CN112050948A - 基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外成像测温技术领域，具体涉及一种基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法。采用近距离扩展源法进行定标，在数据处理方面采用基于红外辐射定律模型的拟合曲线法，同时为了提高测量精度，采用分段拟合，并提出探测器温度漂移模型实现消除环境辐射、红外探测器靶面温度因素对测温精度与稳定性的影响。通过将探测器放到恒温箱，调整探测器环境温度，获得不同镜筒温度、探测器靶面温度下的黑体图像，建立每一个像元镜筒温度‑靶面温度‑灰度变化曲线。随后改变黑体温度，进行近距离拓展源标定，并根据物理模型提出一种基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法。

Description

基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法

技术领域

本发明属于红外成像测温技术领域，具体涉及一种基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法。

背景技术

自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线。红外测温就是利用场景中物体本身的热辐射，对目标进行红外成像，并进行温度显示。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。如在开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等需求日益增多的情况下，红外测温作为非接触、无损测量的测温技术受到了广泛的关注。

当红外热像仪对物体成像时，物体表面向外辐射红外线，经过光学系统后将代表物体表面温度的辐射能量汇聚到探测器上，探测器输出电信号的幅度与输入辐射能量的大小成正比，经信号处理及计算，在显示器上显示出对应于物体表面温度分布的热像图。

由于红外温度测量的测温精度与物体发射率、环境辐射、红外探测器靶面温度、红外热像仪响应非均匀性及灰度漂移、定标及数据处理算法等多种因素有关。可见要获得高精度，高准确度的物体表面温度比较困难，同时误差项也比较多，影响了红外测温在诸多技术领域的应用。因此如何有效消减各种因素的影响，提高红外成像测温的精度是解决该领域应用的重中之重。

目前对于物体发射率、红外热像仪响应非均匀性及灰度漂移的研究已经日渐成熟，而在定标及数据处理算法上以及环境辐射、红外探测器靶面温度对红外测温数据的影响等方面所采用的方法大致为以下方面。

红外热像仪采集到的二维图像代表着目标表面的热辐射分布，也代表着目标的温度信息。但是由于目标温度与探测器接收的辐射能量不是简单的线性关系，而是非线性，另外还会受到环境温度、目标的表面发射率、探测器靶面温度等的影响，因此并不能直接从红外成像系统输出的热图像得到目标的定量的温度值，而只是定性的表示。为了根据目标的热图像得到目标的绝对温度，需要通过定标来建立图像灰度与目标温度的对应关系。定标一般是以标准辐射源(常为高精度、高发射率的黑体)为基准源，用热成像系统采集在不同温度下的辐射图像，然后根据辐射图像的灰度和黑体真实温度值拟合出图像灰度与温度的关系曲线，实际测温应用时，可以根据定标的关系曲线和采集到的目标的灰度值计算出目标的绝对温度，实现测温。

如今常见的定标主要有两种：近距离扩展源法和远距离小源法。近距离扩展源法要求定标源的面积必须充满红外成像系统的整个视场。在远距离小源法中，把定标黑体源置于离开热像仪足够远的距离上，使它处于热像仪的视场范围之内并能够清晰成像，但不能充满视场。为了减少大气对红外线的吸收，以及红外热像仪响应非均匀性因素的影响一般采用近距离扩展源法。

而在数据处理上常用的处理方法主要有两种：拟合曲线法和查找表法。拟合曲线法，采用最小二乘法对采集到的样本数据进行处理，得到一条温度与灰度对应关系的拟合曲线，拟合曲线法具有定标样本点少、定标工作量小的优点，但因拟合曲线时会存在误差，因此会影响到测温精度的提高。查找表法是把定标的样本点建立一个数据库，也就是查找表，实际测温时根据得到的目标图像灰度值查表即可得到目标的温度。查找表法必须建立足够多的样本点才可以取得很高的精度，所以建立样本数据库的难度较大，耗时较长，特别是测温范围比较宽时，定标周期将会很长。

对于环境辐射，采用快门或挡片来获取近似的环境温度，当环境温度改变时，快门关闭，采集一幅包含实时环温下的背景黑体图像，对物体图像进行校正，消除环境温度变化对温度计算的影响。

对于红外探测器靶面温度，由于探侧器的靶面温度会随着环境温度、偏置电流和吸收红外辐射的增加而升高,这将对红外探测器的响应产生影响，为了消除该影响，多数采用添加TEC等温控电路的手段来稳定红外探测器靶面温度。

现采用的曲线拟合方法采用全局拟合，对感兴趣区域及温度动态范围比较大的场景拟合误差会较大，严重影响测温精度的提高。而查找表法必须建立足够多的样本点才可以取得较高的精度，建立样本数据库的难度较大，耗时较长，特别是测温范围比较宽时，定标周期将会很长，增加了实际生产产品的时间成本，人力成本等因素。

