CN104266762A - 一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法。该系统包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器。首先对红外探测器进行辐射定标；采用黑体辐射为基准建立系统响应函数；测量在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值V₁；改变环境辐射强度为V_s2的条件下，测量红外探测器的输出响应值V₂；根据测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应值，算出目标的反射率并求得目标的发射率。本发明为红外辐射非接触精确测温提供了必要参量。

Description

一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法

技术领域

本发明属于现场目标发射率的测量技术领域，特别是一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法。

背景技术

目标表面真实温度的辐射测量在许多科学研究中是一项重要的任务，尤其是表面真实温度的非接触精确测量更为困难和关键。红外成像测温技术具有非接触(不会破坏被测物体的温度场)、直观、灵敏度高(可分辨0.01℃的温度差)、快速(几毫秒内测出目标温度)、测温范围广(从-170℃到3200℃以上)、检测距离可近可远、可实现夜视、安全等优点，不但在高压电线巡检、工业生产等民用领域得到广泛的应用；而且在侦察与制导、伪装设计与检测等军用领域中也得到了广泛应用。红外探测器测温主要受被测物体表面发射率的影响，但反射率、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响也不容忽视。这些影响因素会导致热像仪的测温不准，影响其应用领域，尤其是对物体表面发射率估计的不准确，更影响温度测量的精确性。发射率指物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值，是衡量物体辐射能力强弱的参数，其数值在0与1之间变化，表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，根据黑体辐射定律，只要知道材料的发射率，就知道任何物体的红外辐射特性。理想黑体的发射率为1，实际物体的发射率小于1。因为发射率是辐射波长、温度、方向以及表面状态的函数，并在很大程度上取决于物体的表面状态。因此在现场测量目标的红外辐射特性中，手册中的数据就不可靠了。这就需要在现场对发射率进行实际测量。本文提出一种现场测量常温物体发射率的方法，进行了理论分析和实验测量，给出了实验结果。

目前，测量目标发射率主要采用直接测量法。直接测量法是将目标与黑体置于同一条件同一温度下，目标输出值与黑体输出值之比即为目标发射率。直接测量法需要在无大气、无环境影响和已知物体本身温度的情况下进行，只适合于实验室测量。这种测量方法对于野外现场的目标发射率测量毫无意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应范围广泛的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法，能够无接触、精确地测量目标的发射率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器。

一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，步骤如下：

步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标；

步骤2，采用黑体辐射为基准建立系统响应函数；

步骤3，根据步骤2建立的系统响应函数，测量在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值V₁；

步骤4，根据步骤2建立的系统响应函数，改变环境辐射强度为V_s2的条件下，测量红外探测器的输出响应值V₂；

步骤5，根据步骤3和步骤4测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应值，算出目标的反射率，再根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)非接触测量：采用红外探测器作为探测器来测量目标和环境的辐射特性，不需要接触被测目标，因此可以实现非接触测量；(2)测量精确度高：采用非接触式测量方法，所以测量过程中不会改变目标和环境的温度场，因此也就不会改变目标和环境的辐射特性，这样测量结果的精确度非常高，误差最高为1.7％；(3)适用范围广：测量目标发射率的方法不仅适用于实验室条件下的测量，而且在野外条件下测量时也能得到比较精确的结果。

附图说明

图1是本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统的结构示意图。

图2是黑体辐射亮度与输出值之间的关系。

图3是黑体辐射到瓷板的图像。

图4是瓷板上黑体辐射部分的图像。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器，所述分光镜倾斜放置且分光镜与光路方向之间的夹角为135°；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器，聚光镜的作用是为了使到达目标的辐射强烈而均匀。

本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，步骤如下：

步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标；红外探测器是以黑体辐射源为基准，其理论基础是黑体辐射理论，通过与黑体辐射源的辐射量进行对比测量，因此在利用红外探测器测试之前，先要进行定标。

物体在波段λ₁～λ₂内的辐射亮度，由普朗克公式可推得：

$L=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{C}_1{\mathrm{\λ}}^{-5}(e^{\frac{C_2}{\mathrm{\λT}}}-1)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

