CN113959565B - 一种红外热像仪测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种红外热像仪测温方法，其获取待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值，根据预先构建的物体温度辐射测量补偿模型计算待测物体辐射修正值，并将待测物体辐射修正值代入辐射整体范围测温模型，来数值求解待测物体的温度。本发明可以实现红外热像仪温差漂移补偿，稳定测量温度，提高测量精度。

Description

一种红外热像仪测温方法

技术领域

本发明属于红外成像技术领域，具体涉及在不同环境温度下的红外热像仪测温方法。

背景技术

目前，受益于非制冷微测热辐射矩阵的发展，红外热像仪应用范围迅速扩大，其广泛应用于工业生产监控、环境监测、军事监视以及新冠疫情下非接触式人体测温监控等领域。适用于红外热像仪变得更小、更轻、成本更低的市场需求，新一代红外热像仪的微测热辐射矩阵大多使用无TEC(半导体制冷器)技术，其探测器的响应完全取决于焦平面温度与场景温度，这意味着红外热像仪在测温处理时需要尽可能克服外部环境温度变化而导致探测器接收辐射差异变化的问题，但现有红外热像仪测温并不能很好地予以解决。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种红外热像仪测温方法，可以改善红外热像仪因温漂而导致测温精度不理想的问题。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种红外热像仪测温方法，包括以下步骤：

S1、获取待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值；

S2、根据预先构建的物体温度辐射测量补偿模型计算待测物体辐射修正值，该物体温度辐射测量补偿模型为：

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e

式中，S_修正值为待测物体辐射修正值，S_测量值为待测物体辐射测量值，Tshutter_deta为检测位温度测量值与温度参考值的差值，其中温度参考值与系数a，b，c，d，e预先标定；

S3、将待测物体辐射修正值代入辐射整体范围测温模型，并数值求解待测物体的温度，该辐射整体范围测温模型为：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

式中，φ为辐射值，T为温度值，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，系数p1，p2，p3，p4预先标定。

进一步地，红外热像仪检测位为红外热像仪内部快门、探测器焦平面、镜头之一或其组合。

进一步地，构建物体温度辐射测量补偿模型的方法包括如下步骤：

(010)设定环境温度T0，采集并记录相应温度下n个黑体辐射数据，以及红外热像仪的检测位辐射数据和检测位温度数据，并在红外热像仪稳定状态下，分别选取检测位温度数据及各个黑体辐射数据中的m个数值，来求取环境温度T0下检测位温度均值、各个黑体辐射均值：

式中，Tshutter_mean为环境温度T0下检测位温度均值，Tshutter_i为环境温度T0下第i个检测位温度值；S(j)_mean为环境温度T0下第j个黑体辐射均值，S(j)_i为环境温度T0下第j个黑体第i个辐射值；

(020)以各组检测位温度均值和黑体辐射均值为测量值，采用最小二乘法拟合计算辐射整体范围测温模型的各个系数p1，p2，p3，p4，该辐射整体范围测温模型为：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

式中，φ为辐射值，T为温度值，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；

(030)改变环境温度T(1)，T(2)…T(L)，采集并记录相应环境温度下红外热像仪探测器接收到检测位辐射数据及检测位温度数据，并计算黑体辐射测量值与参考值的差值、检测位随温度变化的辐射补偿值、以及检测位辐射测量值与参考值的差值、以及检测位温度测量值与参考值的差值：

O(k)＝S_mean-R(k)

Std(k)＝I(k)+O(k)

Std_deta(k)＝Std-Std(k)

Tshutter_deta(k)＝Tshutter_mean-Tshutter(k)

式中，O(k)为当前第k个环境温度下黑体辐射测量值与参考值的差值，S_mean为环境温度T0下一个高温黑体对应的辐射均值，R(k)为当前第个环境温度下红外热像仪探测器接收到的辐射测量值；Std(k)为当前第k个环境温度下检测位随温度变化的辐射补偿值，I(k)为当前第k个环境温度下检测位辐射测量值；Std_deta(k)为当前第k个环境温度下检测位辐射修正值，Std为环境温度T0下检测位辐射测量值与参考值的差值；

Tshutter_deta(k)为当前第k个环境温度下检测位温度测量值与参考值的差值，Tshutter_mean为环境温度T0下检测位温度均值，Tshutter(k)为当前第k个环境温度下检测位温度测量值；

