CN113654667B - 一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法 - Google Patents

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Abstract

一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法，涉及红外辐射测温技术，为了解决现有的红外辐射测温过程中，标定工作量大、标定耗时长以及测量精度差的问题。本发明对红外辐射测温系统进行第一组实验标定，求解出增益常数和偏置常数；对红外辐射测温系统进行第二组实验标定，得到第二组实验标定系统输出电压响应；求解第二组实验标定辐射亮度响应，判断第二组实验标定函数拟合优度是否满足预先设定阈值；进而确定拟合阶数，建立发射率模型；结合增益常数和偏置常数以及发射率模型，得到理论标定函数；根据理论标定函数，结合普朗克公式与朗伯辐射定律，求解出目标的真实温度。有益效果为降低了标定的工作量以及减少了标定耗时时间，测量精度高。

Description

一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法
技术领域
本发明涉及红外辐射测温技术。
背景技术
红外辐射测温技术由于其非接触、高响应速度以及不破坏目标温度场的优点被广泛应用于飞行器热试验、地基观测、空间红外探测、路基温度检测等领域；红外探测器接收来自被测目标的红外辐射，并将辐射信息转化为电信号，通过采用黑体靶标标定并进行数据处理后获得目标的辐射温度信息。
应用红外辐射测温技术进行温度测量过程中，测量场景与标定场景的高低温试验箱温度往往存在差异，环境背景辐射能量与目标辐射能量叠加在一起，导致测量结果与目标真实温度之间存在误差，特别是在背景温度大于目标温度时，测量结果失准，严重影响红外辐射测温的精度。
在现有的红外辐射测温技术中，红外辐射测温系统采用实物靶标标定时的标定函数：
v＝Kf(To)+B (1)
f(To)为工作在波长范围为(λlower,λupper)内的红外辐射测温系统，输入温度To时输出的辐射亮度响应：
Figure BDA0003243322620000011
其中，Δλ表示红外辐射测温系统光谱响应带宽，
Figure BDA0003243322620000012
为红外探测器的光谱响应度，Lλ(T)表示光谱辐射亮度。
根据普朗克公式与朗伯辐射定律红外辐射测温系统辐射亮度响应可表示为：
Figure BDA0003243322620000013
其中，c1为第一辐射常数，c1＝3.7415×108(W·μm4/m2)；c2为第二辐射常数，c2＝1.43879×104(μm·K)；
在红外辐射测温系统工作环境温度范围内，通过调节高低温试验箱PID温控器控制高低温试验箱温度，以实现红外辐射测温系统环境温度的调节，分别在第i个环境温度Tui下进行标定实验，得到不同环境温度下的标定函数；
Figure BDA0003243322620000021
在测量过程中，根据环境温度Tu选择相应的标定函数进行目标温度To的计算，若环境温度Tu不存在与之对应的标定函数则选择最相近环境温度下的标定函数进行温度计算，若环境温度Tu＝(Tui+Tu(i-1))/2，则选取高温度点Tui时的标定函数进行温度计算。
在不同环境温度下进行标定，考虑到了环境温度对测量误差带来的影响，但是在实际操作过程中，需要根据红外辐射测温系统工作环境温度范围，选择适当的温度间隔进行多个环境温度点标定，标定工作量大、标定耗时长。
在进行多环境温度点标定时，无法做到标定函数对应的环境温度点是连续的，在测量过程中，对于没有与测量环境温度Tu相对应的标定函数时，需选择与当前环境温度Tu最相近的标定函数进行目标温度计算，从而引入了测量误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的红外辐射测温过程中，因环境背景辐射噪声导致标定工作量大、标定耗时长以及测量精度差的问题，提出了一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法。
本发明所述的一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法包括以下步骤：
步骤一、采用标定装置对红外辐射测温系统进行第一组实验标定，并基于红外辐射测温基本公式，求解出红外辐射测温系统的第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数；
步骤二、采用标定装置对红外辐射测温系统进行第二组实验标定，得到第二组实验标定系统输出电压响应；
步骤三、根据步骤二得到的第二组实验标定系统输出电压响应求解第二组实验标定辐射亮度响应，判断以第二组实验标定辐射亮度响应为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应为因变量的第二组实验标定函数拟合优度是否满足预先设定阈值；进而确定第二组实验标定函数的拟合阶数；
步骤四、根据步骤三确定的第二组实验标定函数的拟合阶数，建立发射率模型；
步骤五、结合步骤一求解出的红外辐射测温系统第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数、步骤四得到的第二组实验标定函数以及步骤四建立的发射率模型，得到理论标定函数；
步骤六、根据步骤五得到的理论标定函数，并结合普朗克公式与朗伯辐射定律，求解出目标的真实温度。