为了减低环境温度对图像测温的影响，现有技术常引入快门或挡片，这无疑存在占用成像系统空间，使得成像测温系统机械结构的轻小型化设计困难的问题，同时也增加了成像测温系统电路复杂度。此外，长时间的开关快门挡片，不仅会对探测器表面造成一定程度的磨损，而且在剧烈震动的环境下使用容易造成机械结构上的损坏。

为了减低红外探测器靶面温度对图像测温的影响，现有技术常引入TEC等温控电路，这将会增加仪器的功耗，特别是在温度变化比较剧烈的场景，将会大幅增加红外热像仪的功耗，从而约束了红外测温的实际应用范围，不利于红外测温的多领域推广。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法。

本发明是这样实现的，基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法，包括如下步骤：

1)红外探测器开机成像；

2)进行第一轮标定，确定探测器温度漂移模型；

将探测器置于恒温箱中，调整恒温箱内温度，获得不同镜筒温度、探测器靶面温度下，同一黑体温度的图像，建立每一个像元灰度-黑体温度-镜筒温度-靶面温度的变化曲线，即

I＝H(T_B，T_L，T_F) (1)，

其中I为灰度，T_B为黑体温度，T_L为镜筒温度，T_F为靶面温度，通过恒温箱及探测器本身工作，使镜筒温度和探测器靶面温度连续变化，并以两个判定标准进行判定后，记录改变后的图像灰度值，从而获得一系列的标定数据，通过该标定数据进行最小二乘法数据拟合：

其中，a_i为拟合系数，根据标定数据得到；

3)进行第二轮标定：

让探测器保持稳定工作状态，改变黑体温度，根据产品所需测量的温度范围Range_k进行设定，每隔k℃，进行采集，记录每个温度下的图像灰度值、靶面温度、镜筒温度，通过前一轮标定得到的系数，得到拟合灰度值H(T_B′，T_L′，T_F′)与实际灰度值I′在靶面温度、镜筒温度已知的情况下的误差值，即：

ε＝I′-H(T_B′，T_L′，T_F′) (3)

以此得到n＝Range_k/k+1组误差值，同时将黑体温度与图像灰度值的对应关系分为n段，以此进行分段拟合，经过两轮的标定后，即可在实际使用时对任意灰度值进行温度计算；

具体的，第一轮标定解决的是靶面温度变化对探测器输出灰度值的影响，标定过程中改变的是靶面温度和镜筒温度，黑体温度恒定不变；

第二轮标定解决的是黑体温度变化对探测器输出灰度值得影响；

分两步进行标定的原因是因为靶面温度无法恒定，因此先恒定黑体温度，进行建模，之后再改变黑体温度；

4)获取红外探测器正常工作时的靶面温度和镜筒温度，通过步骤3)中计算出的系数，计算n组I₀＝H(T_B，T_L0，T_F0)+ε校正后的灰度值

5)通过T＝F(M)＝F(G(I))，计算得到温度-灰度值映射表；

6)利用该模型对场景中任意点温度值进行测量。

优选地，步骤2)中的两个判定标准为：镜筒温度改变量大于±0.5和探测器靶面温度改变量大于±0.2。

进一步优选，步骤5)中T＝F(M)＝F(G(I))是通过如下方法变换得到：

a)根据普朗克黑体辐射定律，得出某一波长范围内的黑体光谱辐射出射度为：

当波长范围为8～15μm时，通过计算可得黑体光谱辐射出射度与该黑体温度之间的函数关系，即M＝f(T)；

b)根据非制冷焦平面探测器输出图像的灰度值正比于红外辐射的辐射度，其函数关系为I＝g(M)，建立起目标黑体温度与红外热像仪输出图像灰度间的模型，即I＝g(f(T))；

c)反向计算得到T＝F(M)＝F(G(I))，从而得到灰度-温度值的一一对应映射表。

进一步优选，所述镜筒温度代表环境温度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过分段拟合，对感兴趣区域或温度动态比较大的场景能够减少拟合误差，本方法的误差为±0.2，比常用的全局拟合误差精度提高了一个数量级，大大提高了测温精度。

2、在没有引入挡片的情况下，有效抑制环境温度对测温的影响，减少了成像系统机械及电路复杂度。

3、在没有引入TEC温控的情况下，有效抑制探测器靶面温度对测温的影响，有效避免了红外热像仪测温功耗的增加。

4、只需采集少量的标定数据，即可在无快门无TEC温控的情况下，根据红外辐射定律优化图像灰度与目标物体表面温度的对应关系，实现精确测温。

附图说明

图1为本发明提供的方法测温流程图；

图2为探测器靶面温度随工作时间的变化关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在探测不同温度黑体目标，控制环境温度与探测器靶面温度变化的条件下，分析探测器输出图像灰度值的变化规律，建立目标温度-输出灰度值漂移模型，抑制环境温度与探测器靶面温度变化对红外热像仪测温准确度的影响。考虑到镜筒温度最靠近探测器工作时的环境温度，以此来替代红外探测器工作时的环境辐射，提出基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法。

