CN111024238A - 非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外成像测温应用技术领域，具体是涉及一种非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，所述测量方法的实施过程分为两个阶段：第一阶段为辐射温度标定阶段，第二阶段为温度测量阶段；与现有技术相比较，本发明相较于传统的非制冷测温热像仪辐射温度测量方法增加了从开机至焦平面温度稳定过程中的数据标定方法，以及从开机至焦平面温度稳定过程中的温度测量方法。传统的非制冷热像仪温度测量方法在开机后需长时间等待焦平面温度稳定才可进行测温，本发明可以在非制冷测温热像仪开机后无需等待焦平面温度稳定，从而立即进入测温工作状态。

Description

非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法
技术领域
本发明属于红外成像测温应用技术领域，具体是涉及一种非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，该方法可显著提高辐射测量的精度，减小由于开机过程中镜头温度和焦平面温度的温差变化导致的测温误差，从而使非制冷测温热像仪具备了开机快速测温能力。
背景技术
随着非制冷型红外探测器近年来逐渐向低成本、小型化的趋势发展，红外辐射测温技术已被广泛应用于人体温度测量、电力检测等领域。红外辐射测温技术相比传统的测温手段具有非接触、测温速度快的技术优势。但是，由于传统的红外辐射测温算法与辐射标定技术的局限性，使得非制冷测温热像仪启动后通常需要长时间的等待才可以准确地进行辐射温度测量，这是由于启动后镜头温度上升较慢而焦平面温度上升较快所引起的镜头与焦平面的温差变化而引入的误差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提出一种具有开机快速测温能力的红外辐射温度测量方法，以改善传统的非制冷测温热像仪测温算法在从开机至焦平面温度稳定的过程中，由于镜头温度与焦平面温度温差变化引起的误差，以及节省需要长时间待机以达到焦平面温度稳定过程中无法测温的时间。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，所述测量方法的实施过程分为两个阶段：
第一阶段为辐射温度标定阶段，第二阶段为温度测量阶段；
其中，辐射温度标定结果作为测温运算阶段的输入，需要提前进行标定；而在进行辐射温度标定之前，先在非制冷红外热像仪镜头上安装温度传感器，通过数据线缆与计算机相连可实时获取到镜头温度与非制冷探测器焦平面温度，为标定过程提供硬件设备保障。
其中，所述辐射温度标定阶段包括如下步骤：
步骤11：将黑体和红外成像器放置在温箱中，根据非制冷测温热像仪使用的环境温度条件，在其工作温度范围内，每间隔ΔTenv设置一个标定温度点；
步骤12：在每一标定温度点Tenv处，对非制冷测温热像仪保温到位；保温结束后，将黑体温度调整至测温范围内的某一点，记录此时的黑体温度Tb'，从非制冷测温热像仪通电开始进行计时，每间隔时间约Δt，记录该时刻的镜头温度与焦平面温度，单位为℃，并采集该时刻的红外图像，记录红外图像中黑体目标的灰度均值，直至镜头温度与焦平面温度达到稳定为止，记录下从开机至到达稳定状态的时间tbalance；
步骤13：在焦平面温度达到稳定后，根据所需的测温范围以每ΔTblack的间隔调整黑体温度，记录每一黑体温度处的红外图像，以获取不同目标温度Tblack下的红外图像中黑体目标的灰度均值GI(Tblack)，至此，每个标定点都可以得到一条灰度均值GI(Tblack)—黑体温度Tblack的对应关系；
步骤14：温箱升温5℃，重复步骤12和步骤13，直至完成所有的标定温度点的图像采集。
其中，所述温度测量阶段包括如下步骤：
步骤21：焦平面温度稳定状态下的温度测量；包括：
步骤211：开机查询镜头温度TE，认为此时的镜头温度等于环境温度，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3；
针对TE1、TE2、TE3每一标定的环境温度点，在黑体温度为TBn时，得到对应的三个图像灰度均值，分别为GI1、GI2、GI2；
通过二次插值，计算得到该镜头温度TE下黑体温度TBn时的图像灰度均值GIn(TBn)；
Figure BDA0002293332730000031
步骤212：根据公式(1)得镜头温度TE下，每间隔20℃黑体温度下的一系列图像灰度均值，对这些灰度均值进行二次多项式拟合，得到镜头温度TE下的一条图像灰度均值GI——黑体温度TBTE对应曲线TBTE(GI)，则可以求得焦平面温度稳定时的场景辐射温度；
假设TBTE(GI)＝a2GI2+a1GI+a0
则
Figure BDA0002293332730000032
步骤22：开机至焦平面温度稳定时的温度测量；包括：