本发明的有益效果是：在不需要已知被测目标发射率的情况下，仅进行两组标定实验即可降低环境背景辐射噪声，比现有的在测温范围内多个环境温度点下进行多组标定实验的方法效率得到了极大的提高，降低了标定的工作量以及减少了标定耗时时间；本发明所提出的红外辐射测温方法，在红外辐射测温系统工作环境温度范围内任意环境温度下有效降低环境背景辐射噪声，相较于现有的方法中多环境温度点标定函数所覆盖环境温度不连续，需要近似选取标定函数进行目标温度计算，本发明所提出的方法具有更高的测量精度。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法的流程图；
图2为具体实施方式一中标定装置的实物立体结构示意图；
图3为具体实施方式一中实物靶标的正视图；
图4为具体实施方式一中实物靶标的侧视图；
图5为具体实施方式一中红外探测器的光谱响应度曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法包括以下步骤：
步骤一、采用标定装置对红外辐射测温系统1进行第一组实验标定，并基于红外辐射测温基本公式，求解出红外辐射测温系统1的第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数；
步骤二、采用标定装置对红外辐射测温系统1进行第二组实验标定，得到第二组实验标定系统输出电压响应；
步骤三、根据步骤二得到的第二组实验标定系统输出电压响应求解第二组实验标定辐射亮度响应，判断以第二组实验标定辐射亮度响应为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应为因变量的第二组实验标定函数拟合优度是否满足预先设定阈值；进而确定第二组实验标定函数的拟合阶数；
步骤四、根据步骤三确定的第二组实验标定函数的拟合阶数，建立发射率模型；
步骤五、结合步骤一求解出的红外辐射测温系统1第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数、步骤四得到的第二组实验标定函数以及步骤四建立的发射率模型，得到理论标定函数；
步骤六、根据步骤五得到的理论标定函数，并结合普朗克公式与朗伯辐射定律，求解出目标的真实温度。
在本实施方式中，标定装置包括实物靶标2、实物靶标铂电阻3、升降支架4、高低温试验箱铂电阻5、实物靶标PID温控器6、高低温试验箱7和高低温试验箱PID温控器8；
所述实物靶标2、实物靶标铂电阻3、升降支架4、高低温试验箱铂电阻5和实物靶标PID温控器6均设置在高低温试验箱7内；高低温试验箱7用于构建环境温度可控的标定实验场景；
所述实物靶标2包括靶面2-1和半导体制冷片组2-2；半导体制冷片组2-2通过导热硅脂粘贴在靶面2-1的背面；
所述红外辐射测温系统1承载在升降支架4上，以调整红外辐射测温系统1所处的高度，使红外辐射测温系统1与靶面2-1的正面相对；
所述实物靶标铂电阻3设置在靶面2-1内，并且实物靶标铂电阻3连接至实物靶标PID温控器6，通过实物靶标PID温控器6设定实物靶标2的温度；；
所述试验箱铂电阻5悬设在实物靶标2的正上方，并且试验箱铂电阻5连接至高低温试验箱PID温控器8；通过高低温试验箱PID温控器8设定高低温试验箱7内的温度。
标定过程中选取与测量目标相同材质的板材制作实物靶标2的靶面2-1，半导体制冷片组2-2通过导热硅脂粘贴在靶面2-1上，靶面2-1内置实物靶标铂电阻3；半导体制冷片组2-2与实物靶标铂电阻3连接至实物靶标PID温控器6，通过实物靶标PID温控器6面板设定实物靶标2的温度；所述实物靶标2通过改变半导体制冷片组2-2的电流方向实现实物靶标2的制冷与加热；；采用实物靶标2进行标定有效解决现有标定过程中采用面源黑体靶标与被测目标发射率不一致导致测量误差的问题。
将红外辐射测温系统1与实物靶标2放置于高低温试验箱7内，所述高低温试验箱7具有较好的温度均匀性，通过调节可升降支架4使红外辐射测温系统1的镜头与实物靶标2有效辐射面同心且能够充满红外辐射测温系统1视野。
红外辐射测温系统1内部具有控温功能，目的是保证其内部的红外探测器工作温度恒定，避免因红外辐射测温系统1内部环境温度变化导致红外探测器的光谱响应度发生改变引起测量误差；红外辐射测温系统1内部温度应设定为红外探测器进行光谱响应度标定时的温度值。
在本实施方式中，步骤一中求解出红外辐射测温系统1的第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数的具体步骤为：
步骤一一、控制实物靶标温度与高低温试验箱温度相等，并对红外辐射测温系统1进行第一组实验标定；
步骤一二、通过第一组实验标定，得到第一组实验标定系统输出电压响应；
步骤一三、利用红外辐射测温系统1输出辐射亮度响应公式对第一组实验标定输入温度进行求解，求解出第一组实验标定辐射亮度响应；
步骤一四、利用实物靶标温度与高低温试验箱温度相等的条件，对红外辐射测温基本公式进行转换，得到第一组实验标定函数；
步骤一五、将步骤一三求解出的第一组实验标定辐射亮度响以及步骤一二中得到的第一组实验标定系统输出电压响应代入第一组实验标定函数进行拟合，得到第一组实验标定函数的增益常数与偏置常数；
所述步骤一一中实物靶标温度为通过实物靶标PID温控器6设定实物靶标2的温度，高低温试验箱温度为通过高低温试验箱PID温控器8设定高低温试验箱7内的温度；