首先，由于红外热像仪的测温技术是在红外辐射定律的基础上进行研究，因此基于普朗克黑体辐射定律可知，对于某一波长范围内的黑体光谱辐射出射度为

由于本发明使用的热像仪为长波红外热像仪，因此波长范围为8～15μm的红外长波。通过计算可得黑体光谱辐射出射度与该黑体温度之间的函数关系，即M＝f(T)。

本发明使用的红外热像仪的探测器为非制冷焦平面探测器，输出图像的灰度值正比于红外辐射的辐射度，其函数关系为I＝g(M)。如此建立起目标黑体温度与红外热像仪输出图像灰度间的模型I＝g(f(T))。

然而在实际的测温过程中，目标物体不仅会辐射本身的能量，同时会受到环境温度的影响，反射周围环境的辐射量。因此入射到探测器上的能量将由目标物体辐射量与环境辐射量两个部分构成。根据斯蒂芬·波尔兹曼定律可得

E＝εσT_B ⁴+(1-ε)σT_E ⁴ (5)

为了有效的减少环境温度对测温的影响，在不引入挡片的情况下，本发明考虑到镜筒的材质，结构等因素，发现其温度最接近探测器成像的环境温度。其测量数据如表1所示。

表1不同环境温度下工作状态中的镜筒温度

可见在情况允许的情况下，完全可以用镜筒温度去代替环境温度从而避免引入快门或挡片，有效减少成像系统机械及电路复杂度。

同时控制环境温度为10℃的情况下观测探测器温度随时间的变化关系，如附图2所示。

可以看出，探测器的温度随着探测时间的增加而增加，最后趋于稳定。这是由于对于非制冷焦平面探测器，其靶面温度升高主要由3个方面影响，环境温度，红外辐射以及偏置电压。环境温度主要是在待机或关机状态下对探测器靶面温度有影响。红外辐射是在探测器工作时，采集到的探测目标的辐射量。偏置电压为探测器工作时产生的电压，并因而产生焦耳热。当探测器探测目标温度恒定或变化较小，且温度低于300℃，探测器处于环境温度稳定，周围无高温辐射热源时，由偏置电压产生的焦耳热是红外辐射能量的很多倍，此时探测器温度的升高主要是由于偏置电压引起的。探测器在持续的偏置电压的影响下，温度一直升高，当其产生的焦耳热与其热传导损失的能量达到平衡时，探测器温度将逐渐趋于平衡。

探测器接收红外辐射与偏置电压作用时的热平衡方程如下，

式中C为探测器热容，G为探测器平均热导率，η为探测器吸收系数，P₀exp(jωt)为入射辐射功率，P_J(T)为偏置电压引入的焦耳热功率，T是探测器靶面温度，ΔT＝T-T_s，T_s为探测器基准工作温度或者称之为衬底温度。

探测器偏置电压产生的焦耳热功率可以表示为P_J(T)＝P′_J(T_s)·ΔT+P_J(T_s)，若设G_e＝G-P′_J(T_s)·ΔT，则探测器的热平衡方程变为，

求得探测器的温度变化为

等式右边第一项为偏置电压作用，第二项为红外辐射作用。可见若G_e＞0，偏置作用项随时间的延长而趋于稳定。

探测器靶面温度的提高将影响到热敏电阻对红外辐射的响应率，使响应率降低，从而影响红外测温的精度，常见的方法是使用TEC等温控电路对探测器靶面温度进行校正，使其稳定工作在某个温度或者温度范围内。本发明利用理论计算，分析靶面温度的温度变化特性，将靶面温度值作为一个影响变量加入到算法拟合中，利用算法对其进行温度校正，有效避免了红外热像仪测温随着TEC电路的加入而导致在环境温度变化较大或者工作温度与设定温度相差较大的情况下功耗急剧增加的问题，且有效抑制探测器靶面温度对测温的影响。

在分析了环境温度及探测器靶面温度对测温的影响，并提出了替代测量量和理论公式后，在进行标定时，本发明采用近距离扩展源法进行定标。在进行近距离扩展源法标定时，让黑体充满探测器视场范围，建立黑体温度与图像灰度的关系。本发明的标定方式有别于常规标定方式之处在于考虑了环境温度及探测器靶面温度对测温的影响。

本方法进行第一轮标定时，通过将探测器放到恒温箱，调整探测器环境温度，获得不同镜筒温度、探测器靶面温度下，同一黑体温度的图像，建立每一个像元镜筒温度-靶面温度-灰度变化曲线，即