步骤221：对于开机至焦平面温度稳定的过程中，根据公式(2)的方法对每一个标定环境温度，计算出测量的辐射温度，由此得到一条镜头温度与焦平面温度差值xn——测量温度与黑体温度差值f(xn)关系曲线，将曲线按照一次函数拟合处理，根据最小二乘法，得到曲线f(xn)的斜率kn与截距bn；
f(xn)＝knxn+bn (3)
步骤222：开机查询镜头温度，根据镜头温度Tl，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1；
此时，镜头温度与焦平面温度差值xm和xm+1——测量温度与黑体温度差值曲线f(xm)和f(xm+1)，通过线性插值，得到该镜头温度处的镜头温度与焦平面温度差值x——测量温度与黑体温度差值曲线f(x)，并得到曲线的斜率k，截距b；
f(x)＝kx+b (4)
步骤223：当镜头温度为Tl时，通过曲线f(x)＝kx+b，得到，当开机时长tl<tbalance时，图像灰度均值为GIl，镜头温度与焦平面温度差值xl，同时，根据步骤21的内容，得到测量温度TB(GIl)；
从而，求得场景真实测量温度为TBl；
TBl＝TB(GIl)-kxl-b (5)。
其中，所述步骤11中，所述ΔTenv为5℃。
其中，所述步骤11中，所述Δt为5s。
其中，所述步骤13中，所述ΔTblack为20℃。
其中，所述步骤211中，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3，要求满足：
Figure BDA0002293332730000041
最小。
其中，所述步骤222中，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1，要求满足：
|(Tm-Tl)|+|(Tm+1-Tl)|最小。
其中，所述公式(4)中，
Figure BDA0002293332730000042
其中，所述公式(4)中，
Figure BDA0002293332730000043
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明相较于传统的非制冷测温热像仪辐射温度测量方法增加了从开机至焦平面温度稳定过程中的数据标定方法，以及从开机至焦平面温度稳定过程中的温度测量方法。传统的非制冷热像仪温度测量方法在开机后需长时间等待焦平面温度稳定才可进行测温，本发明可以在非制冷测温热像仪开机后无需等待焦平面温度稳定，从而立即进入测温工作状态。
附图说明
图1为测温标定设备物理连接示意图。
图2为不同焦平面温度下的标定曲线示意图。
图3为测量温度值随焦平面、镜头温度的差值变化曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决上述问题，本发明提出了一种改进的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，具有开机快速测温能力，可以显著提高从开机至焦平面温度稳定期间的测温精度，将测温误差控制在±2℃或±2％的精度范围内
为解决上述技术问题，本发明提供一种非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，所述测量方法的实施过程分为两个阶段：
第一阶段为辐射温度标定阶段，第二阶段为温度测量阶段；
其中，辐射温度标定结果作为测温运算阶段的输入，需要提前进行标定；而在进行辐射温度标定之前，先在非制冷红外热像仪镜头上安装温度传感器，通过数据线缆与计算机相连可实时获取到镜头温度与非制冷探测器焦平面温度，为标定过程提供硬件设备保障。
其中，所述辐射温度标定阶段包括如下步骤：
步骤11：将黑体和红外成像器放置在温箱中，根据非制冷测温热像仪使用的环境温度条件，在其工作温度范围内，每间隔ΔTenv(推荐值为5℃)设置一个标定温度点；
步骤12：在每一标定温度点Tenv处，对非制冷测温热像仪保温到位(推荐为半小时以上)；保温结束后，将黑体温度调整至测温范围内的某一点，记录此时的黑体温度Tb'，从非制冷测温热像仪通电开始进行计时，每间隔时间约Δt(推荐值为5s)，记录该时刻的镜头温度与焦平面温度，单位为℃，并采集该时刻的红外图像，记录红外图像中黑体目标的灰度均值，直至镜头温度与焦平面温度达到稳定为止，记录下从开机至到达稳定状态的时间tbalance；
步骤13：在焦平面温度达到稳定后，根据所需的测温范围以每ΔTblack(推荐值为20℃)的间隔调整黑体温度，记录每一黑体温度处的红外图像，以获取不同目标温度Tblack下的红外图像中黑体目标的灰度均值GI(Tblack)，至此，每个标定点都可以得到一条灰度均值GI(Tblack)—黑体温度Tblack的对应关系；
步骤14：温箱升温5℃，重复步骤12和步骤13，直至完成所有的标定温度点的图像采集。
其中，所述温度测量阶段包括如下步骤：
步骤21：焦平面温度稳定状态下的温度测量；包括：
