CN112964364B - 一种红外热像仪的便携式标定装置和标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外热像仪的便携式标定装置，包括导热性能良好的便携式铝板，铝板形状为圆角矩形，铝板表面涂有发射率不同的五种涂层材料。本发明还公开了一种该便携式标定装置进行红外热像仪标定的方法，将待标定红外热像仪对准该装置铝板涂有不同发射率涂层的一面，拍摄铝板的热图，并采集其辐射数据和统计每个发射率涂层区域的平均辐射温度；用手持式点温仪对准该装置铝板上每个涂层区域的若干个点，取测量得到的若干个点的温度平均值作为该涂层区域的温度值，利用测量得到上述温度值，求解不同温度下红外热像仪的标定曲线。本发明装置具有便于携带和可适应多种测量场景的优点，本发明方法的计算步骤简单，可实现快速标定。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像标定领域，尤其涉及一种红外热像仪的便携式标定装置和标定方法。
背景技术
对处于复杂海面的船舶目标，诸多环境因素如太阳辐照强度、风速、风向等经常发生不规律的变化，影响船舶目标温度场的变化。在使用红外热像仪对船舶目标的辐射温度/亮度进行采集时，通常需要在测量前对拍摄装备进行一定的校验，校验的结果直接关系到最后对船舶目标的红外辐射特征采集结果。
利用现有技术对船舶目标进行红外辐射特性测量时，主要面临以下问题：一是船舶目标一般尺寸较大，在利用红外热像仪对其进行拍摄时，通常需要在较远距离处才能使得热像仪镜头的视场角完整覆盖整个船舶目标。同样地，对红外热像仪的标定，最好也能在同一环境和同等距离下进行，而现有的面源黑体辐射源标定装置通常采用电加热的方式对整块金属板进行温度控制，在保证尺度足够大的前提下，很难满足整块金属板温度达到均匀分布的需求，无法满足标定的需要；二是现有黑体辐射装置受尺度较大的限制，其前面板散热一般较大，如果考虑到周围环境的不稳定性，很容易造成黑体辐射面源辐射温度的波动，对红外热像仪的标定结果产生影响。
发明内容
为解决红外热像仪在测量船舶目标红外辐射特性时难以准确标定的问题，本发明公开了一种红外热像仪的便携式标定装置和标定方法，按照特定方案在其表面涂满不同发射率的涂层材料，利用红外热像仪采集该装置的红外辐射特征，同时利用温度测量设备(如点温仪)记录涂层表面的温度分布情况，根据物体热辐射传输方程，结合测量数据和一定的计算可以得到不同发射率涂层在热像仪观测结果下所满足的状态方程，对红外热像仪的测量结果进行标定，完成红外热像仪的标定。
本发明公开了一种红外热像仪的便携式标定装置，包括导热性能良好的便携式铝板，铝板形状为圆角矩形，铝板表面涂有发射率分别为εi,i＝1,2,3,4,5,的五种涂层材料。
便携式铝板选择导热效率比较均匀的铝材料，不同涂料的发射率按阶梯式增长来进行选取，例如，不同涂料的发射率取值为：
ε1＝0.5，ε2＝0.6，ε3＝0.7，ε4＝0.8，ε5＝0.9。
本发明公开了一种利用所述的红外热像仪的便携式标定装置进行红外热像仪标定的方法，其步骤包括：
将待标定红外热像仪对准该装置铝板涂有不同发射率涂层的一面，拍摄铝板的热图，并采集其辐射数据，将安装有IRSS3软件的上位机连接待标定红外热像仪，IRSS3软件获取待标定红外热像仪所采集的辐射数据，并统计每个发射率涂层区域的平均辐射温度，记为Ti，i＝1,2,3,4,5；红外热像仪与该装置铝板的距离由该装置铝板面积决定，其距离取值应使该装置铝板在红外热像仪的显示屏幕上的图像面积占据显示屏幕总面积的1/3以上。
用手持式点温仪对准该装置铝板上每个涂层区域的若干个点，取测量得到的若干个点的温度平均值作为该涂层区域的温度值，同时利用手持式点温仪测量并记录该测量时刻的大气温度Ta，再用手持式点温仪测量并记录铝板涂层的背面温度为Tl。
对于红外热像仪的便携式标定装置，假设其铝板表面各处的温度相同，则其不同发射率涂层满足如下的热辐射传输方程：
εiLb,i(T)+(1-εi)Lb(Ta)＝Li(Ti)+e(Ti)， (1)
其中Lb,i(T)为铝板背面温度为T时，发射率为εi的涂层表面的未经大气衰减的表观红外辐射亮度值，Lb(Ta)为大气温度Ta下黑体的红外辐射亮度，Li(Ti)为待标定红外热像仪测得的发射率为εi的涂层区域在平均辐射温度为Ti时的平均红外辐射亮度，平均红外辐射亮度通过与待标定红外热像仪连接的上位机上安装的IRSS3软件计算得到，IRSS3软件利用待标定红外热像仪所采集的辐射数据计算得到，e(Ti)为涂层区域在平均辐射温度为Ti时的热像仪测量误差，也称为红外热像仪的标定曲线。
