CN113701901B - 减少环境温度对比度的红外测温方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种减少环境温度对比度的红外测温方法。该方法可以包括：确定一个恒定的黑体温度源T_B；当测量距离确定时，通过改变环境温度T_U，得到不同环境温度下黑体温度T_B与环境温度T_U的比重关系；当环境温度确定时，通过改变测量距离，得到在不同测量距离下环境温度T_U与黑体温度T_B的比重关系；通过比例系数计算被测物体的实际温度。本发明能够有效减小环境温度对比度造成的测量误差，测量准确且可以有效的减少测量误差。

Description

减少环境温度对比度的红外测温方法

技术领域

本发明涉及红外测温领域，更具体地，涉及一种减少环境温度对比度的红外测温方法。

背景技术

在电力、化工、交通机械、医疗等许多领域中，及时了解设备、产品、零件的温度都是十分必要的。由于红外测温系统的非接触特性，使得它能够具有测量距离远、响应时间短、测量范围广、灵敏度高、精确度高、不会对温度场分布造成影响等优点。红外热像仪在出厂前要进行标定，即在标定距离进行测量时，红外热像仪的测温精度最高。当探测距离非常遥远，目标在图像中所占的像素点较少且亮度较弱(通常被称为红外弱小目标)，难以检测；同时，探测器视场中往往存在许多复杂背景，很容易淹没目标。另外，在很多时候，由于背景环境温度因素的影响，会导致测温系统显示的温度与物体的真实温度间存在误差。例如在冬季户外温度非常低时，新疆，西藏等地昼夜温差非常大的时候，环境温度是影响红外测温最主要的原因，此时红外热像仪的测温准确性非常差，因此研究在非常极端环境下的红外测温方法非常重要。虽然曹欣荣等研究了环境背景温度对红外温度测量系统精度的影响，田昌会等从大气角度对目标探测影响进行了分析。但是因为环境背景温度以及测量距离改变引起的环境温度对比度造成的测量误差没有得到系统的分析和补偿。

因此，有必要开发一种减少环境温度对比度的红外测温方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种减少环境温度对比度的红外测温方法，其能够有效减小环境温度对比度造成的测量误差，该方法测量准确且可以有效的减少测量误差。

该减少环境温度对比度的红外测温方法，包括：

确定一个恒定的黑体温度源T_B；

当测量距离确定时，通过改变环境温度T_U，得到不同环境温度下黑体温度T_B与环境温度T_U的比重关系；

当环境温度确定时，通过改变测量距离，得到在不同测量距离下环境温度T_U与黑体温度T_B的比重关系；

通过比例系数计算被测物体的实际温度。

优选地，设置黑体温度为T_B，红外热像仪探测器的环境温度T_U与被测物体温度T₀有关，被测物体的辐射能量T₀包括黑体温度T_B和环境温度T_U，建立被测物体温度T₀与环境温度Tu以及黑体温度T_B的函数关系为：

T₀＝yT_B+zT_U (1)

其中，y为黑体温度T_B在探测器接收到的温度T₀中的比例系数，z为环境温度T_u在探测器接收到的温度T₀中的比例系数，y+z＝1，因此，公式(1)为：

T₀＝yT_B+(1-y)T_U (2)。

优选地，根据公式(2)，当测量距离确定时，周围环境不恒定，通过等量的改变环境温度T_U使其从T_U1开始改变到T_Ui；当环境温度T_U确定时，通过等量的改变测量距离x，进而引起环境对比度的改变，由此得到如下公式：

优选地，根据公式(3)，当环境温度为T_Ui，黑体温度T_B以及探测器的实际温度为T_i已知时，能够计算每一个环境温度下的环境对比度系数；因为非均匀的环境温度对红外测温结果是非线性的，利用拟合实验数据的方法得到环境温度T_Ui与环境对比度系数y_i的函数关系：

其中，公式(4)为分段函数，d为固定的测量距离，di变化的测量距离；T_Ui为变化的环境温度，T_U为恒定的环境温度；根据上述黑体温度T_B与环境温度时的环境对比度系数y_i，得到对应在环境温度T_Ui时被测物体的真实温度：

