CN111366247A - 一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法，包括：发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元；其中，光学镜头将被测目标和参考恒温单元发出的红外辐射传输至后方的红外辐射接收单元；红外辐射接收单元将红外辐射处理为模拟信号；信息处理单元将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出被测目标对应的温度值。这样简化了红外测温热像装置结构，参考恒温单元只要发射率固定即可，无需与被测目标处于同一数据采集面上及固定被测目标的位置，使用灵活，且削弱了环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响。

Description

一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法

技术领域

本发明涉及红外测温热像仪技术领域，特别是涉及一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法。

背景技术

任何温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体都在不停地发射红外辐射(热辐射)。红外辐射是一种电磁波，波长范围在0.7μm至1000μm，人眼看不见，且不同温度对外辐射的波长不一样。红外测温热像仪捕获红外辐射后，将其转化为电信号，经过算法处理最终输出温度信息。根据相应变化进行计算得到对应的温度信息。

由于红外测温热像仪极易受到环境温度、湿度、气流或风向等环境因素的影响而发生输出数据漂移，加上器件输出稳定性和非线性等影响，最终表现为测温数据精度不高和不稳定，从而给应用造成很多困扰。此外受自身热噪声的影响，开机需要等待设备与环境充分热平衡之后，才能进行准确测温工作，这就意味着开机需要等待较长时间后才能正常使用。

目前，现有红外测温热像仪实时校准的测温方法是使用标准黑体作为参照目标进行实时校准，且校准过程中的黑体面源需要与目标物体处于同一数据采集面上，也就是说对于不同距离的目标需要对移动黑体进行测量，这样的测量方式导致系统庞大且占空间较大，并需要固定被测目标的位置，对于应用极其不便。

因此，如何简化红外测温装置结构，解决红外测温温度漂移、开机测温稳定时间长等问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法，可以简化红外测温装置结构，削弱环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响。其具体方案如下：

一种红外测温热像装置，包括：发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元；其中，

所述参考恒温单元，位于所述光学镜头前方和被测目标后方；

所述光学镜头，用于将所述被测目标和所述参考恒温单元发出的红外辐射传输至所述红外辐射接收单元；

所述红外辐射接收单元，位于所述光学镜头后方，用于将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至所述信息处理单元；

所述信息处理单元，与所述红外辐射接收单元连接，用于将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出所述被测目标对应的温度值。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，所述信息处理单元，用于对同一时间内处理得到的所述参考恒温单元与所述被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，所述信息处理单元，与所述参考恒温单元连接，还用于控制所述参考恒温单元进行温度设定，并使所述参考恒温单元稳定在设定温度上。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，还包括：

映射关系建立单元，用于当所述被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；所述标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，所述参考恒温单元设置在所述光学镜头的近距离处。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，所述红外辐射接收单元为红外探测器。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法，包括：

在所述红外测温热像装置面对被测目标时，所述被测目标和参考恒温单元发出红外辐射；

光学镜头将所述被测目标和所述参考恒温单元发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元；

所述红外辐射接收单元将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元；

所述信息处理单元将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出所述被测目标对应的温度值。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，所述信息处理单元得到降噪数字信号值，具体包括：

所述信息处理单元对同一时间内处理得到的所述参考恒温单元与所述被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，在被测目标和参考恒温单元发出红外辐射之前，还包括：

所述信息处理单元控制所述参考恒温单元进行温度设定，并使所述参考恒温单元稳定在设定温度上。

优选地，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，还包括：

当所述被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；所述标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法，包括：发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元；其中，参考恒温单元，位于光学镜头前方和被测目标后方；光学镜头，用于将被测目标和参考恒温单元发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元；红外辐射接收单元，位于光学镜头后方，用于将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元；信息处理单元，与红外辐射接收单元连接，用于将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出被测目标对应的温度值。