步骤211：开机查询镜头温度TE，认为此时的镜头温度等于环境温度，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3，满足
Figure BDA0002293332730000061
最小；
针对TE1、TE2、TE3每一标定的环境温度点，在黑体温度为TBn时，得到对应的三个图像灰度均值，分别为GI1、GI2、GI2；
通过二次插值，计算得到该镜头温度TE下黑体温度TBn时的图像灰度均值GIn(TBn)；
Figure BDA0002293332730000062
步骤212：根据公式(1)得镜头温度TE下，每间隔20℃黑体温度下的一系列图像灰度均值，对这些灰度均值进行二次多项式拟合，得到镜头温度TE下的一条图像灰度均值GI——黑体温度TBTE对应曲线TBTE(GI)，则可以求得焦平面温度稳定时的场景辐射温度；
假设TBTE(GI)＝a2GI2+a1GI+a0
则
Figure BDA0002293332730000071
步骤22：开机至焦平面温度稳定时的温度测量；包括：
步骤221：对于开机至焦平面温度稳定的过程中，根据公式(2)的方法对每一个标定环境温度，计算出测量的辐射温度，由此得到一条镜头温度与焦平面温度差值xn——测量温度与黑体温度差值f(xn)关系曲线，将曲线按照一次函数拟合处理，根据最小二乘法，得到曲线f(xn)的斜率kn与截距bn；
f(xn)＝knxn+bn (3)
步骤222：开机查询镜头温度，根据镜头温度Tl，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1，满足|(Tm-Tl)|+|(Tm+1-Tl)|最小；
此时，镜头温度与焦平面温度差值xm和xm+1——测量温度与黑体温度差值曲线f(xm)和f(xm+1)，通过线性插值，得到该镜头温度处的镜头温度与焦平面温度差值x——测量温度与黑体温度差值曲线f(x)，并得到曲线的斜率k，截距b；
f(x)＝kx+b (4)
步骤223：当镜头温度为Tl时，通过曲线f(x)＝kx+b，得到，当开机时长tl<tbalance时，图像灰度均值为GIl，镜头温度与焦平面温度差值xl，同时，根据步骤21的内容，得到测量温度TB(GIl)；
从而，求得场景真实测量温度为TBl；
TBl＝TB(GIl)-kxl-b (5)。
其中，所述步骤11中，所述ΔTenv推荐值为5℃。
其中，所述步骤11中，所述Δt推荐值为5s。
其中，所述步骤13中，所述ΔTblack推荐值为20℃。
其中，所述步骤211中，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3，要求满足：
Figure BDA0002293332730000081
最小。
其中，所述步骤222中，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1，要求满足：
|(Tm-Tl)|+|(Tm+1-Tl)|最小。
其中，所述公式(4)中，
Figure BDA0002293332730000082
其中，所述公式(4)中，
Figure BDA0002293332730000083
实施例1
本实施例具体内容如下：
1、测温标定设备
将黑体和红外热像仪放置于温箱内，红外热像仪面向黑体。将黑体控制器及PC机放置于温箱外，其中，黑体控制器用于控制黑体温度，PC机用于红外图像的采集和与红外热像仪之间的通信，设备连接图如图1所示；
2、焦平面温度稳定后的温度测量
以积分时间40us的常温温度段为例，温箱温度分别设置为0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃和30℃，得到了焦平面温度稳定后，焦平面温度为4℃、8.5℃、12.5℃、18.5℃、23.5℃、28℃和32.5℃下的标定曲线，如图2所示；
在镜头温度为27℃时采用公式(1)～公式(2)中的方法，对黑体温度为50℃、100℃、150℃、200℃和300℃时采集的图像灰度值进行测量反演，以验证测温精度，测量情况见表1。
表1.镜头温度为27℃的测温精度
Figure BDA0002293332730000084
Figure BDA0002293332730000091
3、开机至焦平面温度稳定时的温度测量
步骤一：以黑体60℃，环境温度25℃和30℃采集的标定数据为例，表3列出了从开机至焦平面温度稳定过程中的前200s时间范围内，成像器的镜头温度、焦平面温度的变化情况以及使用公式(1)～公式(2)中的方法对60℃黑体的测量温度值。
表2.镜头温度、焦平面温度及测量温度随开机时间变化
开机时间(s) 镜头温度(℃) 焦平面温度(℃) 温差(℃) 测量温度值(℃) 测量误差(℃)
5 24.94 26.42 1.48 68 8
9 24.94 26.6 1.66 66.4 6.4
12 24.94 26.74 1.8 65.4 5.4
15 24.94 26.83 1.89 64.7 4.7
18 24.94 26.92 1.98 64 4
