用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法

1.本发明涉及红外相机技术领域，特别是涉及一种用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法。


背景技术：

2.空中目标的红外光谱辐射特性是对目标进行光电探测、识别和跟踪的重要依据之一，对空中目标红外辐射特性的研究在深化目标隐身技术、探测隐身目标和提高红外探测器工作效率方面都有着非常重要的研究价值。空中目标不同于空间目标，其飞行的环境条件和飞行状态具有复杂性和多变性，并且蒙皮和高温尾焰在不同波段的红外辐射特性差异很大，所以研究不同探测平台中探测器接收的多波段目标红外辐射特性对于提高红外探测器在不同工作环境中的探测效率具有非常重要的意义。
3.红外探测器利用红外辐射进行成像，红外的应用分为短波红外、中波红外和长波红外三大类。短波红外利用目标反射环境中普遍存在的短波红外辐射，在分辨率和细节上类似于可见光图像。长波、中波红外成像利用室温目标自身发射的热辐射，用于各种红外热视设备。红外线是一种肉眼不可见的光线，又称为红外热辐射。红外辐射本质是一种电磁辐射，在物理学上定义波长在0.75~1000um的电磁波。红外辐射的波长介于可见光和微波之间，其短波与可见光波段的红光相邻，长波段与微波相接。红外辐射虽然不能直接被人眼感知，但它却是自然界中最广泛存在的辐射之一。任何温度在绝对零度（-275.15℃）以上的物体都会源源不断的向外辐射包括红外辐射在内的全谱段辐射信号，辐射能力的大小与物体表面的温度和材料的特性有关，温度越高，辐射的能量越大。
4.红外焦平面阵列是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件，红外焦平面阵列的工作机理就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。焦平面阵列材料某些物理性质会随着温度变化发生改变，通过测量这些物理性质的变化就可以测出材料吸收辐射的大小。热探测器利用的热效应，热吸收与入射辐射的波长无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可以观测到热敏单元的温度变化。红外焦平面阵列器材利用微电子工艺集成电路技术，集红外探测器和信号处理电路于一体。积分时间是指红外焦平面成像系统探测器像元累计辐射信号产生电荷的时间。对于红外焦平面探测器，有很多性能参数与积分时间有关，如系统的输出电压、响应率、噪声和探测率等，选择适当的积分时间对系统整体性能有很大的影响。增益是指电信号的放大倍数，直接决定了输出图像的明暗程度。
5.在辐射特性测量的过程中，为了能够获得准确的观测数据，需要避免出现目标在图像中出现过饱和与欠饱和的情况，因此需要根据具体情况实时去调整红外相机的积分时间，保证目标在图像中的灰度处于一个可利用的范围。目前在工程实践中所采用的方法多数是通过人工对红外相机成像情况进行判断，根据图像中目标灰度的情况手动调整相机的积分时间。这种调整方式在实践中所暴露出来的问题也非常巨大，比如人工判断误差大，手动切换积分档位有延迟，对目标的测量有很大的影响，可能会出现饱和图像，导致特性测量
失败等，因此亟需一种积分时间自动调整方法对红外相机进行自动控制。
6.目前有一些相关的相机积分时间控制方法，不需要连接上位机，而根据曝光度自动调整积分时间。
7.专利cn1632688提出一种自动曝光实现方法，包括:a.判断当前图像亮度值是否位于设定的期望图像亮度值阈值内，若是，则成像器以当前图像的曝光时间和电子增益值实现曝光；继续步骤b.根据当前图像亮度值、曝光时间和电子增益值，期望图像亮度值和成像器所能获取的最高图像亮度值，确定出一参数值，使调整后的图像曝光时间和调整后的电子增益值的乘积等于该参数值；步骤c.先将调整后的电子增益值设为期望的电子增益值，计算出调整后的图像曝光时间；再将计算出的图像曝光时间取整，计算出调整后的电子增益值；步骤d、成像器以调整后的图像曝光时间和调整后的电子增益值实现曝光。采用本发明方法能实现快速自动曝光。然而该方法的算法计算量较大，积分时间精细调节较差。
8.专利cn102523386a提出了一种基于直方图均衡化的自动曝光方法，包括采集一帧图像，并记录该帧的曝光时间、计算所采集图像的亮度均值、对所采集图像做直方图均衡化处理、计算经直方图均衡化处理后的图像的灰度均值、依据曝光时间与图像的亮度均值成正比原理，计算下一帧的曝光时间、设定曝光调整容限为等步骤。本发明解决了现有技术中拍摄主体出现曝光不足或者曝光过度的技术问题，采用直方图均衡化后的图像的灰度均值作为最优均值。该最优均值能充分反映图像的亮度特性，并且这个最优均值是动态的，能适应各种亮度环境。然而该方法利用直方图均衡化实现自动曝光，计算量较大，算法用微处理器实现需较高硬件资源。


