CN112504471B - 一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外测温领域，具体涉及一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法，通过标定不同环境温度下，探测器对不同黑体温度的输出响应，分析不同环境温度和不同黑体温度下探测器输出响应规律，建立红外测温一阶模型，依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度。与现有技术相比较，本发明通过分析不同环境温度、不同黑体温度对应的探测器响应输出，建立红外测温一阶模型，同时结合探测器输出响应动态范围实现快速红外测温功能，可以应用于智能监控系统可实现全监控区域温度的实时监测。

Description

一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法

技术领域

本发明属于红外测温领域，具体涉及一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法，其涉及红外测温数据标定、红外测温模型建立和被测物体温度快速反演技术。

背景技术

非制冷红外成像系统具有小型化、低成本、低功耗、全天候工作等优点，广泛应用于智能监控领域。红外测温技术是红外成像系统的重要应用之一，目前的红外测温算法模型为被测物体温度与对应的探测器输出响应高阶拟合曲线，计算复杂度高，难以在智能监控系统中实现全监控区域温度的实时监测。

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：针对现有测温方法实时性差的问题，提出一种快速的红外测温方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法，通过标定不同环境温度下，探测器对不同黑体温度的输出响应，分析不同环境温度和不同黑体温度下探测器输出响应规律，建立红外测温一阶模型，依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度。

其中，所述实时红外测温方法包括如下步骤：

步骤1：标定不同环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应；

步骤2：建立同一黑体温度、不同环境温度对应的探测器输出响应关系；

步骤3：建立同一环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应关系；

步骤4：依据步骤2级步骤3的响应关系建立红外测温一阶模型；

步骤5：依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度。

其中，根据热辐射理论，目标表面温度和探测器输出响应关系如公式(1)所述：

V_s＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-α)f(T_u)]+ε_αf(T_α)} (1)

式中，V_s为与辐射功率相对应的信号电压；τ_α为大气光谱透射率；ε为目标表面发射率；α为目标光谱吸收率；T₀为目标表面温度；T_u为目标环境温度；T_α为大气温度；ε_α为大气发射率；K＝A_RA₀d^-2，A_R为红外成像系统最小张角所对应的目标可视面积，d为该目标到测量仪的距离，A₀为红外成像系统的透镜面积，是定值，因此K在此式中被认为是一个参数常量；

R_λ为探测器的光谱响应度，L_bλ(T)为物体表面的光谱辐射亮度；

对于一些非金属表面，若满足灰体近似，则ε＝α；对于大气，认为ε_α＝α_α＝1-τ_α，则：

V_S＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_α)f(T_α)} (2)

在近距离进行测量时，可以忽略大气吸收，则τ_α＝1，则：

V_S＝K[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)] (3)

当被测表面为标准辐射源黑体时，发射率ε＝1，则由式(3)可进一步得到：

V_S＝Kf(T₀) (4)

由普朗克辐射定律可知：

式中，c₁＝3.7418×10^-4W·cm²为第一辐射常数，c₂＝1.4388cm·K为第二辐射常数。假设探测器响应波段为[0，+∞]，即全波段，由式(6)积分可得：

f(T)＝CT⁴ (6)

式中，C为比例常数，将式(6)带入式(4)，得到：

对于非制冷红外探测器，辐射功率对应的信号电压V_s与探测器输出响应灰度G呈线性关系，根据式(7)得到探测器输出灰度G与黑体辐射温度T₀的关系为：

式中，a为线性关系斜率、b为线性关系截距。

其中，在实际工程应用中，非制冷红外探测器响应波段为[8μm,14μm]，因此，探测器输出响应与黑体辐射温度关系只能为公式(8)。

其中，对于同一黑体温度、不同环境温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从-20℃到50℃以5℃为间隔设置温箱温度，记录探测器对不同黑体温度的输出响应。

其中，当探测器工作的环境温度变化较大时，对同一黑体温度，探测器输出响应为非线性，当探测器工作环境温度范围较窄时，对同一黑体温度，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短环境温度标定间隔，采用多段线性关系表征环境温度和探测器响应输出关系。