21 24.94 26.99 2.05 63.4 3.4
24 24.94 27.09 2.15 62.7 2.7
27 24.94 27.16 2.22 62 2
31 24.94 27.23 2.29 61.4 1.4
33 24.94 27.29 2.35 60.9 0.9
36 24.94 27.34 2.4 60.4 0.4
41 24.94 27.42 2.48 59.6 -0.4
46 24.94 27.5 2.56 58.9 -1.1
52 24.94 27.59 2.65 58.2 -1.8
59 24.94 27.67 2.73 57.4 -2.6
70 24.94 27.79 2.85 56.6 -3.4
79 24.94 27.87 2.93 56 -4
94 24.94 28 3.06 55.4 -4.6
107 25 28.06 3.06 54.6 -5.4
119 25 28.13 3.13 54.1 -5.9
146 25 28.25 3.25 53.3 -6.7
174 25.06 28.35 3.29 52.6 -7.4
201 25.06 28.41 3.35 52.3 -7.7
图3给出了测量温度值随焦平面温度与镜头温度的差值的变化关系，在比较窄的温度范围内测量温度与焦平面、镜头温度的差值成近似线性关系。
环境温度25℃时，镜头温度与焦平面温度差值——测量温度与黑体温度差值曲线为y＝-8.02x+8。
当黑体60℃，环境温度30℃时，从开机至焦平面温度稳定的200s时间范围内，成像器的镜头温度、焦平面温度的变化情况以及使用公式(1)～公式(2)中的方法对60℃黑体的测量温度值。
表3.镜头温度、焦平面温度及测量温度随开机时间变化
开机时间(s) 镜头温度(℃) 焦平面温度(℃) 温差(℃) 测量温度值(℃) 测量误差(℃)
5 29.97 30.42 0.45 68.1 8.1
9 29.97 30.6 0.63 66.3 6.3
12 29.97 30.72 0.75 65.2 5.2
15 29.97 30.81 0.84 64.6 4.6
18 29.97 30.93 0.96 64.1 4.1
21 29.97 31.00 1.03 63.5 3.5
24 29.97 31.11 1.14 62.7 2.7
27 29.97 31.18 1.21 62.1 2.1
31 29.97 31.23 1.26 61.3 1.3
33 29.97 31.29 1.32 60.8 0.8
36 29.97 31.34 1.37 60.3 0.3
41 29.97 27.42 1.45 59.8 -0.2
46 29.97 31.5 1.53 58.8 -1.2
52 29.97 31.59 1.62 58.1 -1.9
59 29.97 31.67 1.7 57.5 -2.5
70 29.97 31.79 1.82 56.5 -3.5
79 29.97 31.87 1.9 55.9 -4.1
94 29.97 32.02 2.05 55.3 -4.7
107 30 32.10 2.1 54.7 -5.3
119 30 32.21 2.21 54 -6
146 30 32.30 2.3 53.1 -6.9
174 30 32.38 2.38 52.8 -7.2
201 30.01 32.41 2.4 52.4 -7.6
环境温度30℃时，镜头温度与焦平面温度差值——测量温度与黑体温度差值曲线为y＝-8.48x+8.1。
步骤二：当环境温度为28℃时，跟据公式(4)的方法，镜头温度与焦平面温度差值——测量温度与黑体温度差值曲线为y＝-8.25x+8.05。当黑体温度为60℃时，根据公式(5)的方法计算得到的测量温度如表4所示：
表4.环境温度为28℃时开机至稳定过程中的测温效果
开机时间(s) 测量温度(℃) 测量误差(℃)
5 60.5 0.5
20 60.12 0.12
40 60.8 0.8
80 60.08 0.08
100 59.8 -0.2
150 61.2 1.2
200 61.5 1.5
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述测量方法的实施过程分为两个阶段：
第一阶段为辐射温度标定阶段，第二阶段为温度测量阶段；
其中，辐射温度标定结果作为测温运算阶段的输入，需要提前进行标定；而在进行辐射温度标定之前，先在非制冷红外热像仪镜头上安装温度传感器，通过数据线缆与计算机相连可实时获取到镜头温度与非制冷探测器焦平面温度，为标定过程提供硬件设备保障。
2.如权利要求1所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述辐射温度标定阶段包括如下步骤：
步骤11：将黑体和红外成像器放置在温箱中，根据非制冷测温热像仪使用的环境温度条件，在其工作温度范围内，每间隔ΔTenv设置一个标定温度点；