技术实现要素：

9.为解决现有技术中相机的积分时间调整算法计算量大、调整的精细度较差，并且均是在相机内通过相机处理器完成积分时间调整，对相机处理器硬件资源要求高的问题，提供一种用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法，该方法通过实时对图像中的目标进行检测，预先设定调整灰度阈值和调整步长，当目标的最大灰度值超过设定的调整灰度阈值时会根据当前积分时间档位判断向哪个方向调整积分时间，并向红外相机发送相应的调整控制命令，相对于传统方法具有低成本、高效快速、无需专业人士操作等优点。
10.为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：一种用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法，包括以下步骤：步骤1、在上位机上设置调整灰度阈值和调整步长，所述调整灰度阈值包括上阈值和下阈值；步骤2、在红外相机采集图像并将图像实时传输至上位机后，上位机检测到图像的空中目标，并提取空中目标所在的波门区域；步骤3、上位机判断是否接收到积分时间自动调整开启指令，若是，则将红外相机的工作状态切换至自动调整状态，执行步骤4；否则，将红外相机的工作状态切换至非自动调整状态，保持红外相机的当前的积分时间和增益不变；步骤4、上位机计算所述波门区域内所有像素的最大灰度值，并将最大灰度值分别与下阈值、上阈值进行比较，当最大灰度值小于下阈值时，上位机查询红外相机的当前积分
时间并判断出其对应的当前积分时间档位，然后按照调整步长在当前积分时间档位的基础上增加积分时间档位，并通过串口通讯向红外相机发送增加后的积分时间档位对应的调整控制命令；当最大灰度值大于上阈值时，上位机查询红外相机的当前积分时间并判断出其对应的当前积分时间档位，然后按照调整步长在当前积分时间档位的基础上减小积分时间档位，并通过串口通讯向红外相机发送减小后的积分时间档位对应的调整控制命令；当最大灰度值大于下阈值且小于上阈值时，上位机保持红外相机当前积分时间档位不变；步骤5、红外相机接收上位机发送的调整控制命令后，根据调整控制命令调整积分时间与增益后重新采集图像，重复步骤2至步骤4。
11.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明的积分时间自动调整方法通过上位机设置上阈值和下阈值，一旦最大灰度值超出了上、下阈值范围，上位机将自动向红外相机发送相应调整控制命令，调整红外相机的积分时间档位，使红外相机在理想的灰度值范围内成像，在上位机中实现最大灰度值的计算以及与上、下阈值之间的比较判断，计算时间更短，速度更快，调整效率更高，且降低了对红外相机处理器硬件资源的要求；（2）本发明通过提取图像中空中目标所在的波门区域，仅在波门区域范围内进行像素的最大灰度值统计，避免了全画幅图像的背景和噪声对最大灰度值的计算造成影响，使得积分时间调整准确度与可信度更高；（3）为了能够快速的控制红外相机的动态范围，本发明在上位机中实现计算以及判断，并发送调整控制命令至红外相机，相比较于现有微处理器技术具有更高的处理能力，响应时间更短，同时，可以自由在上位机中设定上、下阈值，保证在观测不同状态不同温度的空中目标时，可以输出不同灰度范围的图像，以及可以自由设定红外相机积分时间调整档位步长的大小，实现了粗调与精调的功能，设置灵活方便，可操作性强。
附图说明
12.图1为本发明用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法的硬件结构图；图2为本发明用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法的流程图。
具体实施方式
13.下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
14.在其中一个实施例中，本发明提供一种用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法，在硬件上，如图1所示，主要包含红外相机和上位机（例如工控计算机），红外相机通过camera link向上位机传输实时图像数据，上位机通过串口向红外相机发送调整控制命令。串口通讯是一个双向通讯，例如上位机通过串口向红外相机发送查询命令，红外相机将向上位机反馈查询结果。
15.红外相机的主要材料是铟镓砷，图像分辨率有320*256和640*512两种，有制冷和非制冷两种，其探测波长范围为900至1700nm，灵敏度极高，在1100nm至1550nm波长之间量子效率大于70%，高分辨率、低噪声、体积紧凑，主要用于太阳能硅片检测与分析、弱红外成
像、天文、遥感、激光光束分析、红外辐射特性测量等领域。
