CN103076101B - 一种红外热像仪像元点的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种红外热像仪像元点的标定方法，包括黑体辐射定标、挡板温度测量。通过黑体辐射定标，可以测得红外热成像的电压V与温度T的映射关系。通过多次挡板的实测值和计算值计算公式的推导，确定影响红外热像仪像元点测温精度n值，从而提高红外热像仪的测温精度。本发明有以下优点：1．采用挡板装置温度测量的方法，有效的提高了红外热成像测温公式中n的精度，从而提高了红外热成像测温的精度。2．通过红外探测器每个像元的精度的修正，可以有效的提高红外热成像测温的非均匀性。3．测量实验中，不用考虑挡板的发射率对实验结果的影响。4．测量实验中，不用考虑温度对实验结果的影响。

Description

一种红外热像仪像元点的标定方法

技术领域

本发明属于红外热成像测温技术领域，本发明涉及通过对红外热成像测温数据的研究，分析影响测温精度的因素，提出了对测温结果进行精度修正的办法。

背景技术

温度是确定物质状态最重要的参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用。特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要的地位。

目前，温度测量主要分为接触式和非接触式。传统的温度测量多采用接触式测量，使用热电偶、热电阻测温是接触式温度测量的主要手段，接触式测温技术已经成熟并得到了广泛应用。随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量要求越来越高。在某些场合，准确测温逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的重视。例如在不停机的情况下对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度测量;在不造成产品的污染或损坏的情况下，对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量。在这种背景下，非接触、无损测量的红外测温技术得到了长足的发展。

红外热像仪是一种利用红外探测器将看不见的红外辐射转换成可见图像的被动成像仪器。是一种直接测量物体表面温度及温度分布的分析仪器，其基本原理是通过探测物体向外辐射的能量，再根据物体的辐射系数以及辐射能量与物体表面温度的对应关系，推算出物体表面的实际温度，它将物体的热分布转换成可视图像，并在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从而得到被测目标的温度分布场。因此，根据被测样品的表面温度分布结果，可以直接发现异常的热点或热区。

红外热成像测温技术在测试领域的广泛应用，给我们带来了很大的方便，但在使用过程中，美中不足的是它在显示器上所表现出来的图像只是被测物体表面辐射温度的分布，并不是真实温度的分布。而辐射温度是在把物体表面的发射率作为1折算出来的，是一种理想状况。由于实际物体并不是黑体，表面发射率不等于1，所以有时辐射温度与真实温度相差比较大，物体表面的辐射温度分布并不能反映真实温度分布。因此降低了红外热像仪的准确性，影响了热像仪在诸多红外热像诊断技术领域中的应用.因此，研究红外热像测温原理，推导计算被测表面真实温度的通用计算公式，研究被测表面的发射率、反射率(或吸收率)，环境温度、大气温度、测量距离、大气衰减和红外探测器的等因素对测温精度的影响，对于提高热成像测温的准确性，扩大红外热成像技术的应用具有重要意义。

红外探测器通常使用的有铟锑（InSb）和锑镉汞（HgCdTe）器件，目前发展的是高性能多元HgCdTe 探测器，多元HgCdTe器件不但提高了探测度，而且可以增大视场，提高分辨率和信噪比，并可在3～5um和8～14um两个大气窗口波段下工作。然而由于工作在不同波段的探测器的温度转换的电信号能力存在一定的差异以及由于工艺的因素，对红外热成像测温计算的结果产了一定的误差，这里提出了一种方法，可以有效的对其差异进行修正，从而提高红外热成像测温的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过红外热像仪像元点的标定方法来解决减小探测器材质及工艺的因素对红外热成像测温的精确度影响。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种红外热像仪像元点的标定方法，包括下述步骤：

（1）辐射定标：环境温度设为273K，黑体温度设为273K，检测红外探测器的电压V_T其中i为探测器水平像素数，j探测器垂直像素数；步进提高黑体温度分别测得各个温度下红外探测器的电压，根据测得的电压建立红外探测器电压V_T（i，j）与黑体温度T映射关系；