以各组检测位辐射测量值与参考值的差值和检测位温度测量值为测量值，采用最小二乘法拟合计算辐射补偿模型的各个系数a，b，c，d，e，该辐射补偿模型为：

std_deta＝a*Tshutter⁴+b*Tshutter³+c*Tshutter²+d*Tshutter+e

式中，Std_deta为检测位辐射测量值与参考值的差值，Tshutter为检测位温度测量值；

确定相应环境下物体温度辐射测量补偿模型：

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e

式中，S_修正值为待测物体辐射修正值，S_测量值为待测物体辐射测量值，Tshuttter_deta为检测位温度测量值与温度参考值的差值。

进一步地，步骤(010)中，设定环境温度T0＝(Tmax+Tmin)/2，其中Tmax为红外热像仪最高环境温度，Tmin为红外热像仪最低环境温度。

进一步地，红外热像仪最高环境温度60度，红外热像仪最低环境温度-20度。

进一步地，步骤(010)中，对n个黑体辐射数据、红外热像仪的检测位辐射数据和/或检测位温度数据进行滤波。

进一步地，根据红外热像仪采样频率确定滤波尺寸进行一维滤波。

进一步地，步骤(030)中，选定环境温度T0下60度高温黑体对应的辐射均值为辐射参考值。

进一步地，步骤(030)中，选定环境温度T0下快门温度均值为温度参考值。

进一步地，在小范围内线性计算求根，包括：

(310)根据辐射整体范围测温模型，从最低测温界限每隔10度到最高温度界限分成n等分，计算生成数组：

T＝[T₁,T₂,T₃...T_n]

式中：

表示不同温度的辐射值，T表示不同温度值；

(320)计算修正后的温度

式中，Tobj为待测物体的温度，S_修正值为待测物体辐射修正值，[φ_index1,φ_index0]表示当前待测物体辐射修正值所在辐射值区间，[T_index1,T_index0]表示当前待测物体辐射修正值所在温度值区间。

与现有技术相比，本发明预先构建物体温度辐射测量补偿模型，由此可以将获取的待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值代入模型来计算测物体辐射修正值，将其代入辐射整体范围测温模型即可以数值求解待测物体的温度，这样具有较高的测温精度。

特别地，本发明选取红外热像仪在某一参考环境温度下的对应的某一参考黑体作为标准参考值，然后相应指定红外热像仪接收到的辐射值为固定值，通过采集红外热像仪内部参考物随环境温度以及探测器温度变化的下的辐射值，以及采集红外热像仪内部的各个温度传感器的数据，构建并使用修改的黑体辐射测温模型，最后根据红外热像仪内部温度变化修正探测器温度输出，从而实现红外热像仪温差漂移补偿，可以稳定测量温度，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明红外热像仪测温方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案来对本发明进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明的保护范围仅限于下述实施方案。

参见图1，示出本发明的红外热像仪测温方法总体流程，具体如下所述。

S1、获取待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值。其中，红外热像仪检测位为红外热像仪内部快门、探测器焦平面、镜头之一或其组合，当然也可选取其它合适的位置进行检测。

S2、根据预先构建的物体温度辐射测量补偿模型计算待测物体辐射修正值，该物体温度辐射测量补偿模型为：

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e

式中，S_修正值为待测物体辐射修正值，S_测量值为待测物体辐射测量值，Tshutter_deta为检测位温度测量值与温度参考值的差值，其中温度参考值与系数a，b，c，d，e预先标定。

该模型通过对现有模型进行优化，以达到提高测量精度的目的，后文将进一步进行说明。

S3、将待测物体辐射修正值代入辐射整体范围测温模型，并数值求解待测物体的温度，该辐射整体范围测温模型为：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

式中，φ为辐射值，T为温度值，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，系数p1，p2，p3，p4预先标定。

此处，求解时可以采取多种公知的数值计算方法。为简化计算，本发明将针对红外测温特点进行线性近似计算，后文将进一步说明。

上述实施例中，预先构建物体温度辐射测量补偿模型，这样可以将获取的待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值代入模型来计算测物体辐射修正值，之后代入辐射整体范围测温模型即可数值求解待测物体的温度，这样具有较高的测量进度。

可以理解地是，上述方法中的模型构建为关键步骤，以下对本发明红外热像仪测温方法的一个完整实施例进行详细说明。

(1)设置环境为T0，T0＝(Tmax+Tmin)/2，其中Tmax红外热像仪最高环境温度60度，Tmin为红外热像仪最低环境温度-20度。在T0温度下采集n个参考黑体的辐射值，记录为S(1)，S(2)，S(3)…S(n)，并记录内部快门辐射值为Std。