步骤12：在每一标定温度点Tenv处，对非制冷测温热像仪保温到位；保温结束后，将黑体温度调整至测温范围内的某一点，记录此时的黑体温度Tb'，从非制冷测温热像仪通电开始进行计时，每间隔时间约Δt，记录该时刻的镜头温度与焦平面温度，单位为℃，并采集该时刻的红外图像，记录红外图像中黑体目标的灰度均值，直至镜头温度与焦平面温度达到稳定为止，记录下从开机至到达稳定状态的时间tbalance；
步骤13：在焦平面温度达到稳定后，根据所需的测温范围以每ΔTblack的间隔调整黑体温度，记录每一黑体温度处的红外图像，以获取不同目标温度Tblack下的红外图像中黑体目标的灰度均值GI(Tblack)，至此，每个标定点都可以得到一条灰度均值GI(Tblack)—黑体温度Tblack的对应关系；
步骤14：温箱升温5℃，重复步骤12和步骤13，直至完成所有的标定温度点的图像采集。
3.如权利要求1所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述温度测量阶段包括如下步骤：
步骤21：焦平面温度稳定状态下的温度测量；包括：
步骤211：开机查询镜头温度TE，认为此时的镜头温度等于环境温度，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3；
针对TE1、TE2、TE3每一标定的环境温度点，在黑体温度为TBn时，得到对应的三个图像灰度均值，分别为GI1、GI2、GI2；
通过二次插值，计算得到该镜头温度TE下黑体温度TBn时的图像灰度均值GIn(TBn)；
Figure FDA0002293332720000021
步骤212：根据公式(1)得镜头温度TE下，每间隔20℃黑体温度下的一系列图像灰度均值，对这些灰度均值进行二次多项式拟合，得到镜头温度TE下的一条图像灰度均值GI——黑体温度TBTE对应曲线TBTE(GI)，则可以求得焦平面温度稳定时的场景辐射温度；
假设TBTE(GI)＝a2GI2+a1GI+a0
则
Figure FDA0002293332720000022
步骤22：开机至焦平面温度稳定时的温度测量；包括：
步骤221：对于开机至焦平面温度稳定的过程中，根据公式(2)的方法对每一个标定环境温度，计算出测量的辐射温度，由此得到一条镜头温度与焦平面温度差值xn——测量温度与黑体温度差值f(xn)关系曲线，将曲线按照一次函数拟合处理，根据最小二乘法，得到曲线f(xn)的斜率kn与截距bn；
f(xn)＝knxn+bn (3)
步骤222：开机查询镜头温度，根据镜头温度Tl，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1；
此时，镜头温度与焦平面温度差值xm和xm+1——测量温度与黑体温度差值曲线f(xm)和f(xm+1)，通过线性插值，得到该镜头温度处的镜头温度与焦平面温度差值x——测量温度与黑体温度差值曲线f(x)，并得到曲线的斜率k，截距b；
f(x)＝kx+b (4)
步骤223：当镜头温度为Tl时，通过曲线f(x)＝kx+b，得到，当开机时长tl<tbalance时，图像灰度均值为GIl，镜头温度与焦平面温度差值xl，同时，根据步骤21的内容，得到测量温度TB(GIl)；
从而，求得场景真实测量温度为TBl；
TBl＝TB(GIl)-kxl-b (5)。
4.如权利要求2所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述步骤11中，所述ΔTenv为5℃。
5.如权利要求2所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述步骤11中，所述Δt为5s。
6.如权利要求2所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述步骤13中，所述ΔTblack为20℃。
7.如权利要求3所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述步骤211中，选择最邻近的三个标定的环境温度点TE1、TE2、TE3，要求满足：
Figure FDA0002293332720000031
最小。
8.如权利要求3所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述步骤222中，查询最邻近的两个环境温度Tm和Tm+1，要求满足：
|(Tm-Tl)|+|(Tm+1-Tl)|最小。
9.如权利要求3所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述公式(4)中，
Figure FDA0002293332720000041
10.如权利要求3所述的非制冷测温热像仪辐射标定与温度测量方法，其特征在于，所述公式(4)中，
Figure FDA0002293332720000042
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