所述步骤一二中得到第一组实验标定系统输出电压响应的具体过程为：在红外辐射测温系统1工作环境温度范围(Tu_lower,Tu_upper)内等步长取i个温度点，其中，Tu_lower为在红外辐射测温系统1工作环境最低温度，Tu_upper为在红外辐射测温系统1工作环境最高温度，设步长为j，且j满足(Tupper-Tlower)/j为整数，第一组实验标定采集温度点分别为(T11，T12，…，T1i)；将实物靶标温度与高低温试验箱温度均设定为T11，红外辐射测温系统1采集到相应的第一组实验标定系统输出电压响应为
Figure BDA0003243322620000051
逐温度点进行设定，完成T12至T1i的第一组实验标定系统输出电压响应采集，得到所有第一组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000052
所述步骤一三求解出第一组实验标定辐射亮度响应的具体过程为：
所述红外辐射测温系统1输出辐射亮度响应公式为：
Figure BDA0003243322620000053
其中，Δλ表示红外辐射测温系统1光谱响应带宽，
Figure BDA0003243322620000061
为探测器的光谱响应度，Lλ(T0)表示光谱辐射亮度；f(T0)为工作在波长范围为(λlower,λupper)内的红外辐射测温系统1输入温度为T0时输出的辐射亮度响应；
根据普朗克公式与朗伯辐射定律，红外辐射测温系统1输出的辐射亮度响应公式变换为：
Figure BDA0003243322620000062
其中，λ为红外辐射测温系统1接收到光的光谱波长，c1为第一辐射常数，c1＝3.7415×108(W·μm4/m2)，c2为第二辐射常数，c2＝1.43879×104(μm·K)；
利用公式(6)对第一组实验标定输入温度(T11，T12，…，T1i)进行求解，求解出第一组实验标定辐射亮度响应为：(f(T11)，f(T12)，…，f(T1i))；
所述步骤一四中得到第一组实验标定函数的具体过程为：
红外辐射测温基本公式为：
v＝K1{τa[εf(To)+(1-α)f(Tu)]+εaf(Ta)}+K0 (7)
其中，K1为增益常数、K0为偏置常数，τa为大气透过率，ε为被测目标发射率，α为被测目标吸收率，εa为大气发射率，To为实物靶标温度，Tu为高低温试验箱温度，Ta为大气温度；
由于实物靶标2与大气均满足灰体近似，则ε＝α，εa＝1-τα并在近距离测量过程中τa近似视为1，则公式(7)变换为：
v＝K1[εf(To)+(1-ε)f(Tu)]+K0 (8)
又由于实物靶标温度To与高低温试验箱温度Tu相等，所以公式(8)表示为：
v＝K1f(To)+K0 (9)
公式(9)为实物靶标温度To与高低温试验箱温度Tu相等情况，红外辐射测温系统1的标定函数，即第一组实验标定函数；
所述步骤一五中得到第一组实验标定函数的增益常数与偏置常数的具体过程为：
以第一组实验标定辐射亮度响应(f(T11)，f(T12)，…，f(T1i))为自变量，第一组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000071
为因变量，采用最小二乘方法进行一阶拟合，得到第一组实验标定函数的增益常数K1与偏置常数K0。
红外辐射测温系统1的工作波长范围是8μm～11μm，工作环境温度范围为-20℃～40℃，测温范围为-20℃～60℃。在20℃的情况下，红外探测器的光谱响应度曲线如图5所示，其中，红外探测器1内部温度设定为20℃，根据红外探测器的光谱响应度曲线即可得到红外探测器的光谱响应度
Figure BDA0003243322620000072
在红外辐射测温系统1工作环境温度范围-20℃～40℃内，以步长为10℃等间隔取7个温度点；设定实物靶标2温度To与高低温试验箱7温度Tu相等，依次采集得到-20℃～40℃内7个温度点的系统输出电压响应，进而得到实物靶标温度To与环境温度Tu相等情况红外辐射测温系统标定函数为：v＝0.04582f(To)-1.71001，即增益常数K1＝0.04582，偏置常数K0＝-1.71001。
在本实施方式中，步骤二中得到第二组实验标定函数的系统输出电压响应的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，对红外辐射测温系统1进行第二组实验标定，同时，Tu1∈(Tu_lower,Tu_upper)；
第二组实验标定的具体过程为：在测温范围(Tlower,Tupper)内等步长取m个温度点，设步长为n，且n满足(Tupper-Tlower)/n为整数，第二组实验标定采集温度点分别为(T21，T22，…，T2m)；将实物靶标温度设定为T21，红外辐射测温系统1采集到相应的二次实验标定系统输出电压响应为
Figure BDA0003243322620000074
逐温度点进行设定，完成T22至T2m的第二组实验标定系统输出电压响应采集，得到第二组实验标定函数的系统输出电压响应为：
Figure BDA0003243322620000073
设定高低温试验箱温度为10℃；在测温范围-20℃～60℃内以步长10℃等间隔取9个温度点，将实物靶标温度To分别设定为上述9个温度点值,得到红外辐射测温系统输出电压响应为：
Figure BDA0003243322620000081
在本实施方式中，步骤三中确定第二组实验标定函数的拟合阶数的具体过程为：
根据第二组实验标定输入温度(T21，T22，…，T2m)，通过普朗克定律与朗伯辐射定律即公式(6)求解相应温度点的第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))；以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，以第二组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000082
