CN114754873B - 一种非朗伯体红外测温精度的测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非朗伯体红外测温精度的测量方法和装置，该方法包括确定温度范围；制作变温装置；获得温度采样数列并组合出温度参数组合和对应的辐射出射度参数组合；测量获取不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数；根据仪器读数方程，获得红外测温装置测量非朗伯体和黑体的超定方程组；根据最小二乘法，求解超定方程组的系数；求解非朗伯体温度和黑体温度的函数表达式；计算测量非朗伯体和黑体温度的两个S值，进而获取红外测温装置测量非朗伯体的测温精度。本发明可以测量出红外测温装置对抛光金属表面、光滑涂层表面、光学镜面、光滑陶瓷表面等非朗伯体的测温精度。
Description
技术领域
本发明属于红外测温领域，具体涉及一种非朗伯体红外测温精度的测量方法和装置。
背景技术
由于抛光金属表面、光滑涂层表面、光学镜面、陶瓷表面等非朗伯体的辐射率远低于黑体。对上述非朗伯体进行红外测温时，相同温度起伏在红外探测器感光面引起的辐射功率起伏远小于黑体，导致测量非朗伯体温度时的信噪比低，测温精度会远小于测量常规黑体的精度。因此，不能使用厂家给出的测量黑体的测温精度作为测量非朗伯体的测温精度，但目前还没有准确获取红外测温装置测量非朗伯体的测温精度的方法。
发明内容
为了解决上述难题，本发明提供了一种非朗伯体红外测温精度的测量方法和装置。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种非朗伯体红外测温精度的测量方法，包括以下步骤：
确定非朗伯体温度范围、环境温度范围以及对比测量用的黑体温度范围；
制作载有非朗伯体样品的变温装置；
获得三个温度范围的采样数列并组合出两个温度参数组合和对应的辐射出射度参数组合；
测量获取不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数；
根据仪器读数方程，获得红外测温装置测量朗伯体和黑体的两个超定方程组；根据最小二乘法，求解两个超定方程组的系数，即获得每个方程组中各方程误差的平方和最小值对应的系数；
求解非朗伯体温度和黑体温度的函数表达式；
计算测量非朗伯体和黑体温度的两个S值；基于红外测温装置对黑体的测温精度和S值，获取红外测温装置测量非朗伯体的测温精度。
进一步地，包括以下步骤：
1.1确定非朗伯体温度范围；
1.2确定环境温度范围；
1.3确定对比测量用的黑体温度范围；
1.4制作载有非朗伯体样品的变温装置；
1.5对非朗伯体温度范围等间隔采样获取m个温度点，记为温度数列{Ti}；对黑体温度范围等间隔采样获取z个温度点，记为温度数列{Tq}；对环境温度范围采样获取n个温度点，获得温度数列{TSj}；
1.6温度数列{Ti}和{TSj}两两组合，获得m×n个温度参数组合[Ti，TSj]；温度数列{Tq}和{TSj}两两组合，获得z×n个温度参数组合[Tq，TSj]；
1.7测量不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数，所用红外测温装置的工作波段记为[λ1，λ2]；
1.8给出黑体温度分别为数列{Ti}，{Tq}和{TSj}中各温度值时，在[λ1，λ2]波长范围内的波段辐射出射度，分别记为数列{Mi}，{Mq}和{MSj}；
1.9数列{Mi}和{MSj}两两组合，获得k个辐射出射度参数组合[Mi，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{Rs}，s＝1，2，..k，其中，k＝m×n；仪器读数表示如式(1)所示：
R＝D*M+E*MS+F (1)
[Mi，MSj]和对应的仪器读数{Rs}带入式(1)的仪器读数方程，获得k个二元一次方程，组成一个超定方程组，如式(2)所示：
