和其不确定度σa、σb，二者服从正态分布：
最小二乘拟合直线如图2所示，图中的星号*为实验测得的各响应点，图中的直线为最小二乘拟合直线。从图中可以看出定标范围内热像仪的响应线性度良好，利用计算入瞳辐射亮度公式可以准确的衡量l与dn值之间的关系。
(5)得到红外测量过程中热像仪复原辐射亮度的不确定度及概率分布；
l服从为正态分布，其分布函数(fl(l))、标准差(σl)与期望(l0)分别为：
其中，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：
复原辐射亮度与dn值关系的曲线如图3所示，从图中可以看出，相对不确定度大小δl随dn值增大而减小。利用红外热像仪进行测量时，使其工作在线性区，响应的dn值越大，复原出的辐射亮度相对不确定度越小。
(6)确定所述红外热像仪实际的入瞳辐射亮度。经计算可知测量值为lm时，热像仪实际的入瞳辐射亮度l0在lm(1-δl)～lm(1+δl)区间内的置信概率为68.26％，在lm(1-2δl)～lm(1+2δl)区间内的置信概率为95.44％，在lm(1-3δl)～lm(1+3δl)区间内的置信概率为99.7％。由于复原辐亮度的精确度直接反应红外测量数据的数据质量，因而此计算过程完善了辐射定标精度对于数据质量影响的计算方法，可更有效的对红外测量成像数据的数据质量进行评价。
本发明无需大量样本实验数据，通过对传统辐射定标方法进行数据处理，获取反演红外测试数据的不确定度及其概率分布形式，进而计算反演辐射亮度的置信概率、置信区间等参数。通过分析、计算，得到辐射定标过程中的入瞳辐射亮度不确定度，并视其为正态随机分布。根据入瞳辐射亮度不确定度及其概率分布形式，以及辐射定标获取的数据，计算定标系数的不确定度，进而获取红外测量复原辐射亮度的不确定度、概率分布、置信区间等参数。可以看出，虽然辐射定标的精度无法直接评价红外测量数据的数据质量，但通过上述一系列的分析与计算，得到了热像仪复原辐射亮度的不确定度及其概率分布函数。而热像仪进行红外测量所获取的辐射亮度值的准确程度直接反应了红外测量数据的数据质量。因而此计算过程完善了辐射定标精度对于红外测试数据质量影响的评价方法，可更有效的对红外成像测量数据的数据质量进行评价，并为提高热像仪辐射传输仿真精度提供理论依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。