阅读说明：本技术 基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置 (Method and device for inverting target infrared radiation image based on measured data ) 是由 李朝晖 李刚 张迪 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置,该方法包括：采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；根据红外成像系统的黑体标定曲线以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值,得到红外辐射图像中每个像素点的温度；采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数,对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正,得到每个像素点的修正后的温度；根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；根据每个像素点的修正后的电压值,获取修正后的红外辐射图像。克服了传统的模型解算法得到的目标图像数据不真实,以及传统的实测法存在的测量误差等缺陷。(The invention provides a method and a device for inverting a target infrared radiation image based on measured data, wherein the method comprises the following steps: acquiring an infrared radiation image of a target object by adopting an infrared imaging system; obtaining the temperature of each pixel point in the infrared radiation image according to a black body calibration curve of the infrared imaging system and the measured voltage value of each pixel point in the infrared radiation image; performing inversion correction on the temperature of each pixel point in the infrared radiation image by adopting a Fourier transform function, a modulation transfer function and an inverse Fourier transform function of an infrared imaging system to obtain the corrected temperature of each pixel point; acquiring a corrected voltage value of each pixel point according to the corrected temperature of each pixel point; and acquiring a corrected infrared radiation image according to the corrected voltage value of each pixel point. The defects that target image data obtained by a traditional model solution algorithm is not real, and measuring errors exist in a traditional actual measurement method are overcome.)

基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置

技术领域

本发明属于红外物理学领域，具体涉及一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置。

背景技术

目标红外热辐射经大气传输后，进入到红外成像系统，红外成像系统将目标的红外辐射信号转化为电信号，以供红外成像系统的信号处理机对目标红外辐射信息进行后处理。在不考虑大气效应和其他效应扰动的前提下，由于红外成像系统自身效应的影响，红外成像仪测量得到的红外辐射图像数据并非物体表面的真实辐射值，而是经过红外成像系统自身效应扰动后的值。所以要获取物体表面真实的辐射数据，必须对测量数据进行修正，修正的关键是建立修正模型，得到修正函数。但是，国内外目前对于通过目标物体实测数据、建立修正还原模型来反演目标真实红外辐射的研究内容并不多见，也鲜有类似的研究成果报道。

经科技查新，目前国内外在红外辐射成像这一领域的研究主要集中在两个方面，一个是在传统的红外场景生成技术方面，通常是基于红外辐射计算模型，根据理论计算的结果生成红外图像。由于技术水平的限制，目前所应用的红外辐射计算模型相当粗糙，计算结果与实际测量数据之间有很大误差，因此通过辐射计算模型生成的红外图像既够自然也不真实，对于后续的红外辐射探测产品的工程技术研发会产生较大的误差；另一个方面是大多都集中在利用小波分析、隐马尔科夫随机场、神经网络等理论方法研究对目标特征的提取算法，研究目标的运动、纹理、光谱等特征，基于特征去生成红外图像，也存在计算结果与实际测量数据之间有很大误差的问题。

发明内容

本发明的目的：

本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法和装置，尽可能地排除红外成像仪自身效应扰动，科学、定量、客观地给出目标本源红外图像，达到确定并提取与具体的热成像系统无关的目标本质特征的目的。

本发明的技术方案：

本发明第一方面提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，包括以下步骤：

采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；

根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；

采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；

根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；

根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。

可选的，基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法还包括：

采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；

根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。

所述根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)，包括：

标定方法是在红外热像仪工作波段λ₁～λ₂内，λ₁<λ₂，将红外热像仪工作状态参数调整到实际测量时对应的工作状态参数，测定红外热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系：

式中，V(T)为热像仪的输出电压，单位为V；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度，单位为W·cm^-2·sr^-1·μm^-1；R(λ)为红外热像仪的光谱响应度，单位：V·W^-1·cm²·sr·μm·μm^-1；λ波长，单位：μm；

当红外热像仪工作波段范围小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，可表示为

式中，λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，h为普朗克常数，单位W·s²，c为光速，单位cm·s^-1，第二辐射常数c₂＝1.438786×10⁴，单位μm·K，温度T，单位K；Δλ＝λ₂-λ₁，

当红外热像仪工作波段范围不小于预设波段范围时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系可表示为：