本发明通过上述发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元的设置，简化了红外测温热像装置结构，由于现有技术中采用标准黑体辐射源进行参考，其发射率需与目标发射率相同，而本发明中参考恒温单元只要发射率固定即可，无需与被测目标处于同一数据采集面上，无需固定被测目标的位置，保持参考恒温单元与被测目标的相对位置即可，使用更加灵活方便，并且采用这种结构削弱了环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响，解决红外测温温度漂移、开机测温稳定时间长问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的红外测温热像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的红外测温热像装置的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的红外测温热像装置的实时校准测温方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种红外测温热像装置，如图1和图2所示，包括：发射率固定的参考恒温单元1，光学镜头2，红外辐射接收单元3和信息处理单元4；其中，

参考恒温单元1，位于光学镜头2前方和被测目标5后方；

光学镜头2，用于将被测目标5和参考恒温单元1发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元3；

红外辐射接收单元3，位于光学镜头2后方，用于将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元4；

信息处理单元4，与红外辐射接收单元3连接，用于将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出被测目标5对应的温度值。

在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，由参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元组成，其中红外辐射接收单元置于光学镜头后方，参考恒温单元置于光学镜头的前方，参考恒温单元的发射率固定，红外辐射接收单元与信息处理单元相连接，进行信息的交互，信息处理单元可接收红外辐射接收单元的信号转换为数字信号并输出对应的温度值，这样的设置简化了红外测温热像装置结构，由于现有技术中采用标准黑体辐射源进行参考，其发射率需与目标发射率相同，而本发明中参考恒温单元只要发射率固定即可，无需与被测目标处于同一数据采集面上，无需固定被测目标的位置，保持参考恒温单元与被测目标的相对位置即可，使用更加灵活方便，并且采用这种结构削弱了环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响，解决了红外测温温度漂移、开机测温稳定时间长问题。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，信息处理单元4，可以用于对同一时间内处理得到的参考恒温单元与被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。

具体地，将本发明实施例提供的上述红外测温热像装置布置于被测目标前方，被测目标发出的红外辐射经过光学镜头的传输被红外辐射接收单元所捕获传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值C；在同一时间内，参考恒温单元发出的红外辐射经过光学镜头被红外辐射接收单元所捕获转换为模拟信号传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值D；信息处理单元处理计算得出降噪数字信号值Cout＝C-D+A0，其中A0为设定基准值(预置好的基准值，A0为常数)，这样可以有效消除时域噪声(红外测温热像仪输出数值随时间的漂移波动)对输出数据带来的影响。例如：标定时红外测温热像装置面对30℃标准黑体辐射源、25°参考恒温单元的输出数字信号值分别为1100(叠加了100的噪声值)，600(叠加了100的噪声值)，那么此时Cout＝1100-600+A0＝500+A0，映射到温度为30℃。过了一段时间热像装置面对30℃标准黑体辐射源、25°参考恒温单元的输出值分别为1050(叠加了50的噪声值)，550(叠加了50的噪声值)，那么此时Cout＝1050-550+A0＝500+A0，叠加在有效数据上的噪声数据被消除了映射到温度为30℃，消除了时域噪声的影响测温数据更加稳定和精确。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，为了便于调整参考恒温单元的温度，信息处理单元4，与参考恒温单元1连接，还可以用于控制参考恒温单元进行温度设定，并使参考恒温单元稳定在设定温度上。

需要说明的是，参考恒温单元的设定温度可以是任意值，依靠信息处理单元的控制来设定。在实际应用中，信息处理单元可以调整参考恒温单元温度，使得在信息处理单元中参考恒温单元的数值与被测目标数值相等，此时参考恒温单元设定温度即为被测目标的温度，这样可以提高测试结果的准确性。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，还包括：映射关系建立单元，用于当被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