（2）近距离设置一块发射率为ε为0.5左右可控温度的挡板，分别设置4个不同的温度T₀₁- T₀₄，用红外探测器测出一组V₀₁（i，j）- V₀₄（i，j）的数据，通过查辐射定标的表，得到热像仪指示的辐射温度T’₀₁（i，j）- T’₀₄（i，j）共4个温度，根据近距离测温公式 $T_0={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{{T^{\′}}_0}^n-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^n\}}^{\frac{1}{n}}$ ，代入已知数据得到 $T_{01}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 、 $T_{02}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 、 $T_{03}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 、 $T_{04}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ ；

（3）根据T₀₁和T₀₂公式得到 ${\left[\frac{T_{01}}{T_{02}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}$ ，根据T₀₃和T₀₄公式得到 ${\left[\frac{T_{03}}{T_{04}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}$ ；

（4）根据步骤（3）中公式得到 $\frac{1-{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}}{1-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}}=\frac{{{T^{\′}}_{01}}^{n(i,j)}{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{02}}^{n(i,j)}}{{{T^{\′}}_{03}}^{n(i,j)}-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{04}}^{n(i,j)}}$ ，将已知数据代入公式，计算出n(i,j)；

（5）通过步骤（4）算法采用逐步逼近的方法，可以算得红外探测器每个像元点较为精确的n（i,j）值，对每个像元点进行标定。

红外热像仪测温是靠接收被测物体表面发射的辐射来确定其温度的。通常情况下，被测物体是灰体，它的发射率小于1，也就是说它的反射率不为零，因此在实际测温时，红外探测器除了接收到被测目标自身辐射能量W_t以外，还会接收到目标反射周围环境物体辐射能量W_r，以及大气辐射能量W_a。图1为红外热像仪能够接收到的能量来源示意图。

由图1可知，热像仪所接收到的总能量W为上述几项之和，可表达为:

W(λ,T)=W_t(λ,T)+W_r(λ,T)+ (λ,T)=ετW_obj+τ(1-ε)W_sur+(1-τ)W_atm （1）

图1中，ε为物体的发射率；τ为大气的透射率;t_obj为被测物体温度；t_sur为环境温度；t_atm为大气温度;被测物体的辐射能为ετW_obj周围环境的反射辐射能为τ(1-ε)W_sur；大气辐射能为(1-τ)W_atm。

被测表面的辐射亮度为：

L_λ=ξ_λL_bλ(T₀)+ρ_λL_bλ(T_U)=ξ_λL_bλ(T₀)+(1-α_λ)L_bλ()     （2）

式（2）中第一部分为表面光谱辐射亮度，第二部分为反射的环境光谱辐射亮度。T₀为被测物体表面温度，T_U为环境温度，ε_λ为表面发射率，ρ_λ为表面反射率，α_λ为表面吸收率。

作用于热像仪的辐射照度为：

E_λ=A₀d^-2[τ_aλε_bλL_bλ(T₀)+τ_aλ(1-α_bλ)L_bλ(T_U)+ε_aλL_bλ(T_a)]   （3）

其中，A₀为热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，d为该目标到测量仪的距离，在一定条件下，A₀d^-2为一常值，τ_aλ为大气的光谱透射率，ε_aλ为大气的发射率。

热像仪通常工作在2～5um或8～13um两个波段。探测器在工作波段上积分人射的辐射能，并把它转化为一个与能量成正比的电信号。入射在某探测像元上的某波长的辐射功率为

P_λ=E_λ×A_R（4）

其中，A_R为该探测像元的面积, 与辐射功率相应的信号电压为：

其中，为该探测像元的光谱响应度，它表示了探测像元把辐射能转变为电信号的能力。由于热像仪是工作在某一个很窄的波段，取ε，α，τ_α分别为ε_λ，α_λ，τ_aλ，在所测波段上的平均值，则可近似认为与波长λ无关，则

令K=A_RA₀d^-2则

取积分  则：

V_s=K{τ_a[εf(T₀)+(1-α)f(T_U)]+ε_af(T_a)}       （8）

对一些非金属表面，如果满足灰体近似，则ε=α，对于大气认为:ε_a=α_a=1-τ_a

则：

V_s=K{τ_a[εf(T₀)+(1-ε)f(T_U)]+(1-τ_a)f(T_a)}    （9）

上两式就是热像仪辐射测温的通用基本公式。

令V_s/K=f(T′₀)