其中，A、B为两个常数，根据多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)，利用最小二乘法确定。

可选的，所述采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度，包括：

将红外辐射图像中每个像素点(x,y)的温度T_x,y代入普朗克公式(10)，得到目标光谱辐出度f'(x,y)；

根据式(7)，对目标光谱辐出度f'(x,y)进行傅立叶变换，得到变换后的频谱域函数F'(u,v)；

将根据式(8)，对变换后的频谱域函数F'(u,v)除以对应的MTF，得到修正的频谱数据F(u,v)；

根据式(9)，对修正的频谱数据F(u,v)进行傅立叶逆变换，每个像素点的修正后的温度f(x,y)；其中，

F(u,v)＝MTF(u,v)^-1×F'(u,v) (8)

式中，MTF(u,v)为红外成像系统对应的调制传递函数，x为像素点在红外辐射图像中的横坐标，y为像素点在红外辐射图像中的纵坐标；M，N分别对应红外辐射图像的最大横坐标和最大纵坐标位置；M和N为正整数，第一辐射常数c₁＝3.741832×10⁴，单位W·cm^-2·μm⁴，u、v分别为红外成像系统中探测器的水平方向和垂直方向的空间频率。

可选的，MTF(u,v)＝MTF_Optics·MTF_detector·MTF_Signal为调制传递函数；

其中，MTF_Signal代表红外成像系统中信号处理模块的调制传递函数，MTF_Detector代表红外成像系统中探测器模块的调制传递函数；MTF_Optics代表红外成像系统中光学系统模块的调制传递函数，

式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差，单位：mm；

式中α、β分别为探测器模块的水平宽度和垂直宽度，单位：mm；Δ_h,Δ_v分别为相邻两帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔，单位：mm，

MTF_Signal＝[1+(u/f₀)²]^-1/2

式中f₀为空间频率域的3dB频率。

可选的，所述采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，包括：

在采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像之前和之后，采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度；

黑体孔径尺寸大于或等于红外热像仪接受辐射能量的视场立体角。

本发明第二方面提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置，用于执行上述第一方面中的方法，具有相同和相似的技术手段和技术效果。

本发明提供的基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置，包括：

红外辐射图像获取模块，用于采用红外成像系统获取目标物体的红外辐射图像；

温度获取模块，用于根据红外成像系统的黑体标定曲线V(T)以及红外辐射图像中每个像素点的测量电压值，得到红外辐射图像中每个像素点的温度；

修正模块，用于采用傅立叶变换函数、红外成像系统的调制传递函数和傅立叶反变换函数，对红外辐射图像中每个像素点的温度进行反演修正，得到每个像素点的修正后的温度；

电压值获取模块，用于根据每个像素点的修正后的温度获取每个像素点的修正后的电压值；

修正图像获取模块，用于根据每个像素点的修正后的电压值，获取修正后的红外辐射图像。

可选的，基于实测数据反演目标红外辐射图像的装置还包括：

黑体标定曲线获取模块，用于采用红外成像系统中的红外热像仪测量多组黑体温度，得到多组黑体温度数据T以及对应的电压值V(T)；

根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V(T)，通过曲线拟合的算法进行逼近，得到红外热像仪的黑体标定曲线V(T)。

本发明的优点：

本发明中红外辐射数据反演的具体步骤是先在红外图像测量数据和其对应的辐射值之间进行映射，然后将对应出来的辐射数据进行修正，从而得到真实辐射数据。红外成像设备测量所得到的数据并非物体表面的真实辐射数据，而是经过成像系统作用后的电平值。从测量数据得到目标物体真实辐射值是红外辐射测量的逆过程，所以对测量数据修正的步骤和成像的过程是相反的。由红外测量得到的输出电平数据经过映射后得到的是经过成像系统扰动还没有转化为电平数据的辐射值，这一步就是数据标定；将经过标定得到的数据进行信号处理效应反演、探测器效应反演和光学系统效应反演，得到成像系统效应修正后的辐射数据。

本发明通过构建红外成像系统的调制传递函数(MTF)，并借助于黑体试验标定方法给出了热成像系统电平信号输出转换为目标表观辐射数据，克服了传统的模型解算法得到的目标图像数据不真实，以及传统的实测法存在的测量误差等缺陷。