具体地，通过映射关系建立单元建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系，将图2中的被测目标更改为标准黑体目标，针对N个黑体目标，每个黑体目标具有不同的设定温度(或通过多次调整同一个黑体目标的温度来实现)，在红外测温热像装置面对黑体目标，温度为T1黑体目标辐射源发出的红外辐射经过光学镜头被红外辐射接收单元捕获转换为模拟信号传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值C1；参考恒单元发出的红外辐射经过光学镜头被红外辐射接收单元所捕获转换为模拟信号传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值D1；得出Cout1＝C1-D1+A0，其中A0为设定好的基准值。

根据上述方法，标准黑体辐射源的温度值为T2、T3、...Tn(n为大于0的正整数)，信息处理单元处理输出数字信号值依次为C2、C3、...Cn和D2、D3、...Dn，计算得出Cout2＝C2-D2+A0、Cout3＝C3-D3+A0...Coutn＝Cn-Dn+A0。接下来，通过多次曲线拟合方法(或插值方法)，就可以建立出降噪数字信号值与温度值(Cout-T)的映射关系。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，如图1所示，参考恒温单元1可以设置在光学镜头2的近距离处，这样使得整个红外测温热像装置体积小，占有空间相对小，使用更加灵活方便。需要说明的是，本发明中的参考恒温单元可以集成在红外测温热像装置内部，也可以在作为单独设备放置于光学镜头前方。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置中，红外辐射接收单元可以选择红外探测器。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种红外测温热像装置的实时校准测温方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种红外测温热像装置相似，因此该方法的实施可以参见红外测温热像装置的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的红外测温热像装置的实时校准测温方法，如图3所示，具体包括以下步骤：

S301、在红外测温热像装置面对被测目标时，被测目标和参考恒温单元发出红外辐射；

S302、光学镜头将被测目标和参考恒温单元发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元；

S303、红外辐射接收单元将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元；

S304、信息处理单元将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出被测目标对应的温度值。

在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，可以通过执行上述步骤，在红外测温热像装置面对被测目标时，被测目标发出红外辐射，经过光学镜头到达红外辐射接收单元，参考恒温单元发出的红外辐射经过光学镜头同样到达红外辐射接收单元，红外辐射接收单元接收到被测目标和参考恒温单元发射来的红外辐射输出模拟信号到信息处理单元，信息处理单元将接收到的模拟信号处理为数值信号，对应存放好的数值信号值与温度之间的映射关系，输出温度数值，这样削弱了环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响，解决红外测温温度漂移、开机测温稳定时间长问题。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，步骤S304信息处理单元得到降噪数字信号值，具体可以包括：信息处理单元对同一时间内处理得到的参考恒温单元与被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。该方法可以有效消除了时域噪声(红外测温热像仪输出数值随时间的漂移波动)对输出数据带来的影响。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，在执行步骤S301被测目标和参考恒温单元发出红外辐射之前，还可以包括：信息处理单元控制参考恒温单元进行温度设定，并使参考恒温单元稳定在设定温度上。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述红外测温热像装置的实时校准测温方法中，还可以包括：当被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

可以理解的是，上述方法是建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系的具体步骤，具体地，针对N个黑体目标，每个黑体目标具有不同的设定温度(或通过多次调整同一个黑体目标的温度来实现)，在红外测温热像装置面对标准黑体目标，温度为T1黑体目标辐射源发出的红外辐射经过光学镜头被红外辐射接收单元捕获转换为模拟信号传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值C1；参考恒单元发出的红外辐射经过光学镜头被红外辐射接收单元所捕获转换为模拟信号传输至信息处理单元，经信息处理单元处理输出数字信号值D1；得出Cout1＝C1-D1+A0，其中A0为设定好的基准值。同理，当标准黑体辐射源的温度值为T2、T3、...Tn(n为大于0的正整数)，信息处理单元处理输出数字信号值依次为C2、C3、...Cn和D2、D3、...Dn，计算得出Cout2＝C2-D2+A0、Cout3＝C3-D3+A0...Coutn＝Cn-Dn+A0。接下来，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立出降噪数字信号值与温度值(Cout-T)的映射关系。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

