CN105716721B - 一种红外温度检测精度校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种红外温度检测精度校正方法，通过综合研究观测角度和观测距离对红外热像仪实际测温过程的影响，得到测量视角、观测距离、测量结果与实际温度值之间的关系式。在测量时，本发明步骤为，获取位于观测点的红外温度测量仪器与被测目标辐射面之间的距离、红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线之间的夹角，以及被测目标表面的辐射温度测量值，然后将根据关系式和测得的数据即可得到校正后的被测目标实际温度值。利用本发明可提高红外热像仪测温结果的精度，较为准确的获取目标体表面的实际温度值，对于红外热辐射检测的广泛应用具有重大的意义。

Description

一种红外温度检测精度校正方法

技术领域

本发明涉及红外温度检测技术领域，特别是一种能够对观测距离和视角给检测精度带来的误差进行修正的红外温度检测精度校正方法。

背景技术

红外测温由于具有非接触检测、灵敏度高、测温范围宽等优势，被广泛应用于工业、农业、航天遥感、医学等领域。特别是红外热像仪具备检测目标体的表面温度场分布信息的功能，能够将目标的热红外辐射转换成可见光，因此极大拓宽了人类的视野和视觉能力。

目前红外热像检测精度校正技术主要研究了环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响、目标距离和视场角变化对测温精度影响、距离对测温精度的影响、观测视角对测温结果影响等几个方面。尽管这些研究对于红外热像仪的精度校正均取得了一定的效果，为红外热像的理论研究及实际应用奠定了较好的基础，但是上述研究往往只是对影响热像仪测温精度的距离或视角等因素开展单独的影响研究，因此传统的红外热像仪温度校正方法往往也只是对影响热像仪测温精度的距离或视角等因素开展单独的校正，实用性收到制约。由于红外热像仪获取的被测目标体的表面温度决定于接收到的热辐射，而按照红外辐射的大气传输理论和红外辐射度学可知，观测距离和观测视角都是目标体表面红外辐射检测中的关键参量，研究观测距离和观测视角对红外热像检测的综合影响十分重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：综合解决观测距离和观测视角对红外测温的精度影响问题，对红外测温的精度进行误差修正。

本发明采取的技术方案具体为：一种红外温度检测精度校正方法，

包括以下步骤：

步骤一，定义观测点，测量位于观测点的红外温度测量仪器与被测目标辐射面之间的距离d；

步骤二，将红外温度测量仪器对准被测目标辐射面，获取红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线之间的夹角θ；

步骤三，利用红外温度测量仪器获取被测目标表面的辐射温度测量值T(θ,d)；

步骤四，距离d、视角θ与温度测量值T(θ,d)之间的关系式为：

T(θ,d)＝T₀ Cos^αθ-βd-γd² (1)

上式中，α为红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线夹角余弦的幂指数系数，β、γ分别是观测距离一次项和二次项的系数；

利用公式(2)计算修正了距离与视角影响带来的误差后的，即校正后的被测目标的真实温度T₀。

本发明的公式(1)基于红外测温原理并进一步研究得出，其中的α、β、γ参数可利用多次实验的方法得到，进而应用公式(2)获取实际测量过程中被测目标的实际温度值。

步骤一中，位于观测点的红外温度测量仪器与被测目标辐射面之间的距离d，可采用现有的激光测距仪等测距仪器进行测量；步骤二中，红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线之间的夹角θ，可采用现有的水平角度测量仪等角度测量仪器获取。

为了使得校正后的测量结果精度更高，本发明中，所述辐射温度测量值T(θ,d)为同一视角同一间距情况下至少三次温度测量结果的平均值。

进一步的，假设本发明红外温度检测仪器为红外热像仪，被测红外辐射体即被测目标为红外黑体源；则步骤四中，公式(1)和(2)中，α、β、γ参数的确定方法包括以下步骤：

4.1搭建红外热像仪观测距离、视角对测温结果的影响实验平台，所述影响实验平台包括旋转云台、导轨、红外黑体源、红外热像仪和控制单元；

红外黑体源固定于旋转云台上；导轨上包括2个滑块，旋转云台转动连接安装于其中一个滑块上，红外热像仪固定于另一个滑块上；红外热像仪的信号输出端连接控制单元；旋转云台可在控制单元的控制下转动，各滑块分别可在控制单元的控制下沿导轨滑动；

4.2测量红外黑体源的实际温度，并使其温度恒定；

4.3通过控制单元控制导轨的滑动以及旋转云台的转动，从而改变红外黑体源与红外热像仪的间距，以及测量视角，并在不同间距和测量视角组合的测量状态下，利用红外热像仪分别获取相应的温度测量值；

4.4将对应各不同测量状态的各组测量视角、间距及其相应温度测量值，与红外黑体源的实际温度值分别代入公式(1)，得到关于求取α、β、γ参数的方程组，进而求解方程组，即得到α、β、γ参数的取值。