其有益效果在于：当黑体温度一定，在相同的测量距离等量逐步的改变环境温度，根据不同的环境温度与黑体温度的数据建立起环境温度对比度的函数关系，或者在相同的环境温度等量逐步的改变测量距离，最终可以得到环境对比度系数与环境温度的函数关系，进而得到被测物体在该环境温度下的真实温度，测量方法实施简单，方便，可以有效、准确、量化的评估因为环境温度以及测量距离造成的环境温度对比度的测量误差，最终得到被测物体的真实温度。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的红外测温原理的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的距离补偿实验的示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的环境温度与环境温度对比度关系的示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的距离与环境温度对比度关系的示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

图1示出了根据本发明的一个实施例的红外测温原理的示意图。

当物体被红外热像仪测量时，热像仪与被测物体之间可以分为三个部位。如图1所示，当测量距离等于校准位置，测量准确度最高；当测量距离小于校准位置时，环境温度对测量准确度的影响最小，可以忽略不计。当测量距离大于校准距离时，被测物体接收的辐射面积与环境背景面积的比率会随着距离的变化而变化，说明测量距离的不同会改变环境对比度。第二种情况，当测量距离一定时，周围环境温度变化较大，也会产生较大的环境对比度，因此测量准确度也会受到很大的影响。

为了解决上述两种情况产生的问题，本发明要解决的技术问题是，能够提供一种减小由环境温度对比度引起的测量误差，且方法简单、使用方便，实施步骤简洁明了的一种测量方法。其发明理念是：使用黑体为一个恒定的温度源T_B，当测量距离一定时，通过改变环境背景温度T_U，得到不同环境温度下黑体的温度T_B与环境温度T_U的比重关系；当环境温度一定时，改变不同的测量距离，得到在不同测量距离下环境温度T_U与黑体温度T_B的比重关系，最终通过比例系数得出最终被测物体的实际温度。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

首先设置黑体温度为T_B，红外热像仪探测器的环境背景辐射能量T_U与被测物体的辐射能量T₀有关，被测物体的辐射能量T₀包括黑体温度T_B和环境温度T_U，因此，建立被测物体温度T₀与环境温度Tu以及黑体温度T_B的函数关系如下：

T₀＝yT_B+zT_U (1)

其中，y为黑体温度T_B在探测器接收到的温度T₀中的比例系数，z为环境温度T_u在探测器接收到的温度T₀中的比例系数。y+z＝1，因此，上述公式可以写成如下形式：

T₀＝yT_B+(1-y)T_U (2)。

根据公式(2)，当测量距离一定，周围环境不恒定，通过等量的改变环境温度T_U使其从T_U1开始改变到T_Ui。当环境温度T_U一定时，通过等量的改变测量距离x，进而引起环境对比度的改变。由此可以得到如下公式：

根据公式(3)，当环境温度为T_Ui，黑体温度T_B以及探测器的实际温度为T_i已知时，每一个环境温度下的环境对比度系数就可以得到。因为非均匀的环境温度对红外测温结果是非线性的，利用拟合实验数据的方法得到环境温度T_Ui与环境对比度系数y_i的函数关系。

在公式(4)为分段函数，d为固定的测量距离，di变化的测量距离；T_Ui为变化的环境温度，T_U为恒定的环境温度。根据上述黑体温度T_B与环境温度时的环境对比度系数y_i，得到对应在环境温度T_Ui时被测物体的真实温度：

实施例1

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

图2示出了根据本发明的一个实施例的距离补偿实验的示意图。

首先确定红外热像仪或者红外探测器的校准距离，使红外探测器沿着x轴线对准黑体中心如图2，设定黑体温度为T_B＝40℃，测量距离一定时，关闭实验室的门与窗，在密闭的室内通过空调调节环境温度，或者在恒温箱内改变热成像仪的周围环境温度T_Ui，从0℃每相隔1℃逐渐升高至黑体温度40℃，在每一个温度测量点，使用温湿度仪监控室内的温度使其保持恒定，并记录此时红外探测器的温度T_0i，为了减少测量误差，记录三次取平均值，然后可以得到如公式(3)的一系列在不同环境温度下的黑体温度T_B，环境温度T_Ui以及探测器温度T_0i的表达式。根据测量结果，得到不同环境温度下的环境对比度系数如下所示。