16.当用红外相机观测温度不变的空中目标时，较长的积分时间相比于较短的积分时间可以获得更大的灰度值。根据这个原理可以通过改变积分时间来得到理想的图像灰度，从而有利于辐射特性的后续计算。
17.本发明的积分时间自动调整方法的流程如图2所示，红外相机分为两个工作状态：自动调整状态与非自动调整状态，并且自动调整状态与非自动调整状态之间的切换可通过上位机实现。
18.步骤1、本方法需要在开启自动调整状态前在上位机上设置调整灰度阈值和调整步长，其中调整灰度阈值包括上阈值和下阈值。
19.步骤2、红外相机开始采集图像，并且将图像实时传输至上位机，上位机接收到图像并利用目标检测算法检测到图像中的空中目标之后，上位机会自动提取空中目标所在的波门区域（目标检测会在图像中的目标上绘制一个矩形波门，波门是指套在目标上的矩形框，波门的大小可以手动调整），波门区域包括空中目标所在的区域及其周围的像素。波门区域内的像素用于后续步骤中像素灰度值的统计计算，而波门区域以外的像素不参与统计，这样做的目的是为了避免波门外的噪声点对像素统计结果的干扰。
20.步骤3、上位机判断是否接收到积分时间自动调整开启指令，如果未接收到指令，表示未开启自动调整，将红外相机的工作状态切换至非自动调整状态，这时不对红外相机的积分时间和增益做任何调整，红外相机将保持其原有的积分时间和增益不变；如果接收到了指令，表示开启了自动调整，此时将红外相机的工作状态切换至自动调整状态，并且在未取消自动调整之前，红外相机将一直处于自动调整的状态。
21.步骤4、上位机计算波门区域内所有像素的最大灰度值，计算方法是将波门区域内所有像素的灰度值进行排序，从而确定最大灰度值，然后上位机将最大灰度值分别与下阈值、上阈值进行比较，比较过程如下：判断最大灰度值是否小于下阈值，若最大灰度值小于下阈值，则上位机查询红外相机的当前积分时间（上位机通过串口向红外相机发送查询命令，红外相机根据查询命令反馈当前积分时间的值）并判断出当前积分时间所对应的当前积分时间档位，然后按照步骤1中设置的调整步长在当前积分时间档位的基础之上增加积分时间档位，并通过串口通讯向红外相机发送增加后的积分时间档位对应的调整控制命令；若最大灰度值大于下阈值，则继续判断最大灰度值是否大于上阈值，如果最大灰度值大于上阈值，则上位机按照步骤1中设置的调整步长在当前积分时间档位的基础之上减小积分时间档位，并通过串口通讯向红外相机发送减小后的积分时间档位对应的调整控制命令；如果最大灰度值处于下阈值与上阈值之间，则保持红外相机的当前积分时间和对应的增益不变，此时上位机不向红外相机发送控制命令。
22.步骤4中的积分时间档位是积分时间与增益组合而成的控制标准。积分时间和增益是两个不同的影响相机成像的因素，将其进行组合可以控制红外相机输出不同灰度值的图像。本发明中将积分时间与增益这两个变量以固定值的方式进行绑定，例如某款红外相机的积分时间调整范围是1ms~5ms，增益范围是0.1~0.5，如果将其进行取整设置，可以有积分时间1ms+增益0.1、积分时间1ms+增益0.2、积分时间1ms+增益0.3、积分时间1ms+增益0.4、积分时间1ms+增益0.5、积分时间2ms+增益0.1、积分时间2ms+增益0.2等25档积分时间档位的设置方案，当已知红外相机的当前积分时间后，根据当前积分时间可以反推出其所
属的积分时间档位。
23.调整步长是指积分时间档位之间的差值，调整步长越小，越可以精细化的控制成像效果。本方法通过设置调整步长的大小，可以精细化控制调整的积分时间档位，从而精细化调整红外相机的积分时间。
24.本方法在开启了自动调整的状态后，将一直处于判断循环阶段，当空中目标温度发生变化而导致图像灰度值发生变化时，将会自动调整积分时间与增益，使其成像处在一个理想的范围。在步骤4中，上位机同时还实时判断是否接收到积分时间自动调整取消指令，若接收到积分时间自动调整取消指令，则上位机立即结束红外相机的积分时间调整，将红外相机的工作状态从自动调整状态切换至非自动调整状态。
25.步骤5、红外相机接收上位机发送的调整控制命令后，根据调整控制命令调整积分时间与增益后重新采集图像，然后重复步骤2至步骤4。
26.本发明所提出的用于红外辐射特性测量的红外相机积分时间自动调整方法通过设置上阈值、下阈值两个阈值的方式，可以将红外相机的成像灰度值限定在一个理想的范围之内。通过计算空中目标所在波门区域内的灰度最大值，可以避免图像中噪声的影响。通过比较最大灰度值与上下阈值的大小，并判断红外相机的当前积分档位，按设定的调整步长调整积分时间和增益，使红外相机始终处于理想的动态范围。
27.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
28.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。