I＝H(T_B，T_L，T_F) (1)

其中T_B为黑体温度，T_L为镜筒温度，T_F为靶面温度。通过温箱及探测器本身工作，使镜筒温度和探测器靶面温度连续变化，并以如下两个判定标准：

1、镜筒温度改变量大于±0.5；

2、探测器靶面温度改变量大于±0.2；

进行判定后，记录改变后的图像灰度值，从而获得一系列的标定数据。通过该标定数据，我们进行最小二乘法数据拟合，

随后进行第二轮标定，此时让探测器工作在稳定工作状态，改变探测器所面对的黑体温度，根据产品所需测量的温度范围Range_k进行设定，每隔k℃，进行采集，记录当时的图像灰度值，靶面温度，镜筒温度。通过前一轮标定得到的系数，可以得到拟合灰度值与实际灰度值，在靶面温度，镜筒温度已知的情况下的误差值。即

ε＝I′-H(T_B′，T_L′，T_F′) (3)

以此可以得到n＝Range_k/k+1组误差值，同时也将黑体温度与图像灰度值的对应关系分为n段，以此进行分段拟合。

进行过两轮的标定后，即可在实际使用时对任意灰度值进行温度计算。探测器在工作时，实时获取靶面温度和镜筒温度，通过I₀＝H(T_B，T_L0，T_F0)+ε获得n组校正后的灰度值

此时根据之前得到的I＝g(M)，通过逆变换得到M＝G(I)，随后再进行反向计算M＝f(T)得到T＝F(M)＝F(G(I))，从而得到灰度-温度值的一一对应映射表。

利用本发明提供的方法进行测温的流程参考图1。

Claims (4)

1.基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法，其特征在于，无需开关挡片或快门的条件下实现测温，具体包括如下步骤：

1)红外探测器开机成像；

2)进行第一轮标定，确定探测器温度漂移模型；

将探测器置于恒温箱中，调整恒温箱内温度，获得不同镜筒温度、探测器靶面温度下，同一黑体温度的图像，建立每一个像元灰度-黑体温度-镜筒温度-靶面温度的变化曲线，即

I＝H(T_B,T_L,T_F) (1)，

其中I为灰度，T_B为黑体温度，T_L为镜筒温度，T_F为靶面温度，通过恒温箱及探测器本身工作，使镜筒温度和探测器靶面温度连续变化，并以两个判定标准进行判定后，记录改变后的图像灰度值，从而获得一系列的标定数据，通过该标定数据进行最小二乘法数据拟合：

其中，a_i为拟合系数，根据标定数据得到；

3)进行第二轮标定：

让探测器保持稳定工作状态，改变黑体温度，根据产品所需测量的温度范围Range_k进行设定，每隔k℃，进行采集，记录每个温度下的图像灰度值、靶面温度、镜筒温度，通过前一轮标定得到的系数，得到拟合灰度值H(T_B′,T_L′,T_F′)与实际灰度值I′在靶面温度、镜筒温度已知的情况下的误差值，即：

ε＝I′-H(T_B′,T_L′,T_F′) (3)

以此得到n＝Range_k/k+1组误差值，同时将黑体温度与图像灰度值的对应关系分为n段，以此进行分段拟合，经过两轮的标定后，即可在实际使用时对任意灰度值进行温度计算；

4)获取红外探测器正常工作时的靶面温度和镜筒温度，通过步骤3)中计算出的系数，计算n组I₀＝H(T_B,T_L0,T_F0)+ε校正后的灰度值

5)通过T＝F(M)＝F(G(I))，计算得到温度-灰度值映射表；

6)利用该模型对场景中任意点温度值进行测量。

2.如权利要求1所述的基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法，其特征在于，步骤2)中的两个判定标准为：镜筒温度改变量大于±0.5和探测器靶面温度改变量大于±0.2。

3.如权利要求1所述的基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法，其特征在于，步骤5)中T＝F(M)＝F(G(I))是通过如下方法变换得到：

a)根据普朗克黑体辐射定律，得出某一波长范围内的黑体光谱辐射出射度为：

当波长范围为8～15μm时，通过计算可得黑体光谱辐射出射度与该黑体温度之间的函数关系，即M＝f(T)；

b)根据非制冷焦平面探测器输出图像的灰度值正比于红外辐射的辐射度，其函数关系为I＝g(M)，建立起目标黑体温度与红外热像仪输出图像灰度间的模型，即I＝g(f(T))；

c)反向计算得到T＝F(M)＝F(G(I))，从而得到灰度-温度值的一一对应映射表。

4.如权利要求1所述的基于探测器温度漂移模型的无挡片红外测温方法，其特征在于，所述镜筒温度代表环境温度。

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