在较小温度变化范围内，红外热像仪的测量误差是温度的线性函数，将热像仪测量误差表达为：
e(Ti)＝aTi+b， (2)
将该热像仪测量误差表达式带入热辐射传输方程，在不同涂层材料下得到关于未知变量Lb(Ta),a,b的5个线性方程组。对于该线性方程组的求解，每联立其中3个方程即求得一组a,b的解，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。特别地，对于所述的线性方程组的求解，分别取i＝1,2,5，i＝2,3,5，i＝3,4,5和i＝1,4,5，求解得到4组a,b的值，对该4组值取平均得到
最后得到不同温度下红外热像仪的标定曲线为：
其中，e(T)为红外热像仪在观测区域平均辐射温度为T时的测量误差，T为观测区域的平均辐射温度。
对于所述的线性方程组的求解，采用最小二乘方法求解得到变量a,b的取值，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。
本发明提供了一种用于红外热像仪的便携式标定装置和标定方法，可在不同环境下对红外热像仪进行标定，利用标定后的红外热像仪对海上船舶目标进行测量，获得其较为准确的红外辐射亮度特征。本发明的有益效果为：
(1)采用便携式的涂有不同发射率涂料的铝板作为被测量装置，在进行红外热像仪标定时，比一般的黑体辐射面源适用范围要广，且便于移动，可适应多种标定场景。
(2)从物体热辐射传输方程出发，通过求解不同发射率表面满足的热辐射方程，确定不同温度下红外热像仪的标定曲线，计算步骤简单，可实现快速标定。
附图说明
图1为用于红外热像仪的便携式标定装置。
图1中，1为铝板、2为发射率为ε1的涂层、3为发射率为ε2的涂层、4为发射率为ε3的涂层、5为发射率为ε4的涂层、6为发射率为ε5的涂层。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
本实施例公开了一种红外热像仪的便携式标定装置，包括导热性能良好的便携式铝板，铝板形状为圆角矩形，铝板表面涂有发射率分别为εi,i＝1,2,3,4,5,的五种涂层材料，其结构示意图如图1所示。五种涂层材料没有特定摆放位置要求，可以任意排列，体现了该标定装置和方法的广泛适用性。
便携式铝板选择导热效率比较均匀的铝材料，不同涂料的发射率按阶梯式增长来进行选取，例如，不同涂料的发射率取值为：
ε1＝0.5，ε2＝0.6，ε3＝0.7，ε4＝0.8，ε5＝0.9。
本发明公开了一种利用所述的红外热像仪的便携式标定装置进行红外热像仪标定的方法，其步骤包括：
将待标定红外热像仪对准该装置铝板涂有不同发射率涂层的一面，拍摄铝板的热图，并采集其辐射数据，将安装有IRSS3软件的上位机连接待标定红外热像仪，IRSS3软件获取待标定红外热像仪所采集的辐射数据，并统计每个发射率涂层区域的平均辐射温度，记为Ti，i＝1,2,3,4,5；红外热像仪与该装置铝板的距离由该装置铝板面积决定，其距离取值应使该装置铝板在红外热像仪的显示屏幕上的图像面积占据显示屏幕总面积的1/3以上。
用手持式点温仪对准该装置铝板上每个涂层区域的若干个点，取测量得到的若干个点的温度平均值作为该涂层区域的温度值，同时利用手持式点温仪测量并记录该测量时刻的大气温度Ta，再用手持式点温仪测量并记录铝板涂层的背面温度为Tl。
对于红外热像仪的便携式标定装置，所包含的铝板尺度较小，受热较为均匀，假设其铝板表面各处的温度相同，则其不同发射率涂层满足如下的热辐射传输方程：
εiLb,i(T)+(1-εi)Lb(Ta)＝Li(Ti)+e(Ti)， (1)
其中Lb,i(T)为铝板背面温度为T时，发射率为εi的涂层表面的未经大气衰减的表观红外辐射亮度值，Lb(Ta)为大气温度Ta下黑体的红外辐射亮度(在不借助额外气象测量设备的情况下，该量为未知变量)，Li(Ti)为待标定红外热像仪测得的发射率为εi的涂层区域在平均辐射温度为Ti时的平均红外辐射亮度，平均红外辐射亮度通过与待标定红外热像仪连接的上位机上安装的IRSS3软件计算得到，IRSS3软件利用待标定红外热像仪所采集的辐射数据计算得到，e(Ti)为涂层区域在平均辐射温度为Ti时的热像仪测量误差，也称为红外热像仪的标定曲线。本发明标定方法通过确定不同温度下的测量误差，对热像仪进行标定，给出相应的标定曲线。同一型热像仪的温度标定曲线在较小温度范围内一般为温度的线性函数。