1.10数列{Mq}和{MSj}两两组合，获得h个辐射出射度参数组合[Mq，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{RBr}，r＝1，2，...h，其中，h＝z×n；带入式(1)，进而获得h个二元一次方程，组成另一个超定方程组，如式(3)所示：
1.11求解仪器读数方程组系数：根据最小二乘法，获得每个方程组中各方程误差的平方和最小值对应的系数D，E，F，分别记为D0，E0，F0以及Db，Eb，Fb；
1.12求解非朗伯体温度的函数表达式：
被测非朗伯体和镜头在[λ1，λ2]波段内的光谱辐射出射度用温度表示，带入仪器读数方程，获得以镜头温度为自变量，被测非朗伯体温度T的函数表达式，如式(4)所示：
T＝((R-F0-E0*FS*σTS^4)/D0*F*σ)1/4 (4)
简写为T＝f(TS)，其中TS为镜头温度，F为温度T的黑体在[λ1，λ2]波段内的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，FS为温度TS的黑体在[λ1，λ2]波段内的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，σ为斯特潘-玻尔兹曼常数，单位为W/cm^2·K^4；T和TS确定时，F和FS为常数；黑体温度的函数表达式，如式(5)所示：
TB＝((R-Fb-Eb*FS*σTS^4)/Db*F*σ)1/4 (5)
1.13：计算S值，如式(6)所示：
S＝f′(TS) (6)
把镜头温度为TS，红外测温装置测量温度为T的非朗伯体和黑体时的仪器读数R1和R2带入上式，计算出两个S值，分别记为S1和S2，其中S1为测量非朗伯体的S值；
1.14：获取红外测温装置测量朗伯体的测温精度σp，如式(7)所示：
σp＝σ*(S1/S2) (7)
其中，σ为红外测温装置测量黑体时的测温精度，是红外测温装置的一项基本性能参数
进一步地，步骤1.3中，黑体温度范围设为等于或者小于非朗伯体温度范围。
进一步地，步骤1.4中，把被测非朗伯体为亚毫米级的薄片样品，通过导热硅胶黏贴在水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别与高控温精度水冷机的进、出液口连接；非朗伯体样品温度与流入的冷却液相同。
进一步地，红外测温装置为红外焦平面阵列探测器，配套F数小于等于1的短焦红外成像镜头。
进一步地，冷却液为乙二醇型冷却液。
进一步地，测量装置包括红外测温装置和控温装置；控温装置包括第一水冷机和第二水冷机，薄壁硅胶软管与第一水冷机的进、出液口连接，密集缠绕在红外测温装置的镜头外壳。
本发明还涉及一种非朗伯体红外测温精度的测量装置，包括红外测温装置和控温装置；控温装置包括第一水冷机和第二水冷机，薄壁硅胶软管与第一水冷机的进液口和出液口连接，薄壁硅胶软管密集缠绕在红外测温装置的镜头外壳；冷却液温度作为镜头温度；
被测非朗伯体样品黏贴在水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别与第二水冷机的进、出液口连接，按上述的方法进行测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明可以测量出红外测温装置对抛光金属表面、光滑涂层表面、光学镜面、光滑陶瓷表面等非朗伯体的理论测温精度。
附图说明
图1是本发明实施例的系统的结构示意图；
其中：1-第一水冷机；2-进液口；3-出液口；4-红外测温装置；5-薄壁硅胶软管；6-被测目标薄片；7-水冷头；8-进液管；9-出液管；10-第二水冷机。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
实施例1
如图1所示，本实施例的非朗伯体红外测温精度的测量装置，包括红外测温装置和控温装置。红外测温装置由艾睿LA6110红外机芯配套F数1的口径5厘米红外镜头组成；控温装置设于红外测温装置的镜头外壳上。通过红外测温装置测量不同镜头温度和不同被测非朗伯体、黑体温度的仪器读数进行处理，获得测量非朗伯体的测温精度，本质上为红外测温装置对非朗伯体的噪声等效温差。