为因变量，采用最小二乘方法进行拟合，拟合阶数从一阶至高阶，每次拟合完成后判断拟合优度是否达到预先设定的目标阈值，达到目标阈值后选择当前阶数作为高低温试验箱温度Tu1时，第二组实验标定函数的拟合阶数。
在本实施方式中，步骤四中建立发射率模型分为常数模型、线性模型和高阶模型；
常数模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为一阶，则靶标发射率在测温范围内为常数ε；
线性模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为二阶，则靶标发射率在测温范围内与目标辐射能量呈线性关系，即
ε＝k1f(To)+k0 (10)
式中，k1为发射率的一阶系数因子，k0为发射率的常系数因子；
高阶模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为N+1阶，N为大于1的整数，则靶标发射率在测温范围内与目标辐射能量呈N阶关系，即
ε＝kNf(To)N+kN-1f(To)N-1+…+k0 (11)
式中，kN为发射率的N阶系数因子，kN-1为发射率的N-1阶系数因子，k0为发射率的常系数因子。
在本实施方式中，若发射率模型为常数模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000091
为因变量，采用最小二乘方法进行一阶拟合；得到高低温试验箱温度为Tu1时的实验标定函数，即第二组实验标定函数为：
Figure BDA0003243322620000092
其中，
Figure BDA0003243322620000093
为第二组实验标定函数一阶系数，
Figure BDA0003243322620000094
为第二组实验标定函数常系数；
因为实物靶标2与大气均满足灰体近似，并在近距离测量过程中τa可近似视为1，则根据公式(8)可得：
v＝K1εf(To)+K1f(Tu)-K1εf(Tu)+K0 (13)
其中，K1为第一组实验标定中得到的增益常数；K0为第一组实验标定中得到的偏置常数；
令：
Figure BDA0003243322620000095
则：
Figure BDA0003243322620000096
公式(15)则为高低温试验箱温度为Tu时的理论标定函数，
Figure BDA0003243322620000097
为理论输出电压响应，
Figure BDA0003243322620000098
为理论标定函数一阶系数，
Figure BDA0003243322620000099
为理论标定函数常系数；
则在高低温试验箱温度Tu1时，理论标定函数为：
Figure BDA00032433226200000910
在高低温试验箱温度Tu1时，理论标定函数系数表示为：
Figure BDA00032433226200000911
在高低温试验箱温度Tu1时，理论上，理论输出电压响应
Figure BDA00032433226200000912
应等于第二组实验标定函数输出响应
Figure BDA00032433226200000913
即存在：
Figure BDA0003243322620000101
根据公式(18)得到两个发射率ε值，取其均值作为最优值，即
Figure BDA0003243322620000102
在本实施方式中，若发射率模型为线性模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000103
为因变量，采用最小二乘方法进行二阶拟合；得到高低温试验箱温度为Tu1时的第二组实验标定函数为：
Figure BDA0003243322620000104
其中，
Figure BDA0003243322620000105
为第二组实验标定函数二阶系数，
Figure BDA0003243322620000106
为第二组实验标定函数一阶系数，
Figure BDA0003243322620000107
为第二组实验标定函数常系数；
将(10)代入(8)中得到：
v＝K1k1f(To)2+f(To)(K1k0-K1k1f(Tu))+K1f(Tu)-K1k0f(Tu)+K0 (20)
令：
Figure BDA0003243322620000108
则公式(20)可以表示为
Figure BDA0003243322620000109
公式(22)称为高低温试验箱温度为Tu时的理论标定函数，
Figure BDA00032433226200001010
为理论标定函数二阶系数，
Figure BDA00032433226200001011
为理论标定函数一阶系数，
Figure BDA00032433226200001012
为理论标定函数常系数；
根据公式(21)，控制高低温试验箱温度为Tu1时，理论标定函数系数表示为：
Figure BDA00032433226200001013
则，在高低温试验箱温度Tu1时理论输出电压响应表示为：
Figure BDA0003243322620000111
在高低温试验箱温度为Tu1时，理论上，理论输出电压响应
Figure BDA0003243322620000112
应等于二次实验标定函数输出响应
Figure BDA0003243322620000113
此时，即可通过对求解公式(22)公式(23)公式(24)可得到的发射率的一阶系数因子k1与常系数因子k0；但在实际操作中，一阶系数因子k1与常系数因子k0的求解过程属于有约束多元非线性最优化问题，采取优化的方式对发射率一阶系数因子k1与常系数因子k0进行求解。