则：

f(T′₀)=τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_U)]+(1-τ_a)f(T_a)    （10）

式（10）中:T′₀表示热像仪指示的辐射温度。当被测表面为黑体，大气透射率τ_a=1时，ε_a=0时，f(T′₀)=f(T₀)，热像仪指示的辐射温度就等于物体的真实温度。当τ_a≠1 时，热像仪指示的辐射温度就不等于物体的真实温度。当ε＜1时，热像仪的辐射温度不等于物体的真实温度。上式中，如果ε＜α，即认为被测物体为灰体，且ξ_a=α_a=1-τ_a时，下式就是热像仪测温计算常用的基本公式。

f(T′₀)=τ_a[εf(T₀)+(1-α)f(T_U)]+(1-τ_a)f(T_a)    （11）

由普朗克辐射定律可知：

不同红外探测器的光谱响应度随波长入的变化是不同的。当不考虑随波长变化时，对上述波段积分，可得到f(T)随温度的变化关系，近似满足：

f(T)=CTⁿ（13）

其中：对HgCdTe(8～13um)波段探测器，n≈4.09;对HgCdTe (6～9um)探测器， n≈5.33;对InSb(2～5um)探测器，n≈8.68;

T′₀=τ_a[εT₀ ⁿ+(1-α)T_U ⁿ]+(1-τ_a)T_a ⁿ（14）

被测表面真实温度的计算公式为:

$T_0=\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{{T^{\′}}_0}^n-(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}-1){T_a}^n-{(1-\mathrm{\α}){T_U}^n\left]\right\}}^{\frac{1}{n}}---\left(15\right)$

当被测表面满足灰体近似时，ε=α，

$T_0=\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{{T^{\′}}_0}^n-(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}-1){T_a}^n-{(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^n\left]\right\}}^{\frac{1}{n}}---\left(16\right)$

这就是计算灰体表面真实温度的计算公式。

当近距离测温时, τ_a=1，则:

$T_0={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{{T^{\′}}_0}^n-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^n\}}^{\frac{1}{n}}---\left(17\right)$

表1  n定标前后数据对比

从上表1看出，n值的不确定性，对目标温度会随着n值的浮动产生较大的影响，另外红外焦平面探测器的工艺存在差异导致每个像元的响应特性不同，所以n值的校正存在着必要性。

式（16）中n的值由探测器材质及工艺决定，导致每个红外探测器的每个像元都存在差异，为解决上述技术问题，本发明主要包含了两大部分：黑体辐射定标、挡板温度测量。通过黑体辐射定标，可以测得红外热成像的电压V与温度T的映射关系；通过温度1挡板测量，可以测得低温推导式；通过温度2挡板测量，可以推导式；通过温度3挡板测量，可以推导式；通过温度4挡板测量，可以推导式；这样可以推导，，上述两个公式再把ε消掉可以得到最终公式 $\frac{1-{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^n}{1-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^n}=\frac{{{T^{\′}}_{01}}^n{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^n{{T^{\′}}_{02}}^n}{{{T^{\′}}_{03}}^n-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^n{{T^{\′}}_{04}}^n}$ 从而算出n的值。

本发明有以下优点：

1．采用挡板装置温度测量的方法，有效的提高了红外热成像测温公式中n的精度，从而提高了红外热成像测温的精度。

2．通过红外探测器每个像元的精度的修正，可以有效的提高红外热成像测温的非均匀性。

3．测量实验中，不用考虑挡板的发射率对实验结果的影响。

4．测量实验中，不用考虑温度对实验结果的影响。

附图说明

图 1 为本热辐射原理图。

图中：1、红外热像仪；2、大气；3、物体。

图 2 为黑体标定示意图。

图 3 为挡板温度测量示意图。

图中：4、红外探测器；5、信号处理电路；6、黑体；7、挡板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

1.如图2所示先辐射定标，环境温度设为273K，黑体6温度设为273K，这时测到红外探测器4的电压V_T(i,j)，其中i为探测器水平像素数，j探测器垂直像素数；黑体6温度调到274K，测得红外探测器4的电压V_T(i,j),以此一步一步加大黑体6的温度，测到红外探测器4的电压V_T(i,j)。最后建立红外探测器电压V_T(i,j)与黑体温度T映射关系。