式中，ε为物体发射率，C₁为第一辐射常量，C₁＝2πhc²＝3.7415×10⁸W·μm⁴/m²，C₂为第二辐射常量，C₂＝hc/k＝1.43879×10⁴μm·K，λ为波长，T为开氏温度；

红外探测器的标定模型为：

V＝αL+L_f  (2)

式中，V为红外探测器的输出值，L_f为红外探测器本身杂散能量，α为红外探测器的亮度响应度。

实验室中利用黑体在不同温度下测量，给出一系列的输出值，画出目标亮度与输出值的关系曲线，通过最小二乘法对输出值进行线性拟合，得出红外探测器的辐射亮度响应关系。针对Y＝kX+b形式的最小二乘法拟合公式如下：

$k=(\stackrel{\‾}{\mathrm{xy}}-\stackrel{\‾}{x}\×\stackrel{\‾}{y})\÷(x^2-{\stackrel{\‾}{x}}^2)---\left(3\right)$

$b=\stackrel{\‾}{y}-k\stackrel{\‾}{x}---\left(4\right)$

其中， $\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}{x}_i;\stackrel{\‾}{\mathrm{xy}}=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i.$

根据实验测得的黑体温度对应的灰度和辐射亮度数据表1，可以绘制出定标曲线如图2所示，该曲线表示的是黑体辐射亮度与输出值之间的关系。

表1.黑体温度对应的灰度和辐射亮度数据

通过实验测量由最小二乘法拟合的公式(3)和(4)得到该红外探测器的辐射亮度响应关系为：

y＝20.9672x-981.3774  (5)

步骤2，建立系统响应函数，采用黑体辐射为基准建立系统响应函数，系统响应函数是反映测量所得输出信号与输入辐射之间函数关系的，它由光学系统、电子线路和探测器的响应率等因素决定。

在实际测量时，红外探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标反射周围环境辐射和大气辐射，表示如下式(6)所示：

L＝L₀+ρL_s+L_p  (6)

其中，L为到达探测器表面的辐射亮度，L₀为目标自身辐射亮度，ρ为目标反射率，Ls为环境辐射，Lp为大气辐射；

设大气透过率为1，将式(6)代入式(2)中得：

V＝α(L₀+ρL_s+L_p)+L_f  (7)

对式(7)进行处理可得：

V＝(αL₀+L_f)+ρ(αL_s+L_f)-ρL_f+αL_p  (8)

观察式(8)，其中令

V₀＝αL₀+L_f  (9)

V_s＝αL_s+L_f  (10)

其中，V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时红外探测器输出值，V_s为只有环境辐射作用到探测器上时红外探测器的输出值。

由上两式可将式(8)整理为：

V＝V₀+ρV_s-ρL_f+αL_p  (11)

步骤3，根据步骤2建立的系统响应函数，根据式(11)，测量在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值V₁：

V₁＝V₀+ρV_s1-ρL_f+αL_p  (12)

步骤4，根据步骤2建立的系统响应函数，改变环境辐射强度为V_s2的条件下，红外探测器的输出响应值V₂。根据式(11)可通过改变环境辐射V_s，在同一传输路径上大气辐射没有改变，得到另一组输出：

V₂＝V₀+ρV_s2-ρL_f+αL_p  (13)

步骤5，根据步骤3和步骤4测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应值，算出目标的反射率，再根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率。

将将步骤4所得红外探测器的输出响应值V₂和步骤3所得红外探测器的输出响应值V₁相减，得：

V₂-V₁＝ρ(V_s2-V_s1)  (14)

整理得

$\mathrm{\ρ}=\frac{V_2-V_1}{V_{s2}-V_{s1}}---\left(15\right)$

由基尔霍夫定律，当辐射能入射到物体表面时，包括三个过程：吸收、反射、透射。对于不透明表面，只包括吸收、反射两个过程，其发射率等于热吸收率：

ρ+ε＝1  (16)

则根据式(15)和式(16)可得

$\mathrm{\ϵ}=1-\mathrm{\ρ}=1-\frac{V_2-V_1}{V_{s2}-V_{s1}}---\left(17\right)$

其中，在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值为V₁；改变环境辐射强度为V_s2的条件下，测量红外探测器的输出响应值为V₂。通过改变黑体温度达到改变环境辐射的目的。