在较小温度变化范围内，红外热像仪的测量误差是温度的线性函数，将热像仪测量误差表达为：
e(Ti)＝aTi+b， (2)
将该热像仪测量误差表达式带入热辐射传输方程，在不同涂层材料下得到关于未知变量Lb(Ta),a,b的5个线性方程组。对于该线性方程组的求解，每联立其中3个方程即求得一组a,b的解，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。特别地，对于所述的线性方程组的求解，分别取i＝1,2,5，i＝2,3,5，i＝3,4,5和i＝1,4,5，得到4组a,b的值，对该4组值取平均得到
最后得到不同温度下红外热像仪的标定曲线为：
其中，e(T)为红外热像仪在观测区域平均辐射温度为T时的测量误差，T为观测区域的平均辐射温度。
对于所述的线性方程组的求解，采用最小二乘方法得到变量a,b的取值，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种进行红外热像仪标定的方法，其特征在于，其利用红外热像仪的便携式标定装置来完成，所述的红外热像仪的便携式标定装置，包括导热性能良好的便携式铝板，铝板形状为圆角矩形，铝板表面涂有发射率分别为εi,i＝1,2,3,4,5,的五种涂层材料；便携式铝板选择导热效率比较均匀的铝材料，不同涂料的发射率按阶梯式增长来进行选取，不同涂料的发射率取值为：
ε1＝0.5，ε2＝0.6，ε3＝0.7，ε4＝0.8，ε5＝0.9；
所述的进行红外热像仪标定的方法，其步骤包括：
将待标定红外热像仪对准该装置铝板涂有不同发射率涂层的一面，拍摄铝板的热图，并采集其辐射数据，将安装有IRSS3软件的上位机连接待标定红外热像仪，IRSS3软件获取待标定红外热像仪所采集的辐射数据，并统计每个发射率涂层区域的平均辐射温度，记为Ti，i＝1,2,3,4,5；红外热像仪与该装置铝板的距离由该装置铝板面积决定，其距离取值应使该装置铝板在红外热像仪的显示屏幕上的图像面积占据显示屏幕总面积的1/3以上；
用手持式点温仪对准该装置铝板上每个涂层区域的若干个点，取测量得到的若干个点的温度平均值作为该涂层区域的温度值，同时利用手持式点温仪测量并记录该手持式点温仪测量时刻的大气温度Ta，再用手持式点温仪测量并记录铝板涂层的背面温度为Tl；
对于红外热像仪的便携式标定装置，假设其铝板表面各处的温度相同，则其不同发射率涂层满足如下的热辐射传输方程：
εiLb,i(T)+(1-εi)Lb(Ta)＝Li(Ti)+e(Ti)，
其中Lb,i(T)为铝板背面温度为T时，发射率为εi的涂层表面的未经大气衰减的表观红外辐射亮度值，Lb(Ta)为大气温度Ta下黑体的红外辐射亮度，Li(Ti)为待标定红外热像仪测得的发射率为εi的涂层区域在平均辐射温度为Ti时的平均红外辐射亮度，平均红外辐射亮度通过与待标定红外热像仪连接的上位机上安装的IRSS3软件计算得到，IRSS3软件利用待标定红外热像仪所采集的辐射数据计算得到，e(Ti)为涂层区域在平均辐射温度为Ti时的热像仪测量误差，也称为红外热像仪的标定曲线；
在较小温度变化范围内，红外热像仪的测量误差是温度的线性函数，将热像仪测量误差表达为：
e(Ti)＝aTi+b，
将该热像仪测量误差表达式带入热辐射传输方程，在不同涂层材料下得到关于未知变量Lb(Ta),a,b的5个线性方程组；对于该线性方程组的求解，每联立其中3个方程即求得一组a,b的解，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。
2.如权利要求1所述的进行红外热像仪标定的方法，其特征在于，对于所述的线性方程组的求解，分别取i＝1,2,5，i＝2,3,5，i＝3,4,5和i＝1,4,5，求解得到4组a,b的值，对该4组值取平均得到
最后得到不同温度下红外热像仪的标定曲线为：
其中，e(T)为红外热像仪在观测区域平均辐射温度为T时的测量误差，T为观测区域的平均辐射温度。
3.如权利要求1所述的进行红外热像仪标定的方法，其特征在于，对于所述的线性方程组的求解，采用最小二乘方法求解得到变量a,b的取值，从而得到不同温度下红外热像仪的标定曲线。
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