2.如图3所示，设计一块发射率为ε为0.5左右的可控温度的挡板7。

3.对档板7加温，当温度加热温度T₀₁时，用红外探测器4测出一组V₁（i,j）的数据。为通过查辐射定标的表，得到T′₀₁（i,j），近距离测试根据式（17）得到 $T_{01}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 。

4.对档板7加温，当温度加热温度T₀₂时，用红外探测器4测出一组V₂（i,j）的数据，通过查辐射定标的表，得到T′₀₂（i,j），近距离测试根据式（17）得到 $T_{02}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 。

5.对档板7加温，当温度加热温度T₀₃时，用红外探测器4测出一组V₃（i,j）的数据，通过查辐射定标的表，得到T′₀₂（i,j），近距离测试根据式（17）得到 $T_{03}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 。

6.对档板7加温，当温度加热温度T₀₄时，用红外探测器4测出一组V₄（i,j）的数据，通过查辐射定标的表，得到T′₀₂（i,j），近距离测试根据式（17）得到 $T_{04}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}}$ 。

7.通过步骤3和步骤4可以得到计算式 ${\left[\frac{T_{01}}{T_{02}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}$ 。

8.通过步骤5和步骤6可以得到计算式 ${\left[\frac{T_{03}}{T_{04}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}$ 。

9.通过步骤7和步骤8的计算式可以推导出来 $\frac{1-{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}}{1-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}}=\frac{{{T^{\′}}_{01}}^{n(i,j)}{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{02}}^{n(i,j)}}{{{T^{\′}}_{03}}^{n(i,j)}-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{04}}^{n(i,j)}}$ ，其中除了n(i,j)是未知数外，其它都是已知数。

通过步骤9软件算法采用逐步逼近的方法，可以算得红外一个红外探测器每个像元点较为精确的n（i,j）值。

Claims (1)

1.一种红外热像仪像元点的标定方法，包括下述步骤：

(1)辐射定标：环境温度设为273K，黑体温度设为273K，检测红外探测器的电压V_T(i，j)，其中i为红外探测器水平像素数，j为红外探测器垂直像素数；步进提高黑体温度分别测得各个温度下红外探测器的电压，根据测得的电压建立红外探测器电压V_T(i，j)与黑体温度T映射关系；

(2)近距离设置一块发射率为ε为0.5左右可控温度的挡板，分别设置4个不同的温度T₀₁-T₀₄，用红外探测器测出一组V₀₁(i，j)-V₀₄(i，j)的数据，通过查辐射定标的表，得到热像仪指示的辐射温度T’₀₁(i，j)-T’₀₄(i，j)共4个温度，根据近距离测温公式T₀为近距离被测灰体表面真实温度，T’₀为热像仪指示的辐射温度，T_U为环境温度，ε为发射率，n为标定值；

代入已知数据得到 $T_{01}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}},$

$T_{02}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}},$

$T_{03}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}},$

$T_{04}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}\left]\right\}}^{\frac{1}{n(i,j)}};$

(3)根据T₀₁和T₀₂公式得到 ${\left[\frac{T_{01}}{T_{02}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{01}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{02}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}},$ 根据T₀₃和

T₀₄公式得到 ${\left[\frac{T_{03}}{T_{04}}\right]}^{n(i,j)}=\frac{{T^{\′}}_{03}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}}{{T^{\′}}_{04}{(i,j)}^{n(i,j)}-(1-\mathrm{\ϵ}){T_U}^{n(i,j)}};$

(4)根据步骤(3)中公式得到 $\frac{1-{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}}{1-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}}=\frac{{{T^{\′}}_{01}}^{n(i,j)}-{\left(\frac{T_{01}}{T_{02}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{02}}^{n(i,j)}}{{{T^{\′}}_{03}}^{n(i,j)}-{\left(\frac{T_{03}}{T_{04}}\right)}^{n(i,j)}{{T^{\′}}_{04}}^{n(i,j)}},$ 将

已知数据代入公式，计算出(i，j)像元点处的标定值n(i,j)；

(5)通过步骤(4)算法采用逐步逼近的方法，算得一个红外探测器每个像元

点较为精确的n(i,j)值，对每个像元点进行标定。