其中，对于同一环境温度、不同黑体温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从5℃到80℃以5℃为间隔设置黑体温度，记录探测器对不同环境温度的输出响应。

其中，同一环境温度下，探测器对宽温度范围黑体输出响应为非线性，当黑体温度范围较窄时，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短黑体温度标定间隔，采用多段线性关系表征黑体温度和探测器响应输出关系。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明通过分析不同环境温度、不同黑体温度对应的探测器响应输出，建立红外测温一阶模型，同时结合探测器输出响应动态范围实现快速红外测温功能。该方法应用于智能监控系统可实现全监控区域温度的实时监测。

附图说明

图1为不同环境温度与探测器响应输出关系示意图。

图2为不同黑体温度与探测器响应输出关系示意图。

图3为本方法原理框图。

图4为温度测量误差曲线示意图。

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。

为解决现有技术问题，本发明提供一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法，其通过标定不同环境温度下，探测器对不同黑体温度的输出响应，分析不同环境温度和不同黑体温度下探测器输出响应规律，建立红外测温一阶模型，依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度。

其中，所述实时红外测温方法包括如下步骤：

步骤1：标定不同环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应；

步骤2：建立同一黑体温度、不同环境温度对应的探测器输出响应关系；

步骤3：建立同一环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应关系；

步骤4：依据步骤2级步骤3的响应关系建立红外测温一阶模型；

步骤5：依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度。

其中，根据热辐射理论，目标表面温度和探测器输出响应关系如公式(1)所述：

V_s＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-α)f(T_u)]+ε_αf(T_α)} (1)

式中，V_s为与辐射功率相对应的信号电压；τ_α为大气光谱透射率；ε为目标表面发射率；α为目标光谱吸收率；T₀为目标表面温度；T_u为目标环境温度；T_α为大气温度；ε_α为大气发射率；K＝A_RA₀d^-2，A_R为红外成像系统最小张角所对应的目标可视面积，d为该目标到测量仪的距离(通常在一定条件下，A₀d^-2为常值)，A₀为红外成像系统的透镜面积，是定值，因此K在此式中可被认为是一个参数常量；

R_λ为探测器的光谱响应度，L_bλ(T)为物体表面的光谱辐射亮度；

对于一些非金属表面，若满足灰体近似，则ε＝α；对于大气，认为ε_α＝α_α＝1-τ_α，则：

V_S＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_α)f(T_α)} (2)

在近距离进行测量时，可以忽略大气吸收，则τ_α＝1，则：

V_S＝K[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)] (3)

当被测表面为标准辐射源黑体时，发射率ε＝1，则由式(3)可进一步得到：

V_S＝Kf(T₀) (4)

由普朗克辐射定律可知：

式中，c₁＝3.7418×10^-4W·cm²为第一辐射常数，c₂＝1.4388cm·K为第二辐射常数。假设探测器响应波段为[0，+∞]，即全波段，由式(6)积分可得：

f(T)＝CT⁴ (6)

式中，C为比例常数，将式(6)带入式(4)，得到：

对于非制冷红外探测器，辐射功率对应的信号电压V_s与探测器输出响应灰度G呈线性关系，根据式(7)得到探测器输出灰度G与黑体辐射温度T₀的关系为：

式中，a为线性关系斜率、b为线性关系截距。

其中，在实际工程应用中，非制冷红外探测器响应波段一般为[8μm,14μm]，因此，探测器输出响应与黑体辐射温度关系只能近似于为公式(8)。

其中，对于同一黑体温度、不同环境温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从-20℃到50℃以5℃为间隔设置温箱温度，记录探测器对不同黑体温度的输出响应，如图1所示。

其中，由图1知，当探测器工作的环境温度变化较大时，对同一黑体温度，探测器输出响应为非线性，当探测器工作环境温度范围较窄时，对同一黑体温度，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短环境温度标定间隔，采用多段线性关系表征环境温度和探测器响应输出关系。