在本实施方式中，若发射率模型为高阶模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000114
为因变量，采用最小二乘方法进行N+1阶拟合，得到高低温试验箱温度为Tu1时的第二组实验标定函数；将发射率模型代入公式(8)中，即得到高低温试验箱温度为Tu1时的理论标定函数；进而获得在高低温试验箱温度Tu1时，理论输出电压响应
Figure BDA0003243322620000115
在高低温试验箱温度Tu1时，理论上，理论输出电压响应
Figure BDA0003243322620000116
等于二次实验标定函数输出响应
Figure BDA0003243322620000117
此时，类比发射率为线性模型情况，即采取优化的方式对发射率各阶系数因子进行求解。
(1)靶标发射率模型为常数模型情况
在高低温试验箱温度Tu时，通过红外辐射测温系统1采集输出电压响应
Figure BDA0003243322620000118
已知发射率
Figure BDA0003243322620000119
通过公式(13)即可求解红外辐射测温系统采集输出电压响应
Figure BDA00032433226200001110
时的辐射亮度响应f(To)，根据公式(6)即可求解目标真实温度To。
(2)靶标发射率模型为线性模型情况
在高低温试验箱温度Tu时，通过红外辐射测温系统采集输出电压响应
Figure BDA00032433226200001111
已知发射率的一阶系数因子k1与发射率的常系数因子k0，即可根据公式(21)得到在高低温试验箱温度Tu时理论标定函数各阶系数
Figure BDA0003243322620000121
通过公式(22)即可求解红外辐射测温系统采集输出电压响应
Figure BDA0003243322620000122
时的辐射亮度响应f(To)，根据公式(6)即可求解目标真实温度To。
(3)靶标发射率模型为高阶模型情况
在高低温试验箱温度Tu时，通过红外辐射测温系统采集输出电压响应
Figure BDA0003243322620000123
已知发射率的各阶系数因子，即可得到在高低温试验箱温度Tu时理论标定函数的系数，进而求解红外辐射测温系统采集输出电压响应
Figure BDA0003243322620000124
时的辐射亮度响应f(To)，根据公式(6)即可求解目标真实温度To。
设定目标拟合优度阈值为R-square＝0.999，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，二次实验标定系统输出电压响应
Figure BDA0003243322620000125
为因变量进行拟合，一阶拟合优度R-square<0.999，未达到目标阈值，采用二阶拟合，二阶拟合优度R-square>0.999，满足目标阈值要求，选择二阶作为环境温度10℃时红外辐射测温系统标定函数拟合阶数，则发射率模型为线性模型。
环境温度Tu1＝10℃时，以(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，
Figure BDA0003243322620000126
为因变量，采用最小二乘方法进行二阶拟合；得到环境温度为Tu1时的第二组实验标定函数为：
Figure BDA0003243322620000127
根据公式(20)，在环境温度Tu1＝10℃时理论标定函数系数表示为：
Figure BDA0003243322620000128
则，在环境温度Tu1＝10℃时红外辐射测温系统1理论输出响应表示为：
Figure BDA0003243322620000131
在环境温度10℃时，理论上，红外辐射测温系统1理论输出响应
Figure BDA0003243322620000132
等于实验标定函数输出响应
Figure BDA0003243322620000133
此时，即可通过对求解公式(25)、(26)、(27)得到的发射率的一阶系数因子k1与常系数因子k0；但在实际操作中，一阶系数因子k1与常系数因子k0的求解过程属于有约束多元非线性最优化问题，采取优化的方式对发射率一阶系数因子k1与常系数因子k0进行求解。
环境温度10℃，靶标温度为(T21，T22，…，T2m)的情况，二次实验标定函数输出响应为
Figure BDA0003243322620000134
其中
Figure BDA0003243322620000135
其中
Figure BDA0003243322620000136
环境温度10℃，靶标温度为(T21，T22，…，T2m)的情况，理论输出响应为
Figure BDA0003243322620000137
其中
Figure BDA0003243322620000138
则设定优化求解的目标函数为：
Figure BDA0003243322620000139
根据实物靶标材料属性，确定实物靶标材料发射率范围为0.5≤ε≤1，则在红外辐射测温系统测温范围内存在约束条件：
Figure BDA00032433226200001310
采用优化算法针对上述有约束多元非线性最优化问题进行求解，得到发射率的一阶系数因子k1＝0.00507与常系数因子k0＝0.70366。
在Tu＝15℃时，已知发射率的一阶系数因子k1＝0.00507与常系数因子k0＝0.70366。根据公式(21)与公式(22)即可得到环境温度为15℃时红外辐射测温系统理论标定函数为：v＝0.00023f(To)2+0.02778f(To)-1.44924。