综上，本发明实施例提供的一种红外测温热像装置及其实时校准测温方法，包括：发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元；其中，参考恒温单元，位于光学镜头前方和被测目标后方；光学镜头，用于将被测目标和参考恒温单元发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元；红外辐射接收单元，位于光学镜头后方，用于将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元；信息处理单元，与红外辐射接收单元连接，用于将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出被测目标对应的温度值。本发明通过上述发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元的设置，简化了红外测温热像装置结构，由于现有技术中采用标准黑体辐射源进行参考，其发射率需与目标发射率相同，而本发明中参考恒温单元只要发射率固定即可，无需与被测目标处于同一数据采集面上，无需固定被测目标的位置，保持参考恒温单元与被测目标的相对位置即可，使用更加灵活方便，并且采用这种结构削弱了环境因素对红外辐射接收单元的干扰和对红外辐射传输的影响，解决红外测温温度漂移、开机测温稳定时间长问题。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的红外测温热像装置及其实时校准测温方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种红外测温热像装置，其特征在于，包括：发射率固定的参考恒温单元，光学镜头，红外辐射接收单元和信息处理单元；其中，

所述参考恒温单元，位于所述光学镜头前方和被测目标后方；

所述光学镜头，用于将所述被测目标和所述参考恒温单元发出的红外辐射传输至所述红外辐射接收单元；

所述红外辐射接收单元，位于所述光学镜头后方，用于将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至所述信息处理单元；

所述信息处理单元，与所述红外辐射接收单元连接，用于将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出所述被测目标对应的温度值。

2.根据权利要求1所述的红外测温热像装置，其特征在于，所述信息处理单元，用于对同一时间内处理得到的所述参考恒温单元与所述被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。

3.根据权利要求2所述的红外测温热像装置，其特征在于，所述信息处理单元，与所述参考恒温单元连接，还用于控制所述参考恒温单元进行温度设定，并使所述参考恒温单元稳定在设定温度上。

4.根据权利要求3所述的红外测温热像装置，其特征在于，还包括：

映射关系建立单元，用于当所述被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；所述标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

5.根据权利要求4所述的红外测温热像装置，其特征在于，所述参考恒温单元设置在所述光学镜头的近距离处。

6.根据权利要求1所述的红外测温热像装置，其特征在于，所述红外辐射接收单元为红外探测器。

7.一种如权利要求1至6任一项所述红外测温热像装置的实时校准测温方法，其特征在于，包括：

在所述红外测温热像装置面对被测目标时，所述被测目标和参考恒温单元发出红外辐射；

光学镜头将所述被测目标和所述参考恒温单元发出的红外辐射传输至红外辐射接收单元；

所述红外辐射接收单元将接收到的红外辐射处理为模拟信号并输出至信息处理单元；

所述信息处理单元将接收到的模拟信号处理为数字信号，得到降噪数字信号值，并根据预先建立的降噪数字信号值与温度值之间的映射关系，输出所述被测目标对应的温度值。

8.根据权利要求7所述的红外测温热像装置的实时校准测温方法，其特征在于，所述信息处理单元得到降噪数字信号值，具体包括：

所述信息处理单元对同一时间内处理得到的所述参考恒温单元与所述被测目标对应的数字信号值做差进行计算，根据做差结果和设定基准值之和得到降噪数字信号值。

9.根据权利要求8所述的红外测温热像装置的实时校准测温方法，其特征在于，在被测目标和参考恒温单元发出红外辐射之前，还包括：

所述信息处理单元控制所述参考恒温单元进行温度设定，并使所述参考恒温单元稳定在设定温度上。

10.根据权利要求9所述的红外测温热像装置的实时校准测温方法，其特征在于，还包括：

当所述被测目标为标准黑体目标，通过多次曲线拟合方法或插值方法建立降噪数字信号值与温度之间的映射关系；所述标准黑体目标为多个具有不同温度的标准黑体目标，或，经多次调整温度的同一个标准黑体目标。

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