(2)记录T0环境温度下红外热像仪内部快门温度Tshutter。

(3)对采集的Tshutter使用滤波尺寸为n来进行一维滤波处理得到Tshutter_filter，其中n需根据探测器自身的采样的频率而定，假定探测器的帧频率为30，使用n＝10。

(4)对采集后的S(1)，S(2)，S(3)…使用滤波尺寸为n进行一维滤波处理，得到S(1)_filter，S(2)_filter，S(3)_filter…S(n)_filter。

(5)选取红外热像仪Tshutter_filter稳定状态下的m个采样数据求均值，设定为参考快门温度。

与此对应，对S(1)_filter，S(2)_filter，S(3)_filter…S(n)_filter的m个采样数据求均值，以设定为各个黑体均值S对应的均值。

(6)使用S(j)_mean计算辐射整体范围测温模型：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

其中，σ＝5.67*10^-12，斯特藩-玻尔兹曼常数，T为各参考黑体真实温度。

根据该模型，具体可使用最小二乘法来拟合计算出相应的系数系数p1，p2，p3，p4。

(7)改变环境温度T(1)，T(2)…T(L)，选取其中T0环境下60度黑体辐射均值作为参考值S_mean，并以S_mean为标准来计算当前环境温度与之前T0环境温度的下差值：

O(k)＝S_mean-R(k)

式中，R:探测器在当前环境温度接收到实际辐射能量值；O:不同环境温度下，真实值与标准值的差值；k:不同的第k环境温度。

(8)记录不同环境温度下T(1)，T(2)…T(L)环境温度下红外热像仪内部快门温度Tshutter(k)、内部探测器焦平面温度Tfpa(k)、以及镜头温度Tlens(k)等，其中k表示不同的环境温度。以下内部快门温度处理为例说明，后两者也可采用同样处理方法。

(9)记录不同环境T(1)，T(2)…T(L)环境温度下快门的真实辐射值I(k)，其中k为第k个不同环境温度。

(10)计算快门随温度变化后的补偿值

Std(k)＝I(k)+O(k)

(11)计算不同环境温度下快门差值

Std_deta(k)＝Std-Std(k)；

Tshutter_deta(k)＝Tshutter_mean-Tshutter(k)

(12)拟合模型补偿参数

std_deta＝a*Tshutter⁴+b*Tshutter³+c*Tshutter²+d*Tshutter+e

其中可使用步骤(11)中的二维向量，使用最小二乘法进行拟合，直接求取a，b，c，d，e的参数值。

(12)根据不同环境温度，计算当前物体温度补偿辐射值

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e

式中，S_测量值：为未修正的真实辐射值；Tshutter_deta：参考温度与当前快门温度差值。

(13)计算测物体温度，具体根据φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT计算求解。

考虑到在求根的过程中计算复杂，为减少计算的复杂度，使其更加容易实现，根据红外辐射规律在小范围内使用线性来计算。

①根据φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT，从最低测温界限每隔10度到最高温度界限，分成n等分，开始计算生成如下数组

T＝[T₁,T₂,T₃...T_n]

式中，

表示不同温度的辐射值；T：表示不同温度

②计算修正后的温度

式中，Tobj为待测物体的温度，S_修正值为待测物体辐射修正值，[φ_index1,φ_index0]表示当前待测物体辐射修正值所在辐射值区间，[T_index1,T_index0]表示当前辐射值S_修正值所在温度值区间，这样通过对应的

及T的数值来进行线性求解，由此提高了计算效率。

本发明虽然以较佳公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种红外热像仪测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取待测物体辐射值及红外热像仪检测位温度值；

S2、根据预先构建的物体温度辐射测量补偿模型计算待测物体辐射修正值，该物体温度辐射测量补偿模型为：

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e式中，S_修正值为待测物体辐射修正值，S_测量值为待测物体辐射测量值，Tshutter_deta为检测位温度测量值与温度参考值的差值，其中温度参考值与系数a，b，c，d，e预先标定；

S3、将待测物体辐射修正值代入辐射整体范围测温模型，并数值求解待测物体的温度，该辐射整体范围测温模型为：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

式中，φ为辐射值，T为温度值，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，系数p1，p2，p3，p4预先标定；

其中,构建物体温度辐射测量补偿模型的方法包括如下步骤：

(010)设定环境温度T0，采集并记录相应温度下n个黑体辐射数据，以及红外热像仪的检测位辐射数据和检测位温度数据，并在红外热像仪稳定状态下，分别选取检测位温度数据及各个黑体辐射数据中的m个数值，来求取环境温度T0下检测位温度均值、各个黑体辐射均值：