根据所需的谱带发射率的波段范围，选择波段范围相同的红外测温装置，大部分所需的谱带发射率的波段范围都有相同波段红外测温装置，多数为8～14μm，3～5μm等。面源黑体为常规源黑体，且黑体发射面尺寸可以覆盖红外测温装置的视场。
控温装置用于控制红外测温装置的镜头温度。控温装置包括第一水冷机和第二水冷机，薄壁硅胶软管5与第一水冷机的进液口2和出液口3连接。第一水冷机用于控制红外测量装置的镜头温度，第二水冷机用于控制水冷头7的温度。薄壁硅胶软管5密集缠绕在红外测温装置的镜头外壳，由于镜头内部没有热源，充分热稳定后，镜头温度和恒温冷却液之间即使有温差也是固定且较小的，可认为镜头温度与冷却液温度相等。
红外测温装置为红外焦平面阵列探测器，配套F数小于等于1的短焦红外成像镜头。
制作载有非朗伯体样品的变温装置，被测非朗伯体制成厚度为亚毫米级的薄片，通过导热硅胶黏贴在紫铜材质的水冷头7表面，水冷头7内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别通过进液管8和出液管9与第二水冷机10的进、出液口连接。非朗伯体样品温度与流入的冷却液相同，改变冷却液温度即可精准改变非朗伯体样品温度。第一水冷机1、第二水冷机10均为KD-3AS高控温精度水冷机。冷却液为乙二醇型冷却液。
本实施例的非朗伯体红外测温精度测量方法，包括以下步骤：
1.1确定非朗伯体温度范围：根据被测非朗伯体在常见使用环境中的实际温度变化范围，给出覆盖实际温度变化范围的目标温度范围，记为[Ta，Tb]；
1.2确定环境温度范围：根据非朗伯体的常见使用环境的温度变化范围，给出环境温度范围，记为[TSa，TSb]；
1.3确定黑体温度范围：黑体的辐射率不随波长和温度而变化，黑体温度范围设为等于或者小于目标温度范围，以降低黑体通过对流和辐射热交换对红外探测器的热影响，黑体温度范围记为[TBa，TBb]；
1.4制作变温装置，把被测非朗伯体制成厚度为亚毫米级的薄片样品，通过导热硅胶黏贴在紫铜材质的水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别与水冷机的进、出液口连接。水冷机采用高精度PID控温。非朗伯体样品温度与流入的冷却液相同，改变冷却液温度即可精准改变非朗伯体样品温度。
1.5对目标温度范围[Ta，Tb]等间隔采样m项，获得温度数列{Ti}，i＝1，2，...m；对黑体温度范围[TBa，TBb]等间隔采样z项，获得温度数列{Tq}，q＝1，2，...z；对环境温度范围[TSa，TSb]采样获取n个温度点，获得温度数列{TSj}，j＝1，2，...n；
1.6温度数列{Ti}和{TSj}两两组合，获得m×n个温度参数组合[Ti，TSj]；温度数列{Tq}和{TSj}两两组合，获得z×n个温度参数组合[Tq，TSj]；
1.7测量不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数：
从温度参数组合[Ti，TSj]的第一项开始，非朗伯体样品温度和镜头温度分别设置为温度参数组合[Ti，TSj]中每一项对应的温度值，其中镜头温度对应TSj，同时获取红外测温装置对应的仪器读数{Rs}，s＝1，2，..k，其中，k＝m×n；所述仪器读数R为红外焦平面阵列探测器的所有像元读数的平均值；测量时，保证被测非朗伯体样品充满镜头视场；
从温度参数组合[Tq，TSj]的第一项开始，黑体温度和镜头温度分别设置为温度参数组合[Tq，TSj]中每一项对应的温度值，其中镜头温度对应TSj，同时获取畿外测温装置对应的仪器读数{RBr}，r＝1，2，..h，其中，h＝z×n；测量时，保证黑体发射面充满镜头视场；
1.8给出黑体温度分别为数列{Ti}，{Tq}t{TSj}中各温度值在[λ1，λ2]波长范围内的波段辐射出射度，记为数列{Mi}，{Mq}和{MSj}；
1.9数列{Mi}和{MSj}两两组合，获得k个辐射出射度参数温合[Mi，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{Rs}，s＝1，2，..k；仪器读数既有被测目标红外辐射的贡献，也有镜头自身红外辐射的贡献，仪器读数如式(1)所示：
