一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，包括以下步骤：S1：参数采集；利用高精度面源黑体作为标准参考源，使用制冷型凝视红外热像仪进行正常成像并输出数字视频；高精度面源黑体温度可调节，制冷型凝视红外热像仪积分时间可在多档设定值间切换；S2：数据处理；首先，建立制冷型凝视红外热像仪不同积分时间下，其次，设计积分时间切换逻辑和阈值；S3：多段两点标定；使用面源黑体，在不同的积分时间档位下，离线利用通用的两点定标算法计算得到校正增益值和偏移值；S4：实时优化；将S2中的积分时间切换逻辑和阈值算法，以可编程的FPGA硬件开发方式，形成程序并固化入成像电路。
1.一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：参数采集；利用高精度面源黑体(2)作为标准参考源，使用制冷型凝视红外热像仪(1)进行正常成像并输出数字视频；高精度面源黑体(2)温度可调节，制冷型凝视红外热像仪(1)积分时间可在多档设定值间切换，上位机(3)处理程序可对当前成像画面灰度均值及中心区域均值进行实时存储，从而得到不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据；
S2：数据处理；首先，建立制冷型凝视红外热像仪(1)不同积分时间下，其响应与外界辐射的关系，采用上位机(3)程序拟合此关系曲线，其次，设计积分时间切换逻辑和阈值；
S3：多段两点标定；使用高精度面源黑体(2)，在不同的积分时间档位下，离线利用通用的两点定标算法计算得到校正增益值和偏移值，并将校正增益值和偏移值固化入不同的非易失性存储空间内，在制冷型凝视红外热像仪(1)开机时，多段两点参数均转移入片上高速存储空间内，随着积分时间档位的切换，校正参数可实现实时随之切换，不存在切换延时；
S4：实时优化；将S2中的积分时间切换逻辑和阈值算法，以可编程的FPGA硬件开发方式，形成程序并固化入成像电路；此时，积分时间切换逻辑、积分时间切换阈值、多段两点参数，均与热像仪响应曲线直接对应，并固化入图像处理主通道中；
所述S2中设计积分时间切换逻辑的方法包括：①就近切换，即在当前积分时间无法适应场景使用时，无论是上调还是下调，均优先切换至临近的积分时间档位，不采取跳变切换的策略，以避免瞬时大范围切换积分时间导致的画面突变的情况，仅当切换至下一档后，仍满足新一档下积分时间切换条件，才再次进行后续切换；②双判据，即积分时间切换的时机和切换方向，综合当前实时成像灰度值分布，和当前积分时间共同判据得到；③双缓冲，即积分时间的切换，其正向一次切换和反向一次切换之间存在一定缓冲区域，避免出现判据重叠区域，从而避免了在特定情况下，不断往复切换的异常状况。
2.根据权利要求1所述的一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，其特征在于：所述S2中，设计切换阈值的方法包括：根据S1所得不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据，以实现当前外界辐射，位于当前积分时间下热像仪最佳线性响应区域的中段为目标，得到积分时间切换的最佳时机。
3.根据权利要求1所述的一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，其特征在于：所述S4中，在使用进行了所述处理的热像仪实时成像过程中，在面对不同使用场景的情况下，按照切换逻辑和切换阈值，实时调整积分时间，同时切换两点校正参数，实现动态范围自适应的功能。
一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法
技术领域
[0001] 该技术属于自适应调节领域，具体涉及一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法。
背景技术
[0002] 红外成像技术是将目标视场内各物体表面因温度或发射率不同而产生的红外辐射差异转化为可见图像的技术。在军事领域，红外成像广泛应用于对军事目标的搜索、观瞄、侦察、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统、进行光电对抗等。
[0003] 红外成像探测涉及的能量转换过程为：光学能量经光学系统汇聚后，进入焦平面阵列进行光电转换形成模拟电信号，经过滤波、运放等电子学处理后进入AD转换电路转换为数字图像信号，作为数字图像处理系统的输入，进行后续图像预处理操作。
[0004] 红外热像仪的动态范围，指其正常成像状态下，从最小响应阈值到饱和状态响应的范围。在整个能量转换过程中，动态范围受限于光电转换形成模拟电信号的大小，也即焦平面阵列储存电荷的容量。焦平面在进行光电转换时，累积电荷容量与两个因素有关，一是外界辐射强度，二是积分时间。由于外界辐射强度是客观存在，因此在给定信号处理电路的情况下，红外热像仪动态范围很大程度上取决于其当前积分时间。
[0005] 在实际使用中，存在的问题是，在外界辐射较低(如热像仪在冬季或寒冷地区使用)时，热像仪响应较低，造成信号强度弱，信噪比低，难以识别目标。反之在外界辐射较高时，热像仪响应容易饱和，无法正常成像。这些问题都源自热像仪动态范围与使用场景不匹配。
[0006] 由于工艺水平和其它因素的限制，在制冷凝视型红外热成像过程中广泛存在图像非均匀性。目前采用基于定标或基于场景的方式进行非均匀性校正，其中两点标定方式由于技术成熟，是得到最广泛工程应用的定标方式。
[0007] 由于不同积分时间下，热像仪响应曲线不同，因此同一热像仪在不同积分时间下使用时，需要重新进行两点定标。
[0008] 红外热像仪中，经过AD转换形成数字信号后，对其进行数字信号处理，可使用多种处理器，如DSP、FPGA、单片机等。其中，FPGA由于其处理器的高并行运算能力、动态位宽和易于编程扩展的特点，得到了广泛应用。本发明的实施，即基于以FPGA为核心的成像处理电路实现。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于：提供一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，解决在制冷型红外热像仪工作中，存在动态范围固定，难以适应多变场景的问题。