式中，Tshutter_mean为环境温度T0下检测位温度均值，Tshutter_i为环境温度T0下第i个检测位温度值；S(j)_mean为环境温度T0下第j个黑体辐射均值，S(j)_i为环境温度T0下第j个黑体第i个辐射值；

(020)以各组检测位温度均值和黑体辐射均值为测量值，采用最小二乘法拟合计算辐射整体范围测温模型的各个系数p1，p2，p3，p4，该辐射整体范围测温模型为：

φ＝p1*σT⁴+p2*σΤ³+p3*σΤ²+p4*σT

式中，φ为辐射值，T为温度值，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；

(030)改变环境温度T(1)，T(2)…T(L)，采集并记录相应环境温度下红外热像仪探测器接收到的检测位辐射数据及检测位温度数据，并计算黑体辐射测量值与参考值的差值、检测位随温度变化的辐射补偿值、以及检测位辐射测量值与参考值的差值、以及检测位温度测量值与参考值的差值：

O(k)＝S_mean-R(k)

Std(k)＝I(k)+O(k)

Std_deta(k)＝Std-Std(k)

Tshutter_deta(k)＝Tshutter_mean-Tshutter(k)

式中，O(k)为当前第k个环境温度下黑体辐射测量值与参考值的差值，S_mean为环境温度T0下一个高温黑体对应的辐射均值，R(k)为当前第k个环境温度下红外热像仪探测器接收到的辐射测量值；Std(k)为当前第k个环境温度下检测位随温度变化的辐射补偿值，I(k)为当前第k个环境温度下检测位辐射测量值；Std_deta(k)为当前第k个环境温度下检测位辐射修正值，Std为环境温度T0下检测位辐射测量值与参考值的差值；Tshutter_deta(k)为当前第k个环境温度下检测位温度测量值与参考值的差值，Tshutter_mean为环境温度T0下检测位温度均值，Tshutter(k)为当前第k个环境温度下检测位温度测量值；(040)以各组检测位辐射测量值与参考值的差值和检测位温度测量值为测量值，采用最小二乘法拟合计算辐射补偿模型的各个系数a，b，c，d，e，该辐射补偿模型为：

std_deta＝a*Tshutter⁴+b*Tshutter³+c*Tshutter²+d*Tshutter+e

式中，Std_deta为检测位辐射测量值与参考值的差值，Tshutter为检测位温度测量值；

(050)确定相应环境下物体温度辐射测量补偿模型：

S_修正值＝S_测量值+a*Tshutter_deta⁴+b*Tshutter_deta³+c*Tshutter_deta²+d*Tshutter_deta+e式中，S_修正值为待测物体辐射修正值，S_测量值为待测物体辐射测量值，Tshuttter_deta为检测位温度测量值与温度参考值的差值。

2.如权利要求1所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，红外热像仪检测位为红外热像仪内部快门、探测器焦平面、镜头之一或其组合。

3.如权利要求1所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，步骤(010)中，设定环境温度T0＝(Tmax+Tmin)/2，其中Tmax为红外热像仪最高环境温度，Tmin为红外热像仪最低环境温度。

4.如权利要求3所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，红外热像仪最高环境温度60度，红外热像仪最低环境温度-20度。

5.如权利要求1所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，步骤(010)中，对n个黑体辐射数据、红外热像仪的检测位辐射数据和/或检测位温度数据进行滤波。

6.如权利要求5所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，根据红外热像仪采样频率确定滤波尺寸进行一维滤波。

7.如权利要求1所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，步骤(030)中，选定环境温度T0下60度高温黑体对应的辐射均值为辐射参考值。

8.如权利要求1所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，步骤(030)中，选定环境温度T0下快门温度均值为温度参考值。

9.如权利要求1-8任一项所述的红外热像仪测温方法，其特征在于，在小范围内线性计算求根，包括：

(310)根据辐射整体范围测温模型，从最低测温界限每隔10度到最高温度界限分成n等分，计算生成数组：

T＝[T₁,T₂,T₃...T_n]

式中：

表示不同温度的辐射值，T表示不同温度值；

(320)计算修正后的温度

式中，Tobj为待测物体的温度，S_修正值为待测物体辐射修正值，[φ_index1,φ_index0]表示当前待测物体辐射修正值所在辐射值区间，[T_index1,T_index0]表示当前待测物体辐射修正值所在温度值区间。

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