R＝D*M+E*MS+F (1)
把[Mi，MSj]和对应的仪器读数{Rs}带入式(1)，获得k个二元一次方程，组成一个超定方程组，写成矩阵的形式如式(2)所示：
1.10数列{Mq}和{MSj}两两组合，获得h(z×n)个辐射出射度参数组合[Mq，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{RBr}，r＝1，2，..h；带入式(1)，进而获得h个二元一方程，组成超定方程组，写成矩阵的形式如式(3)所示：
1.11求解仪器读数方程组系数：根据最小二乘法，求解出上述2个超定方程组的最小二乘解，即获得每个方程组中各方程误差的平方和最小值对应的系数D，E，F，分别记为D0，E0，F0以及Db，Eb，Fb；
1.12非朗伯体温度的函数表达式：
被测非朗伯体和镜头的光谱辐射出射度用温度表示，带入仪器读数方程，获得以镜头温度为自变量，被测朗伯体温度T的函数表达式如式(4)所示：
T＝((R-F0-E0*FS*σTS^4)/D0*F*σ)1/4 (4)
简写为T＝f(TS)，其中TS为镜头温度，F为温度T的黑体在8～14微米波段的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，FS为温度TS的黑体在8～14微米波段的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，σ为斯特潘-玻尔兹曼常数，单位为W/cm^2·K^4。T和TS确定时，F和FS为常数。黑体温度TB的函数表达式如式(5)所示：
TB＝((R-Fb-Eb*FS*σTS^4)/Db*F*σ)1/4 (5)
如式(4)～(5)所示，非朗伯体温度和黑体温度均为镜头温度TS的函数，记为：
T＝f(TS)
1.13：计算S值，如式(6)所示
S＝f′(TS) (6)
把镜头温度为TS，目标温度T，以及仪器读数R带入上式，计算出S值。测量温度为T的非朗伯体和黑体的S值分别v为S1和S2。
S值本质上反映了镜头温度为TS，测量温度为T的目标时，镜头温度的微小变化量ΔTL引起的感光面辐射功率的微小变化量ΔM，对应的目标温度变化量ΔTM值的大小：
S＝ΔTM/ΔTL
1.14：获取红外测温装置测量朗伯体的测温精度σp，如式(7)所示：
σp＝σ*(S1/S2) (7)
其中，σ为红外测温装置测量黑体时的测温精度。
检测实例
作为具体实例，红外测温装置为非制冷氧化钒红外焦平面探测器，响应波段为8～14μm，14位AD。焦平面阵列规模640*512，像元间距为17微米，红外探测器感光面的尺寸为1.088×0.87cm。
探测器配套F数为1的聚光能力强的红外镜头，镜头口径为5cm，视场为12.4°x9.9°。探测器配有高精度半导体控温系统，保证机芯和焦平面温度不随环境温度的起伏而变化。红外镜头采用循环液冷控温，通有冷却液的薄壁硅胶软管缠绕红外测温装置的镜头外壳。循环液冷由高控温精度水冷机以及配套的水管和阀门组成。冷却液由水冷机进行高精度温度控制，有较大的控温范围，水冷机为市面成熟产品。
制作非朗伯体样品的变温装置：被测非朗伯体为铝膜，常见温度范围为10～34℃。铝膜直接镀在水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，腔体设有复杂的水路设计，可使得腔内冷却液以大致均匀的流速流过铝镜背部。水冷头配套有基于水冷机的高精度循环液冷系统。水冷机采用高精度PID控制。此外，水冷头壁面的热阻很小，铝膜温度均匀且温度与流入的冷却液相同。改变冷却液温度即可精准改变铝膜温度。所用面源黑体为以色列CI Systems公司生产的SR800N-12D-LT面源黑体。
结合具体环境，确定环境温度范围为[10，17]，对比测量用的黑体温度变化范围设置为[10，30]。