滑块在导轨上的移动驱动以及旋转云台的旋转驱动为现有技术，如采用气缸或连杆等驱动机构。相应的，控制单元可采用计算机与微型控制器芯片或者两者组合的形式，如采用两者组合，则可由计算机向控制器芯片(如单片机等)发送滑块或旋转云台的移动控制指令，然后由控制器芯片控制相应的驱动机构带动滑块滑动或旋转云台旋转，进而改变观测间距和观测角度。

红外温度检测仪器和被测红外辐射体也可为其它现有技术，当采用其它红外温度检测仪器和被测红外辐射体时，在进行α、β、γ参数的确定时，相应替换掉影响实验平台红外热像仪和红外黑体源即可。

为了使得公式的应用能够获得更准确的校正温度，本发明步骤4.3中，控制单元对于滑块的控制，使得红外黑体源与红外热像仪之间间距的变化步长为1m，且间距最大值为30m。

本发明的有益效果为：通过综合研究观测角度和观测距离对红外热像仪实际测温过程的影响，得到测量视角、观测距离、测量结果与实际温度值之间的关系，可提高红外热像仪测温结果的精度，较为准确的获取目标体表面的实际温度值，从而对于红外热辐射检测的广泛应用具有重大的意义。

附图说明

图1所示为本发明红外温度测量结构示意图；

图2所示为本发明红外测温影响实验平台的一种实施例结构示意图，其中：1-红外热像仪，2-红外黑体源，3-导轨，4-滑块，5-旋转云台，6-计算机，7-控制通讯线缆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

本发明的红外温度检测精度校正方法，综合解决观测距离和观测视角对红外测温的精度影响问题，对红外测温的精度进行误差修正；请参考图1，本发明方法包括以下步骤：

步骤一，定义观测点，测量位于观测点的红外温度测量仪器1与被测目标2辐射面之间的距离d；

步骤二，将红外温度测量仪器1对准被测目标2辐射面，获取红外温度测量仪器的镜头法线F1与被测目标辐射面法线F2之间的夹角θ；

步骤三，利用红外温度测量仪器1获取被测目标2表面的辐射温度测量值T(θ,d)；

步骤四，距离d、视角θ与温度测量值T(θ,d)之间的关系式为：

T(θ,d)＝T₀ Cos^αθ-βd-γd² (1)

上式中，α为红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线夹角余弦的幂指数系数，β、γ分别是观测距离一次项和二次项的系数；公式(1)基于红外测温原理并进一步研究得出，其中的α、β、γ参数可利用多次实验的方法得到，进而应用公式(2)获取实际测量过程中被测目标的实际温度值；

利用公式(2)即可计算修正了距离与视角影响带来的误差后的，即校正后的被测目标的真实温度T₀。

步骤一中，位于观测点的红外温度测量仪器与被测目标辐射面之间的距离d，可采用现有的激光测距仪等测距仪器进行测量；步骤二中，红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线之间的夹角θ，可采用现有的水平角度测量仪等角度测量仪器获取。

为了使得校正后的测量结果精度更高，本发明中，所述辐射温度测量值T(θ,d)为同一视角同一间距情况下至少三次温度测量结果的平均值。

进一步的，假设本发明红外温度检测仪器为红外热像仪，被测红外辐射体即被测目标为红外黑体源；则步骤四中，公式(1)和(2)中，α、β、γ参数的确定方法包括以下步骤：

4.1搭建红外热像仪观测距离、视角对测温结果的影响实验平台，所述影响实验平台包括旋转云台、导轨、红外黑体源、红外热像仪和控制单元；

红外黑体源固定于旋转云台上；导轨上设有2个滑块，旋转云台转动连接安装于其中一个滑块上，红外热像仪固定于另一个滑块上；红外热像仪的信号输出端连接控制单元；旋转云台可在控制单元的控制下转动，各滑块分别可在控制单元的控制下沿导轨滑动；

4.2测量红外黑体源的实际温度，并使其温度恒定；

4.3通过控制单元控制滑块的滑动以及旋转云台的转动，从而改变红外黑体源与红外热像仪的间距，以及测量视角，并在不同间距和测量视角组合的测量状态下，利用红外热像仪分别获取相应的温度测量值；

4.4将对应各不同测量状态的各组测量视角、间距及其相应温度测量值，与红外黑体源的实际温度值分别代入公式(1)，得到关于求取α、β、γ参数的方程组，进而求解方程组，即得到α、β、γ参数的取值。

滑块在导轨上的移动驱动以及旋转云台的旋转驱动为现有技术，如采用气缸或连杆等驱动机构。相应的，控制单元可采用计算机与微型控制器芯片或者两者组合的形式，如采用两者组合，则可由计算机向控制器芯片(如单片机等)发送滑块或旋转云台的移动控制指令，然后由控制器芯片控制相应的驱动机构带动滑块滑动或旋转云台旋转，进而改变观测间距和观测角度。

红外温度检测仪器和被测红外辐射体也可为其它现有技术，当采用其它红外温度检测仪器和被测红外辐射体时，在进行α、β、γ参数的确定时，相应替换掉影响实验平台红外热像仪和红外黑体源即可。

为了使得公式的应用能够获得更准确的校正温度，本发明步骤4.3中，控制单元对于滑块的控制，使得红外黑体源与红外热像仪之间间距的变化步长为1m，且间距最大值为30m。