其中，对于同一环境温度、不同黑体温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从5℃到80℃以5℃为间隔设置黑体温度，记录探测器对不同环境温度的输出响应，如图2所示。

其中，由图2知，同一环境温度下，探测器对宽温度范围黑体输出响应为非线性，当黑体温度范围较窄时，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短黑体温度标定间隔，采用多段线性关系表征黑体温度和探测器响应输出关系。

在具体实施过程中，本发明基于环境温度和黑体温度，预先存储探测器对不同环境温度和不同黑体温度输出响应映射矩阵。依据探测器动态范围和环境温度采用查表法和双线性插值方法生成当前环境温度下，探测器全动态范围内温度映射矩阵，依据当前温度映射矩阵反演出探测器全监控区域内各像元输出响应对应的温度值，原理框图如图3所示。

下面对本发明的应用于智能监控系统的实时红外测温方法进行进一步描述：

(1)预先标定一系列不同环境温度下，探测器对不同温度黑体的输出响应，建立探测器输出响应、黑体温度和环境温度的一一对应关系，生成温度映射矩阵。由于非制冷红外探测器焦平面温度(以下简称FPA温度)与环境温度有联动特性，因此可用FPA温度表征环境温度，关系映射矩阵为g[Ent][BB].FPA、g[Ent][BB].Avg。其中Ent表示环境温度标定索引值，即假设系统工作环境温度为[-20℃,50℃]，环境温度标定间隔为5℃，则Ent取值为0、1、2…13、14分别对应环境温度-20℃、-15℃、-10℃…45℃、50℃。BB表示同一环境温度下不同黑体温度索引值，即假设系统需监测的目标温度范围为[5℃,60℃]，黑体温度标定间隔为5℃，则BB取值为0、1、2…10、11，分别对应黑体温度5℃、10℃、15℃…55℃、60℃。g[Ent][BB].FPA表示标定当前环境温度、当前黑体温度时探测器的FPA值，g[Ent][BB].Avg表示标定当前环境温度、当前黑体温度时探测器的输出响应值；

(2)现场使用时，根据当前FPA值，查找步骤(1)生成的温度映射矩阵，获得离当前FPA值最近的两段基准温度映射表g[Ent0][BB].FPA，g[Ent1][BB].FPA。

其中，g[Ent0][BB].FPA≤FPA≤g[Ent1][BB].FPA，并计算FPA插值系数，如公式(9)所示：

(3)依据当前FPA插值系数Ratio_FPA生成当前温度映射矩阵，如公式(10)所示：

(4)温度反演：假设本发明选用的非制冷探测器面阵为384×288，为实现全监控区域温度监测，传统的测温算法将遍历384×288个像元输出响应反演出每个像元对应的温度值，由此，需进行110592次测温运算。本方法利用红外成像系统动态范围窄的特点(像元输出响应范围为[0,16383])，预先反演出全动态范围内的温度矩阵表temp[Value]，其中，Value为探测器全动态范围输出响应，取值遍历[0,16383],temp[Value]为当前Value对应的温度值。

本发明仅需进行16384次测温运算。测温算法的时间复杂度由原来的110592减少到16384,计算速率提高了近7倍，若探测器面阵选型越大，节约的计算时间将会越多。具体的温度反演过程如下：

假设像元输出响应为Value，依据Value查找步骤(3)生成的温度映射矩阵g[Ent][BB].Avg，获得离当前Value值最近的两段基准温度映射表g[Ent][BB0].Avg，g[Ent][BB1].Avg。

其中g[Ent][BB0].Avg≤Value≤g[Ent][BB1].Avg，并计算Value插值系数，如公式(11)所示：

依据当前像元输出响应插值系数Ratio_Avg反演出温度信息，如公式(12)所示：

temp＝BB0+T×Ratio_Avg (12)