通过调节高低温试验箱设定环境温度为15℃，采集红外辐射测温系统在靶标温度为-20℃，-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃时的输出电压响应，电压响应分别为：
Figure BDA0003243322620000141
通过环境温度为15℃时红外辐射测温系统理论标定函数即可求解红外辐射测温系统采集输出电压响应v时的辐射亮度响应f(To)，根据公式(6)即可得到本发明所提出的方法测量的目标真实温度。
Figure BDA0003243322620000142
根据现有的方法，在红外辐射测温系统工作环境温度范围内，通过调节高低温试验箱控制环境温度，分别在环境温度为-20℃，-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃时进行标定实验，得到不同环境温度下的标定函数。
在测量过程中，为方便同发明所提出方法进行比较，同样选取15℃作为测量环境温度，由于环境温度15℃不存在与之对应的标定函数，则选择环境温度为20℃时的标定函数进行温度计算，环境温度20℃的标定函数为：v＝0.03827f(To)-1.51106。
通过环境温度为20℃时红外辐射测温系统传统方法标定函数即可求解红外辐射测温系统采集输出电压响应v时的目标辐射能量f(To)，根据公式(6)即可得到现有方法测量的目标真实温度。
Figure BDA0003243322620000143
Figure BDA0003243322620000151
根据实验计时在某一环境温度下，靶标温度以10℃为步长，在红外辐射测温系统测温范围为-20℃～60℃区间内进行一次标定实验耗时约为180分钟。在本实施例中根据现有方法进行标定需要在-20℃～40℃范围内7个环境温度下进行7组标定实验，耗时约需1260分钟。本发明提出的方法中，仅需进行2组标定实验，分别为实物靶标温度To与环境温度Tu相等情况对红外辐射测温系统进行第一组实验标定，在环境温度10℃情况对红外辐射测温系统标定进行第二组实验标定，耗时约需360分钟，节约用时900分钟，工作效率得到大幅提高。对比本发明提出方法测量结果与传统方法测量结果可知，本发明所提出方法具有更高的测量精度。

Claims (1)

1.一种降低环境背景辐射噪声的红外辐射测温方法，其特征在于，该红外辐射测温方法包括以下步骤：
步骤一、采用标定装置对红外辐射测温系统(1)进行第一组实验标定，并基于红外辐射测温基本公式，求解出红外辐射测温系统(1)的第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数；
步骤二、采用标定装置对红外辐射测温系统(1)进行第二组实验标定，得到第二组实验标定系统输出电压响应；
步骤三、根据步骤二得到的第二组实验标定系统输出电压响应求解第二组实验标定辐射亮度响应，判断以第二组实验标定辐射亮度响应为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应为因变量的第二组实验标定函数拟合优度是否满足预先设定阈值；进而确定第二组实验标定函数的拟合阶数；
步骤四、根据步骤三确定的第二组实验标定函数的拟合阶数，建立发射率模型；
步骤五、结合步骤一求解出的红外辐射测温系统(1)第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数、步骤四得到的第二组实验标定函数以及步骤四建立的发射率模型，得到理论标定函数；
步骤六、根据步骤五得到的理论标定函数，并结合普朗克公式与朗伯辐射定律，求解出目标的真实温度；
步骤一中采用的标定装置与步骤二中采用的标定装置相同；
所述步骤一中采用的标定装置包括实物靶标(2)、实物靶标铂电阻(3)、升降支架(4)、高低温试验箱铂电阻(5)、实物靶标PID温控器(6)、高低温试验箱(7)和高低温试验箱PID温控器(8)；
所述实物靶标(2)、实物靶标铂电阻(3)、升降支架(4)、高低温试验箱铂电阻(5)和实物靶标PID温控器(6)均设置在高低温试验箱(7)内；高低温试验箱(7)用于构建环境温度可控的标定实验场景；
所述实物靶标(2)包括靶面(2-1)和半导体制冷片组(2-2)；半导体制冷片组(2-2)通过导热硅脂粘贴在靶面(2-1)的背面；
所述红外辐射测温系统(1)承载在升降支架(4)上，以调整红外辐射测温系统(1)所处的高度，使红外辐射测温系统(1)与靶面(2-1)的正面相对；
所述实物靶标铂电阻(3)设置在靶面(2-1)内，并且实物靶标铂电阻(3)连接至实物靶标PID温控器(6)，通过实物靶标PID温控器(6)设定实物靶标(2)的温度；
所述高低温试验箱铂电阻(5)悬设在实物靶标(2)的正上方，并且高低温试验箱铂电阻(5)连接至高低温试验箱PID温控器(8)；通过高低温试验箱PID温控器(8)设定高低温试验箱(7)内的温度；
步骤一中求解出红外辐射测温系统(1)的第一组实验标定函数的增益常数和偏置常数的具体步骤为：
步骤一一、控制实物靶标温度与高低温试验箱温度相等，并对红外辐射测温系统(1)进行第一组实验标定；
步骤一二、通过第一组实验标定，得到第一组实验标定系统输出电压响应；
步骤一三、利用红外辐射测温系统(1)输出辐射亮度响应公式对第一组实验标定输入温度进行求解，求解出第一组实验标定辐射亮度响应；
步骤一四、利用实物靶标温度与高低温试验箱温度相等的条件，对红外辐射测温基本公式进行转换，得到第一组实验标定函数；