环境对比度＝[0.4625,0.4975,0.535,0.5725,0.6075,0.6475,0.685,0.72,0.76,0.7875,0.8225,0.8475,0.865,0.879,0.895,0.91,0.926,0.943,0.958,0.969,0.976,0.983,0.987,0.99,0.995,0.995,0.995,0.9975,0.9975,0.9975,0.9975,0.9975,0.9975,0.9975,1,1,1,1,1,1]；

根据上述环境温度对比度系数以及公式(3)，使用Matlab程序上的多元回归函数p＝polyfit(x,y,2)对其进行分段计算，得出不同环境温度与环境温度对比度系数的函数关系如下：

根据上述公式，可以得到被测物体的真实温度如下：

图3示出了根据本发明的一个实施例的环境温度与环境温度对比度关系的示意图。

第二种情况：当环境温度一定时为T_U＝22℃时，通过空调或者恒温器使室内温度保持在22℃，设定黑体温度为T_B＝40℃，使红外探测器沿着x轴线对准黑体中心如图2，红外探测器沿着x轴线与黑体中心的距离从0米开始每1米距离逐步增加到20米，在每一个间隔距离记录红外探测器的温度T_0i，就会得出一系列不同测量距离下的红外探测器温度T_0i，根据已知的环境温度T_U＝22℃和黑体温度T_B＝40℃以及公式(3)，就可以得到不同距离下的环境温度对比度系数，如图3所示。

环境温度对比度＝[1.0166,1,0.9833,0.9666,0.9444,0.9277,0.9111,0.8888,0.85,0.8055,0.7555,0.7222,0.6888,0.6444,0.6055,0.5388,0.4777,0.4222,0.3777,0.3444,0.3055,0.2666,0.2388,0.2111,0.1777,0.1611,0.1444,0.1333,0.1222,0.1166]；

图4示出了根据本发明的一个实施例的距离与环境温度对比度关系的示意图。

根据上述环境对比度系数以及Matlab程序上的多元回归函数p＝polyfit(x,y,2)对其进行分段计算，得出不同测量距离与环境温度对比度系数的函数关系如图4所示：

根据上述公式，可以得到被测物体的真实温度如下：

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (1)

1.一种减少环境温度对比度的红外测温方法，其特征在于，包括：

确定一个恒定的黑体温度源T_B；

当测量距离确定时，通过改变环境温度T_U，得到不同环境温度下黑体温度T_B与环境温度T_U的比重关系；

当环境温度确定时，通过改变测量距离，得到在不同测量距离下环境温度T_U与黑体温度T_B的比重关系；

通过比例系数计算被测物体的实际温度；

其中，设置黑体温度为T_B，红外热像仪探测器的环境温度T_U与被测物体温度T₀有关，被测物体的辐射能量T₀包括黑体温度T_B和环境温度T_U，建立被测物体温度T₀与环境温度Tu以及黑体温度T_B的函数关系为：

T₀＝yT_B+zT_U (1)

其中，y为黑体温度T_B在探测器接收到的温度T₀中的比例系数，z为环境温度T_u在探测器接收到的温度T₀中的比例系数，y+z＝1，因此，公式(1)为：

T₀＝yT_B+(1-y)T_U (2)；

其中，根据公式(2)，当测量距离确定时，周围环境不恒定，通过等量的改变环境温度T_U使其从T_U1开始改变到T_Ui；当环境温度T_U确定时，通过等量的改变测量距离x，进而引起环境对比度的改变，由此得到如下公式：

其中，根据公式(3)，当环境温度为T_Ui，黑体温度T_B以及探测器的实际温度为T_i已知时，能够计算每一个环境温度下的环境对比度系数；因为非均匀的环境温度对红外测温结果是非线性的，利用拟合实验数据的方法得到环境温度T_Ui与环境对比度系数y_i的函数关系：

其中，公式(4)为分段函数，d为固定的测量距离，di变化的测量距离；T_Ui为变化的环境温度，T_U为恒定的环境温度；根据上述黑体温度T_B与环境温度时的环境对比度系数y_i，得到对应在环境温度T_Ui时被测物体的真实温度：