实施例

对于α、β、γ参数的确定，本实施例选用的红外辐射检测装置为IRT513-A型红外热像仪(Thermal Infrared Imager)，工作波段为8～14μm，氧化钒探测器探测像元数为320×240，像元尺寸为38×38μm²，成像形式选择25Hz PAL制式，热像仪的温度分辨率为50mK@30℃，红外热像仪图像信号通过网线连接到计算机。被测目标即红外辐射体为Fluke红外黑体源。

如图2所示，红外黑体源2放置于旋转云台5上，再固定于滑块4表面，红外热像仪1固定于另一个滑块4表面，通过滑块4沿着导轨3的移动可以控制红外黑体源2与红外热像仪1的间距，同时控制旋转云台5的转动可以改变红外黑体源2与红外热像仪1之间的测量视角。旋转云台的旋转角度、滑块的移动距离可由控制单元进行控制，图2所示实施例中，控制单元采用计算机6，计算机6与各驱动机构采用控制通讯线缆7连接。旋转云台5上可放置高性能数显角度尺用以验证控制单元控制云台旋转角度的正确性。

实验过程中将红外黑体源的温度设定为恒温100℃，利用红外热像仪分别测量了红外黑体源与热像仪在不同的间距、不同观测视角条件下的温度。观测距离d(红外热像仪与红外黑体源间距)的间距步长为1m，最远观测距离为30m。观测视角θ(红外热像仪镜头辐射面法线与红外黑体源辐射面法线的夹角)范围为-80°～80°，测量角度间隔为10°。

利用公式(1)对所测实验数据的拟合可以得到观测视角θ余弦的幂指数系数α为4.5，观测距离一次项系数β为0.3205、二次项系数γ取值为0.01103。

在应用公式(2)时，如在目标温度测量现场，利用激光测距仪测量出红外热像仪与被测目标体表面的距离d为30m，利用角度测量仪确定红外热像仪镜头法线与被测目标体表面法线夹角θ为40°，将目标体温度调整为100℃。利用红外热像仪测量到的目标体表面温度值T为75.5℃，利用公式(2)计算可得目标体温度为：97.7℃。可以看出，在实验检测允许的误差范围内(±3℃)，经过校正后的数据误差明显减小。这说明采用上述方法可以在一定程度上扩展实验观测视角和观测距离，降低由此带来的误差。

综上，本发明通过综合研究观测角度和观测距离对红外热像仪实际测温过程的影响，得到测量视角、观测距离、测量结果与实际温度值之间的关系，可提高红外热像仪测温结果的精度，较为准确的获取目标体表面的实际温度值，从而对于红外热辐射检测的广泛应用具有重大的意义。

Claims (4)

1.一种红外温度检测精度校正方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，定义观测点，测量位于观测点的红外温度测量仪器与被测目标辐射面之间的距离d；

步骤二，将红外温度测量仪器对准被测目标辐射面，获取红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线之间的夹角θ；

步骤三，利用红外温度测量仪器获取被测目标表面的辐射温度测量值T(θ,d)；

步骤四，距离d、视角θ与温度测量值T(θ,d)之间的关系式为：

T(θ,d)＝T₀Cos^αθ-βd-γd² (1)

则，

上式中，α为红外温度测量仪器的镜头法线与被测目标辐射面法线夹角余弦的幂指数系数，β、γ分别是观测距离一次项和二次项的系数；

利用公式(2)计算修正了距离与视角影响带来的误差后的，即校正后的被测目标的真实温度T₀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述辐射温度测量值T(θ,d)为同一视角同一间距情况下至少三次温度测量结果的平均值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，假设红外温度检测仪器为红外热像仪，被测红外辐射体即被测目标为红外黑体源；则步骤四中，公式(1)和(2)中，α、β、γ参数的确定方法包括以下步骤：

4.1搭建红外热像仪观测距离、角度对测温结果的影响实验平台，所述影响实验平台包括旋转云台、导轨、红外黑体源、红外热像仪和控制单元；

红外黑体源固定于旋转云台上；导轨上设有2个滑块，旋转云台转动连接安装于其中一个滑块上，红外热像仪固定于另一个滑块上；红外热像仪的信号输出端连接控制单元；旋转云台可在控制单元的控制下转动，各滑块分别可在控制单元的控制下沿导轨滑动；

4.2测量红外黑体源的实际温度，并使其温度恒定；

4.3通过控制单元控制滑块的滑动以及旋转云台的转动，从而改变红外黑体源与红外热像仪的间距，以及测量视角，并在不同间距和测量视角组合的测量状态下，利用红外热像仪分别获取相应的温度测量值；

4.4将对应各不同测量状态的各组测量视角、间距及其相应温度测量值，与红外黑体源的实际温度值分别代入公式(1)，得到关于求取α、β、γ参数的方程组，进而求解方程组，即得到α、β、γ参数的取值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，步骤4.3中，控制单元对于滑块的控制，使得红外黑体源与红外热像仪之间间距的变化步长为1m，且间距最大值为30m。