步骤一五、将步骤一三求解出的第一组实验标定辐射亮度响以及步骤一二中得到的第一组实验标定系统输出电压响应代入第一组实验标定函数进行拟合，得到第一组实验标定函数的增益常数与偏置常数；
所述步骤一一中实物靶标温度为通过实物靶标PID温控器(6)设定实物靶标(2)的温度，高低温试验箱温度为通过高低温试验箱PID温控器(8)设定高低温试验箱(7)内的温度；
所述步骤一二中得到第一组实验标定系统输出电压响应的具体过程为：在红外辐射测温系统(1)工作环境温度范围(Tu_lower,Tu_upper)内等步长取i个温度点，其中，Tu_lower为在红外辐射测温系统(1)工作环境最低温度，Tu_upper为在红外辐射测温系统(1)工作环境最高温度，设步长为j，且j满足(Tupper-Tlower)/j为整数，第一组实验标定采集温度点分别为(T11，T12，…，T1i)；将实物靶标温度与高低温试验箱温度均设定为T11，红外辐射测温系统(1)采集到相应的第一组实验标定系统输出电压响应为
Figure FDA0003516695670000021
逐温度点进行设定，完成T12至T1i的第一组实验标定系统输出电压响应采集，得到所有第一组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000022
所述步骤一三求解出第一组实验标定辐射亮度响应的具体过程为：
所述红外辐射测温系统(1)输出辐射亮度响应公式为：
Figure FDA0003516695670000031
其中，Δλ表示红外辐射测温系统(1)光谱响应带宽，
Figure FDA0003516695670000032
为探测器的光谱响应度，Lλ(T0)表示光谱辐射亮度；f(T0)为工作在光谱响应范围为(λlower,λupper)内的红外辐射测温系统(1)输入温度为T0时输出的辐射亮度响应；
根据普朗克公式与朗伯辐射定律，红外辐射测温系统(1)输出的辐射亮度响应公式变换为：
Figure FDA0003516695670000033
其中，λ为红外辐射测温系统(1)接收到光的光谱波长，c1为第一辐射常数，c1＝3.7415×108(W·μm4/m2)，c2为第二辐射常数，c2＝1.43879×104(μm·K)；
利用公式(6)对第一组实验标定输入温度(T11，T12，…，T1i)进行求解，求解出第一组实验标定辐射亮度响应为：(f(T11)，f(T12)，…，f(T1i))；
所述步骤一四中得到第一组实验标定函数的具体过程为：
红外辐射测温基本公式为：
v＝K1{τa[εf(To)+(1-α)f(Tu)]+εaf(Ta)}+K0 (7)
其中，K1为增益常数、K0为偏置常数，τa为大气透过率，ε为被测目标发射率，α为被测目标吸收率，εa为大气发射率，To为实物靶标温度，Tu为高低温试验箱温度，Ta为大气温度；
由于实物靶标(2)与大气均满足灰体近似，则ε＝α，εa＝1-τα并在近距离测量过程中τa近似视为1，则公式(7)变换为：
v＝K1[εf(To)+(1-ε)f(Tu)]+K0 (8)
又由于实物靶标温度To与高低温试验箱温度Tu相等，所以公式(8)表示为：
v＝K1f(To)+K0 (9)
公式(9)为实物靶标温度To与高低温试验箱温度Tu相等情况，红外辐射测温系统(1)的标定函数，即第一组实验标定函数；
所述步骤一五中得到第一组实验标定函数的增益常数与偏置常数的具体过程为：
以第一组实验标定辐射亮度响应(f(T11)，f(T12)，…，f(T1i))为自变量，第一组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000041
为因变量，采用最小二乘方法进行一阶拟合，得到第一组实验标定函数的增益常数K1与偏置常数K0；
步骤二中得到第二组实验标定系统输出电压响应的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，对红外辐射测温系统(1)进行第二组实验标定，同时，Tu1∈(Tu_lower,Tu_upper)；
第二组实验标定的具体过程为：在测温范围(Tlower,Tupper)内等步长取m个温度点，设步长为n，且n满足(Tupper-Tlower)/n为整数，第二组实验标定采集温度点分别为(T21，T22，…，T2m)；将实物靶标温度设定为T21，红外辐射测温系统(1)采集到相应的二次实验标定系统输出电压响应为
Figure FDA0003516695670000042
逐温度点进行设定，完成T22至T2m的第二组实验标定系统输出电压响应采集，得到第二组实验标定系统输出电压响应为：
Figure FDA0003516695670000043
步骤三中确定第二组实验标定函数的拟合阶数的具体过程为：
根据第二组实验标定输入温度(T21，T22，…，T2m)，通过普朗克定律与朗伯辐射定律即公式(6)求解相应温度点的第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))；以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，以第二组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000044
为因变量，采用最小二乘方法进行拟合，拟合阶数从一阶至高阶，每次拟合完成后判断拟合优度是否达到预先设定的目标阈值，达到目标阈值后选择当前阶数作为高低温试验箱温度Tu1时，第二组实验标定函数的拟合阶数；
步骤四中建立发射率模型分为常数模型、线性模型和高阶模型；
常数模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为一阶，则靶标发射率在测温范围内为常数ε；