本项发明技术和其中的计算方法并不局限于具体的、特定的数据，而是根据从测量的序列图像数据，并利用反演和重构的方法，确定目标本源红外特征数据，从而为研究如何提取弱示目标信号的本质特征、研究红外探测技术、建立红外目标特征模型、解决目标探测图像解析提供了方法；其研究成果可为机载/弹载红外成像制导、侦察、探测提供基础研究数据，并为机载光电系统设计、优化和性能评估提供了有效的技术途径。

附图说明

图1为红外图像数据反演修正原理图；

图2为热像仪标定曲线；

图3为一种热像仪标定曲线；

图4为红外辐射图象示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，即在试验中通过红外热像仪实测获取的目标成像数据，并结合修正还原模型，反演受到成像系统效应影响的目标物体表面真实红外辐射数据，得到目标的红外辐射图像。利用试验实测得到的数字图像反演目标本源红外辐射特性的方法，尽可能地排除红外成像仪自身效应扰动，科学、定量、客观地给出目标本源红外图像，达到确定并提取与具体的热成像系统无关的目标本质特征的目的。

图1为红外图像数据反演修正原理图，结合图1，基于实测数据反演目标红外辐射图像的方法，包括以下步骤：

标定红外热像仪步骤，将实际测量获得的目标物体辐射信号电压值转换为等效黑体温度，在实验室条件下，测量多组黑体温度，根据多组黑体温度数据T以及对应的电平值V，多组黑体温度数据之间的电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近，最终得到黑体标定曲线V(T)；

成像效应修正步骤，根据黑体标定曲线V(T)对已测图像进行标定后得到已测图像每个点对应的V(T_x,y)，其中T_x,y为已测图像每个点的坐标值x,y根据黑体标定曲线V(T)得到的对应的黑体标定温度，并使T_x,y＝f'(x,y)，将标定后数据根据式(7)进行傅立叶变换，然后根据式(8)对于变换后的频谱域函数除以对应的MTF；最后根据式(9)将修正的频谱数据进行傅立叶逆变换，即可完成标定后数据的成像效应修正。

F(u,v)＝MTF(u,v)^-1×F'(u,v) (8)

式中，f(x,y)为未经过成像效应的数据；f'(x,y)为经过成像效应作用后的数据，也是实测数据经过标定后的数据；F(u,v)为f(x,y)对应的傅立叶频谱；F'(u,v)为f'(x,y)对应的傅立叶频谱；MTF(u,v)为成像系统对应的调制传递函数，x，y分别对应红外视场的横坐标和纵坐标位置；M，N分别对应红外视场的最大横坐标和最大纵坐标位置。

利用试验室黑体对红外热像仪的信号输出电平与对应的表观温度进行标定，所谓黑体就是指：在任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体，也即是说黑体的反射率和透过率均为零，吸收率等于1。

进一步地，还包括构建调制传递函数(MTF)的步骤。

成像系统的MTF只和系统的状态有关，与系统输入输出数据无关，因此可以将其抽象为一个滤波器。MTF表达式可以通过具体使用的热像仪产品厂家技术说明书和产品实验资料获取，也可以通过理论建模得到。这里给出一种理论建模途径，成像系统由光学系统、探测器和信号处理等环节组成。

该步骤在标定红外热像仪之后，成像效应修正之前，

系统的MTF表达式应该由这三部分组成，分别以MTF_Signal代表信号处理模块的MTF，MTF_Detector代表探测器模块的MTF；MTF_Optics代表光学系统模块的MTF。

式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差，单位：mm

式中α、β分别为探测器模块的水平宽度和垂直宽度，单位：mm；Δ_h,Δ_v分别为相邻俩帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔，单位：mm，

MTF_Signal＝[1+(u/f₀)²]^-1/2

式中f₀为空间频率域的3dB频率；另外，上式中u、v分别为水平方向和垂直方向的空间频率，因此，成像系统总的MTF等于以上各部分的乘积：

MTF(u,v)＝MTF_Optics·MTF_detector·MTF_Signal。

所谓调制传递函数就是指：系统的输出频率调制和输入频率调制之比，该传递函数反映了系统本身的频率特性，而与系统的输入输出量值无关。成像系统效应反演修正模型：构建思路是将红外成像系统作为由一系列具有一定频率特性(空间的或时间的)子系统的合成。根据线性不变系统的卷积性质，若能得到各子系统的频率特性，则红外成像系统的频率特性也就确定了。在本项发明中，模型构建采用了调制传递函数(MTF)概念来描述子系统的频率特性，先逐个求出各子系统传递函数，再将它们相乘得到整个红外成像系统的调制传递函数(MTF)。