实施例1

选取陶瓷、白纸和塑料板三种材料作为测量目标，将目标与黑体置于同一条件同一温度下，黑体和目标与探测器的距离0.5m，每种材料重复测量5次，取平均值。试验测试结果如表2所示。

表2材料发射率测量值

为了更能准确的评价测量结果的不确定程度，分别计算三组测量值的标准不确定度，利用公式(18)，它反映了数值相对于平均值的离散程度。不确定度小于2％，由此可以说明该方法测量的稳定性较好。

$S=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{N-1}}---\left(18\right)$

图3和图4为瓷板测试图，图中较亮部分为瓷板表面反射黑体所辐射的(8～14um)红外波段，提取探测器的输出值。改变黑体温度，获取不同环境辐射下另一输出值，并通过式(12)和式(13)计算两次环境辐射值，最后通过式(17)计算目标发射率。表3是三组材料经过多次测量得到的发射率值。

表3目标发射率测量数据

由表3可知，本文方法得到的物体的发射率实验结果与直接测量法数值的最大误差为0.017(1.7％)。

Claims (6)

1.一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，其特征在于，包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器。

2.根据权利要求1所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，其特征在于，所述分光镜倾斜放置且分光镜与光路方向之间的夹角为135°。

3.一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标；

步骤2，采用黑体辐射为基准建立系统响应函数；

步骤3，根据步骤2建立的系统响应函数，测量在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值V₁；

步骤4，根据步骤2建立的系统响应函数，改变环境辐射强度为V_s2的条件下，测量红外探测器的输出响应值V₂；

步骤5，根据步骤3和步骤4测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应值，算出目标的反射率，再根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率。

4.根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在于，步骤1所述的辐射标定，具体如下：

物体在波段λ₁～λ₂内的辐射亮度L，由普朗克公式推得：

$L=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{C}_1{\mathrm{\λ}}^{-5}(e^{\frac{C_2}{\mathrm{\λT}}}-1)\mathrm{d\λ}$

式中，ε为物体发射率，C₁为第一辐射常量，C₁＝2πhc²＝3.7415×10⁸W·μm⁴/m²，C₂为第二辐射常量，C₂＝hc/k＝1.43879×10⁴μm·K，λ为波长，T为开氏温度；

红外探测器的标定模型为：

V＝αL+L_f

式中，V为红外探测器的输出值，L_f为红外探测器本身杂散能量，α为红外探测器的亮度响应度。

5.根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在于，步骤2所述采用黑体辐射为基准建立系统响应函数，具体如下：

在实际测量时，红外探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标反射周围环境辐射和大气辐射，如下式所示：

L＝L₀+ρL_s+L_p

其中，L为到达探测器表面的辐射亮度，L₀为目标自身辐射亮度，ρ为目标反射率，Ls为环境辐射，Lp为大气辐射；

设大气透过率为1，将L代入红外探测器的标定模型得：

V＝α(L₀+ρL_s+L_p)+L_f

对上式进行处理得：

V＝(αL₀+L_f)+ρ(αL_s+L_f)-ρL_f+αL_p

令上式中，

V₀＝αL₀+L_f

V_s＝αL_s+L_f

因此得：

V＝V₀+ρV_s-ρL_f+αL_p

其中，V₀为只有目标的辐射作用到探测器上时红外探测器输出值，V_s为只有环境辐射作用到探测器上时红外探测器的输出值。

6.根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在于，步骤5所述根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率，具体步骤如下：

将步骤4所得红外探测器的输出响应值V₂和步骤3所得红外探测器的输出响应值V₁相减，得：

V₂-V₁＝ρ(V_s2-V_S1)

整理得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{V_2-V_1}{V_{s2}-V_{s1}}$

由基尔霍夫定律，当辐射能入射到物体表面时，对于不透明表面，只包括吸收、反射两个过程，其发射率等于热吸收率，即：

ρ+ε＝1

因此：

$\mathrm{\ϵ}=1-\mathrm{\ρ}=1-\frac{V_2-V_1}{V_{s2}-V_{s1}}$

其中，在环境辐射强度为V_s1的条件下，红外探测器的输出响应值为V₁；改变环境辐射强度为V_s2的条件下，测量红外探测器的输出响应值为V₂。