线性模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为二阶，则靶标发射率在测温范围内与目标辐射能量呈线性关系，即
ε＝k1f(To)+k0 (10)
式中，k1为发射率的一阶系数因子，k0为发射率的常系数因子；
高阶模型具体为：控制高低温试验箱温度为Tu1时，第二组实验标定函数拟合阶数为N+1阶，N为大于1的整数，则靶标发射率在测温范围内与目标辐射能量呈N阶关系，即
ε＝kNf(To)N+kN-1f(To)N-1+…+k0 (11)
式中，kN为发射率的N阶系数因子，kN-1为发射率的N-1阶系数因子，k0为发射率的常系数因子；
发射率模型为常数模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000051
为因变量，采用最小二乘方法进行一阶拟合；得到高低温试验箱温度为Tu1时的实验标定函数，即第二组实验标定函数为：
Figure FDA0003516695670000052
其中，
Figure FDA0003516695670000053
为第二组实验标定函数一阶系数，
Figure FDA0003516695670000054
为第二组实验标定函数常系数；
因为实物靶标(2)与大气均满足灰体近似，并在近距离测量过程中τa可近似视为1，则根据公式(8)可得：
v＝K1εf(To)+K1f(Tu)-K1εf(Tu)+K0 (13)
其中，K1为第一组实验标定中得到的增益常数；K0为第一组实验标定中得到的偏置常数；
令：
Figure FDA0003516695670000055
则：
Figure FDA0003516695670000061
公式(15)则为高低温试验箱温度为Tu时的理论标定函数，
Figure FDA0003516695670000062
为理论输出电压响应，
Figure FDA0003516695670000063
为理论标定函数一阶系数，
Figure FDA0003516695670000064
为理论标定函数常系数；
则在高低温试验箱温度为Tu1时，理论标定函数为：
Figure FDA0003516695670000065
在高低温试验箱温度Tu1时，理论标定函数系数表示为：
Figure FDA0003516695670000066
发射率模型为线性模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000067
为因变量，采用最小二乘方法进行二阶拟合；得到高低温试验箱温度为Tu1时的第二组实验标定函数为：
Figure FDA0003516695670000068
其中，
Figure FDA0003516695670000069
为第二组实验标定函数二阶系数，
Figure FDA00035166956700000610
为第二组实验标定函数一阶系数，
Figure FDA00035166956700000611
为第二组实验标定函数常系数；
将(10)代入(8)中得到：
v＝K1k1f(To)2+f(To)(K1k0-K1k1f(Tu))+K1f(Tu)-K1k0f(Tu)+K0 (20)
令：
Figure FDA00035166956700000612
则公式(20)可以表示为
Figure FDA00035166956700000613
公式(22)称为高低温试验箱温度为Tu时的理论标定函数，
Figure FDA0003516695670000071
为理论标定函数二阶系数，
Figure FDA0003516695670000072
为理论标定函数一阶系数，
Figure FDA0003516695670000073
为理论标定函数常系数；
根据公式(21)，在高低温试验箱温度Tu1时，理论标定函数为：
Figure FDA0003516695670000074
在高低温试验箱温度Tu1时，理论标定函数系数表示为：
Figure FDA0003516695670000075
发射率模型为高阶模型时，得到理论标定函数的具体过程为：
控制高低温试验箱温度为Tu1时，以第二组实验标定辐射亮度响应(f(T21),f(T22),…,f(T2m))为自变量，第二组实验标定系统输出电压响应
Figure FDA0003516695670000076
为因变量，采用最小二乘方法进行N+1阶拟合，得到高低温试验箱温度为Tu1时的第二组实验标定函数；将发射率模型代入公式(8)中，即得到高低温试验箱温度为Tu1时的理论标定函数。
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"A method for improving temperature measurement accuracy on an infrared thermometer for the ambient temperature field";Shuanglong Cui et al.;《Review of Scientific Instruments》;20200507;054903 *
"红外辐射特性测量中环境影响的修正研究";孙志远 等;《激光与红外》;20100228;第40卷(第2期);162-165页 *
"高精度红外热成像测温技术研究";张志强 等;《仪器仪表学报》;20200531;第41卷(第5期);10-18页 *

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