进一步地，步骤红外热像仪标定具体为：

标定方法是在红外热像仪工作波段λ₁～λ₂内，将红外热像仪工作状态参数调整到实际测量时对应的工作状态参数，测定红外热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系：

式中，V(T)为热像仪输出电平，单位：V；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度，单位：W·cm^-2·sr^-1·μm^-1；R(λ)为热像仪光谱响应度，单位：V·W^-1·cm²·sr·μm·μm^-1；λ波长，单位：μm；

若λ₁<λ₂，当λ₂-λ₁＝Δλ，当Δλ/λ₁<<1或Δλ/λ₂<<1时，也就是热像仪工作波段Δλ很窄时，热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，即热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系可表示为

式中，λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，普朗克常数h＝(6.626176±0.000036)×10^-34,单位W·s²，光速c＝(2.99792458±0.000000012)×10¹⁰，单位cm·s^-1，第二辐射常数c₂＝1.438786×10⁴，单位μm·K，温度T，单位K；

若Δλ不满足Δλ/λ₁<<1或Δλ/λ₂<<1时，对于热像仪工作波段较宽时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系利用下述指数函数可以得到最佳拟合效果：

通过测量多组黑体温度T₁、T₂、T₃……时热像仪对应输出的电平V(T₁)、V(T₂)、V(T₃)……，利用最小二乘法即可确定A、B两个常数，从而得出黑体温度和电压值之间的近似解析式。

进一步地，步骤1红外热像仪标定中，

在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体对热像仪进行标定，大孔径黑体即黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角。为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。

由于红外成像仪测量得到的红外辐射图像数据并非物体表面的真实辐射值，而是经过红外成像系统自身效应扰动后的值。因此，要获得物体表面真实辐射数据，必须对测量数据进行修正，修正的关键是建立成像系统效应反演修正模型，得到修正函数，即调制传递函数(MTF)；其次就是对热成像系统的输入输出进行标定。

图2为热像仪标定曲线，图3为一种热像仪标定曲线，图4为红外辐射图象示意图。参阅图1至图4，本发明内容具体实施步骤包括：

步骤1、红外热像仪标定

将实际测量获得的目标物体辐射信号电压值转换为等效黑体温度，本发明采用的方法是在实验室条件下，测量多组黑体温度，有了这些数据，其他电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近。

由于实际测量获得的目标物体辐射数据是经过信号处理器转换的电压值(一般为14位数据采样值)，而不是物体的辐射亮度。如果按照理论分析来计算目标物体的辐射亮度，需要根据普朗克公式计算出目标物体每一点的辐射能量，但必须事先知道该点的温度值和发射率，而目标体上的每一点实际温度和发射率在实际测量中是很难准确获取的，因而无法直接利用普朗克公式计算目标体的辐射能量。本发明假定经红外成像仪测量得到的输出电平数据D对应于某一个具体的辐射值，而每一个辐射值又和一个具体的等效黑体温度值T对应，即输出电平数据和等效黑体温度之间存在一一对应的关系。依据这一关系可以在实验室对黑体进行辐射测量，得到在热像仪输出电平为D时对应的黑体温度T，T就是测量得到的电平数据为D所对应的等效黑体温度。

但是要完全测量每一个输出电平值所对应的黑体温度，工作量非常大，需要花费很长时间。本发明采用的方法是在实验室条件下，测量多组黑体温度，有了这些数据，其他电平值对应的黑体温度值可以通过曲线拟合的算法进行逼近。

为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。标定方法是在热像仪工作波段(λ₁～λ₂)内，将热像仪工作状态参数调整到测量时对应的工作状态参数，测定热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系，参见图2。

为了将辐射温度和电压数据进行对应，必须在试验前和试验后的时间段内用大孔径黑体(即，黑体孔径尺寸大于或等于红外成像仪接受辐射能量的视场立体角)对热像仪进行标定。标定方法是在热像仪工作波段(λ₁～λ₂)内，将热像仪工作状态参数调整到测量时对应的工作状态参数，测定热像仪输出电平V(T)与黑体温度T之间的关系。