[0010] 本发明的技术方案如下：一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，包括以下步骤：
[0011] S1：参数采集；利用高精度面源黑体作为标准参考源，使用制冷型凝视红外热像仪进行正常成像并输出数字视频；高精度面源黑体温度可调节，制冷型凝视红外热像仪积分时间可在多档设定值间切换，上位机处理程序可对当前成像画面灰度均值及中心区域均值进行实时存储，从而得到不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据；
[0012] S2：数据处理；首先，建立制冷型凝视红外热像仪不同积分时间下，其响应与外界辐射的关系，采用上位机程序拟合此关系曲线，其次，设计积分时间切换逻辑和阈值；
[0013] S3：多段两点标定；使用面源黑体，在不同的积分时间档位下，离线利用通用的两点定标算法计算得到校正增益值和偏移值，并将校正增益值和偏移值固化入不同的非易失性存储空间内，在制冷型凝视红外热像仪开机时，多段两点参数均转移入片上高速存储空间内，随着积分时间档位的切换，校正参数可实现实时随之切换，不存在切换延时。
[0014] S4：实时优化；将S2中的积分时间切换逻辑和阈值算法，以可编程的FPGA硬件开发方式，形成程序并固化入成像电路；此时，积分时间切换逻辑、积分时间切换阈值、多段两点参数，均与热像仪响应曲线直接对应，并固化入图像处理主通道中。
[0015] 所述S2中设计积分时间切换逻辑的方法包括：①就近切换，即在当前积分时间无法适应场景使用时，无论是上调还是下调，均优先切换至临近的积分时间档位，不采取跳变切换的策略，以避免瞬时大范围切换积分时间导致的画面突变的情况，仅当切换至下一档后，仍满足新一档下积分时间切换条件，才再次进行后续切换；②双判据，即积分时间切换的时机和切换方向，综合当前实时成像灰度值分布，和当前积分时间共同判据得到。③双缓冲，即积分时间的切换，其正向一次切换和反向一次切换之间存在一定缓冲区域，避免出现判据重叠区域，从而避免了在特定情况下，不断往复切换的异常状况。
[0016] 所述S2中，设计切换阈值的方法包括：根据S1所得不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据，以实现当前外界辐射，位于当前积分时间下热像仪最佳线性响应区域的中段为目标，得到积分时间切换的最佳时机。
[0017] 所述S4中，在使用进行了所述处理的热像仪实时成像过程中，在面对不同使用场景的情况下，按照切换逻辑和切换阈值，实时调整积分时间，同时切换两点校正参数，实现动态范围自适应的功能。
[0018] 本发明的显著效果在于：本发明提出的方法使制冷型凝视热像仪可依据使用场景的变化，实时切换积分时间，从而实现动态范围的自适应调节。在面对不同季节、不同纬度、不同高低温环境等不同条件时，利用本发明提出的技术，可使热像仪具备自适应调节能力。尤其是在部分极端条件导致画面饱和或者画面对比度极差的情况下，可自适应优化成像效果，避免成像异常。
附图说明
[0019] 图1为本发明所述的一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法实施环境示意图[0020] 图中：1制冷型凝视红外热像仪、2高精度面源黑体、3上位机
具体实施方式
[0021] 一种红外热像仪高动态范围自适应调节方法，包括以下步骤：
[0022] S1：参数采集；利用高精度面源黑体2作为标准参考源，使用制冷型凝视红外热像仪1进行正常成像并输出数字视频。高精度面源黑体2温度可调节，制冷型凝视红外热像仪1积分时间可在多档设定值间切换，上位机3处理程序可对当前成像画面灰度均值及中心区域均值进行实时存储，从而得到不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据。
[0023] S2：数据处理；首先，建立制冷型凝视红外热像仪1不同积分时间下，其响应与外界辐射的关系，采用上位机3程序拟合此关系曲线，其次，设计积分时间切换逻辑和阈值。
[0024] 设计积分时间切换逻辑的方法包括：①就近切换，即在当前积分时间无法适应场景使用时，无论是上调还是下调，均优先切换至临近的积分时间档位，不采取跳变切换的策略，以避免瞬时大范围切换积分时间导致的画面突变的情况，仅当切换至下一档后，仍满足新一档下积分时间切换条件，才再次进行后续切换；②双判据，即积分时间切换的时机和切换方向，综合当前实时成像灰度值分布，和当前积分时间共同判据得到。③双缓冲，即积分时间的切换，其正向一次切换和反向一次切换之间存在一定缓冲区域，避免出现判据重叠区域，从而避免了在特定情况下，不断往复切换的异常状况。
[0025] 设计切换阈值的方法包括：根据S1所得不同外界辐射条件下，不同积分时间下，与数字图像灰度值响应对应的原始数据，以实现当前外界辐射，位于当前积分时间下热像仪最佳线性响应区域的中段为目标，得到积分时间切换的最佳时机。
[0026] S3：多段两点标定；使用面源黑体2，在不同的积分时间档位下，离线利用通用的两点定标算法计算得到校正增益值和偏移值，并将校正增益值和偏移值固化入不同的非易失性存储空间内，在制冷型凝视红外热像仪1开机时，多段两点参数均转移入片上高速存储空间内，随着积分时间档位的切换，校正参数可实现实时随之切换，不存在切换延时。
[0027] S4：实时优化；将S2中的积分时间切换逻辑和阈值算法，以可编程的FPGA硬件开发方式，形成程序并固化入成像电路。此时，积分时间切换逻辑、积分时间切换阈值、多段两点参数，均与热像仪响应曲线直接对应，并固化入图像处理主通道中。在使用进行了以上处理的热像仪实时成像过程中，在面对不同使用场景的情况下，按照切换逻辑和切换阈值，实时调整积分时间，同时切换两点校正参数，实现动态范围自适应的功能。