其中，T为黑体温度标定间隔。

(5)Value遍历[0,16383]，依据步骤(4)生成温度反演矩阵temp[Value]；

(6)探测器每个像元的输出响应通过查找temp[Value]矩阵获得对应的温度信息，从而实现全监控区域的温度监测。

实验效果：

为验证本发明的测温精度，在不同环境温度下，对不同黑体温度进行了温度测量，测量结果如表1所示，绝对测量误差曲线如图4所示。

表1温度测量结果

由图4知，系统在[-20℃,40℃]环境温度下，温度测量范围为[5℃,60℃]时，温度测量绝对误差不大于0.5℃。

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 (2)

1.一种应用于智能监控系统的实时红外测温方法，其特征在于，通过标定不同环境温度下，探测器对不同黑体温度的输出响应，分析不同环境温度和不同黑体温度下探测器输出响应规律，建立红外测温一阶模型，依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度；

所述实时红外测温方法包括如下步骤：

步骤1：标定不同环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应；

步骤2：建立同一黑体温度、不同环境温度对应的探测器输出响应关系；

步骤3：建立同一环境温度、不同黑体温度对应的探测器输出响应关系；

步骤4：依据步骤2级步骤3的响应关系建立红外测温一阶模型；

步骤5：依据测温模型和探测器输出响应动态范围快速反演被测物体温度；

根据热辐射理论，目标表面温度和探测器输出响应关系如公式(1)所述：

V_s＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-α)f(T_u)]+ε_αf(T_α)} (1)

式中，V_s为与辐射功率相对应的信号电压；τ_α为大气光谱透射率；ε为目标表面发射率；α为目标光谱吸收率；T₀为目标表面温度；T_u为目标环境温度；T_α为大气温度；ε_α为大气发射率；K＝A_RA₀d^-2，A_R为红外成像系统最小张角所对应的目标可视面积，d为该目标到测量仪的距离，A₀为红外成像系统的透镜面积，是定值，因此K在此式中被认为是一个参数常量；

R_λ为探测器的光谱响应度，L_bλ(T)为物体表面的光谱辐射亮度；

对于一些非金属表面，若满足灰体近似，则ε＝α；对于大气，认为ε_α＝α_α＝1-τ_α，则：

V_S＝K{τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_α)f(T_α)} (2)

在近距离进行测量时，可以忽略大气吸收，则τ_α＝1，则：

V_S＝K[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)] (3)

当被测表面为标准辐射源黑体时，发射率ε＝1，则由式(3)可进一步得到：

V_S＝Kf(T₀) (4)

由普朗克辐射定律可知：

式中，c₁＝3.7418×10^-4W·cm²为第一辐射常数，c₂＝1.4388cm·K为第二辐射常数。假设探测器响应波段为[0，+∞]，即全波段，由式(6)积分可得：

f(T)＝CT⁴ (6)

式中，C为比例常数，将式(6)带入式(4)，得到：

对于非制冷红外探测器，辐射功率对应的信号电压V_s与探测器输出响应灰度G呈线性关系，根据式(7)得到探测器输出灰度G与黑体辐射温度T₀的关系为：

式中，a为线性关系斜率、b为线性关系截距；

对于同一黑体温度、不同环境温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从-20℃到50℃以5℃为间隔设置温箱温度，记录探测器对不同黑体温度的输出响应；

当探测器工作的环境温度变化较大时，对同一黑体温度，探测器输出响应为非线性，当探测器工作环境温度范围较窄时，对同一黑体温度，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短环境温度标定间隔，采用多段线性关系表征环境温度和探测器响应输出关系；

对于同一环境温度、不同黑体温度下对应的探测器输出响应模型；

将探测器和黑体放置在温度控制箱内，从5℃到80℃以5℃为间隔设置黑体温度，记录探测器对不同环境温度的输出响应；

同一环境温度下，探测器对宽温度范围黑体输出响应为非线性，当黑体温度范围较窄时，探测器输出响应近似为线性；因此，在温度标定时，可适当缩短黑体温度标定间隔，采用多段线性关系表征黑体温度和探测器响应输出关系。

2.如权利要求1所述的应用于智能监控系统的实时红外测温方法，其特征在于，在实际工程应用中，非制冷红外探测器响应波段为[8μm,14μm]，因此，探测器输出响应与黑体辐射温度关系只能为公式(8)。

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