式中，V(T)为热像仪输出电平(单位：V)；L(λ，T)为黑体光谱辐射亮度(单位：W·cm^-2·sr^-1·μm^-1)；R(λ)为热像仪光谱响应度(单位：V·W^-1·cm²·sr·μm·μm^-1)；λ波长(单位：μm)。

当λ₁-λ₂＝Δλ同λ₁或λ₂相比很小时，也就是当Δλ/λ₁<1或Δλ/λ₂<1时，也就是热像仪工作波段Δλ很窄时，可以认为热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系是指数关系，即热像仪输出电平V(T)同黑体温度T的关系可表示为

式中，λ₀＝(λ₁+λ₂)/2，普朗克常数h＝(6.626176±0.000036)×10^-34(W·s²)，光速c＝(2.99792458±0.000000012)×10¹⁰(cm·s^-1)，第二辐射常数c₂＝1.438786×10⁴(μm·K)，温度T(K)。

对于热像仪工作波段较宽时，当Δλ/λ₁>1且Δλ/λ₂>1时，热像仪输出电平V(T)与黑体温度T的关系利用下述指数函数可以得到最佳拟合效果：

通过测量不同黑体温度T₁、T₂、T₃……时热像仪对应输出的电平V(T₁)、V(T₂)、V(T₃)……(通常为5组或5组以上)，利用最小二乘法即可确定A、B两个常数，从而得出黑体温度和电压值之间的近似解析式。

具体事例：表1是某型号热像仪进行标定测量的电平值和黑体温度的对应表。图3为标定数据对应的标定曲线。

表1热像仪标定数据

电平值(DL)	黑体温度(℃)
		342	8.2
393	22.2
		647	36.8
995	66.3
		1846	118.9

步骤2、调制传递函数(MTF)构建

成像系统的MTF只和系统的状态有关，与系统输入输出数据无关，因此可以将其抽象为一个滤波器。MTF表达式可以通过具体使用的热像仪产品厂家技术说明书和产品实验资料获取，也可以通过理论建模得到。这里给出一种理论建模途径，如图1所示，成像系统由光学系统、探测器和信号处理等环节组成。

因此，系统的MTF表达式应该由这三部分组成，分别以MTF_Signal代表信号处理模块的MTF，MTF_Detector代表探测器模块的MTF；MTF_Optics代表光学系统模块的MTF。

式中σ是由像差引起的弥散斑能量高斯分布标准偏差(单位：mm)。

式中α、β分别为探测器的水平宽度和垂直宽度(单位：mm)；Δ_h,Δ_v分别为相邻俩帧之间的水平偏移和垂直偏移采样间隔(单位：mm)。

MTF_Signal＝[1+(u/f₀)²]^-1/2

式中f₀为空间频率域的3dB频率；另外，上式中u、v分别为水平方向和垂直方向的空间频率。因此，成像系统总的MTF等于以上各部分的乘积：

MTF(u,v)＝MTF_Optics·MTF_detector·MTF_Signal

步骤3、成像效应修正

电平数据经过步骤1标定转换成目标的表现黑体温度后，就可以对其进行修正。按照红外成像物理原理，目标真实的辐射数据经过式(4)，(5)，(6)就转换为实际测量得到的目标红外辐射数据。

F'(u,v)＝MTF(u,v)×F(u,v) (5)

式中，f(x,y)为未经过成像效应的数据；f'(x,y)为经过成像效应作用后的数据，也是实测数据经过标定后的数据；F(u,v)为f(x,y)对应的傅立叶频谱；F'(x,y)为f'(x,y)对应的傅立叶频谱；MTF(u,v)为成像系统对应的调制传递函数，x，y分别对应红外视场的横坐标和纵坐标位置；M，N分别对应红外视场的最大横坐标和最大纵坐标位置。

要对标定后的数据进行成像修正，就必须按照式(4)，(5)，(6)描述的物理过程所对应的逆过程进行处理。首先，将标定后数据进行傅立叶变换，然后对于变换后的频谱域函数除以其对应的MTF；最后将修正的频谱数据进行傅立叶逆变换，即可完成标定后数据的成像效应修正，整个过程如式(7)～(9)。

F(u,v)＝MTF(u,v)^-1×F'(u,v) (8)