对目标温度范围[10，34]等间隔采样4项，获得温度数列{Ti}：10，18，26，34；对黑体变化温度范围[10，30]等间隔采样5项，获得温度数列{Tq}，10，15，20，25，30；环境温度数列{TSj}为10，12，15，17；
温度数列{Ti}和{TSj}两两组合，获得16个温度参数组合[Ti，TSj]：[10，10]，[10，12]，[10，15]，[10，17]，[18，10]，...，[34，17]
温度数列{Tq}和{TSj}两两组合，获得20个温度参数组合[Tq，TSj]：[10，10]，[10，12]，[10，15]，[10，17]，[15，10]，...，[30，17]
测量不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数：
首选确保被测目标充满红外镜头的视场。然后非朗伯体样品水冷头的冷却液温度和镜头冷却液温度分别设置为温度参数组合[Ti，TSj]中每一项对应的温度值，例如对于温度参数组合[10，12]，水冷头冷却液温度和镜头冷却液温度则分别设置为10和12℃。然后获取对应的红外测温装置的仪器读数{Rs}，分别为{5898.8，6920.5，8407.7，9429.0，5927.2，6934.3，8435.1，9429.0，5966.8，6957.5，8467.9，9500.7，6004.5，6988.1，8509.7，9541.2}仪器读数R为所有像元(640*512)读数的平均值。
同样的方法将黑体温度和镜头冷却液温度分别设置为温度参数组合[Tq，TSj]中每一项对应的温度值，例如对于温度参数组合[30，17]，黑体温度和镜头冷却液温度则分别设置为30和17℃。然后获取对应的红外测温装置的仪器读数{RBr}，分别为{5892.7，6753.4，8084.6，8972.9，6331.1，7202.4，8526.8，9417.1，6807.7，7671.0，8993.5，9892.3，7307.8，8172.1，9490.8，10402，7833.1，8682.4，10018.0，10922.0}。
计算出16个温度参数组合对应的16个波段辐射出射度组合[Mi，MSj]。Mi为温度Ti的黑体，在红外测温装置工作波段(8～14μm)的波段辐射出射度，单位为W/(cm^2)。MSj为温度TEj的黑体在8～14μm的波段辐射出射度。每一项辐射出射度组合[Mi，MSj]对应一个仪器读数，且与温度参数组合的对应项[Ti，TSj]对应相同同的仪器读数。
同样的方法，计算出20个温度参数组合对应的20个波段辐射出射度组合[Mq，MSj]。每一项辐射出射度组合[Mi，MSj]对应温度参数组合相应项[Ti，TSj]的仪器读数。
16个波段辐射出射度组合[Mi，MSj]及对应的仪器读数{Rs}分别带入式Rs＝D*Mi+E*MSj+F，进而获得16个二元一次方程，组成一个超定方程组。
同样的，20个波段辐射出射度组合[Mq，MSj]及对应的仪器读数{RBr}分别带入式RBr＝D*Mq+E*MSj+F，进而获得20个二元一次方程，组成另一个超定方程组。
求解出仪器读数方程：根据最小二乘法系数，求解出上述2个超定方程组的最小二乘解，进而获得每个方程组中各方程误差的平方和最小值对应的系数。测量朗伯体温度的仪器读数方程：
R＝15961.35*Mi+2180073.77*MSj-22987.92
测量黑体温度的仪器读数方程：
R＝392922.22*Mq+1905761.64*MSj-24359.22
被测非朗伯体温度的函数表达式
当镜头温度10℃，测量温度为20℃的非朗伯体黑体的仪器读数分别为5948.4和6807.7，非朗伯体温度的函数表达式：
T＝((5948.4+22987.92-2180073.77*0.36*σTS^4)/15961.35*0.37*σ)1/4
其中σ为斯特潘-破尔兹曼常数，单位为W/cm^2·K^4。
黑体温度的函数表达式：
T＝((6807.7+24359.22-1905761.64*0.36*σTS^4)/392922.22*0.37*σ)1/4
计算S值：
S＝f′(TS)
计算出S1和S2分别为-119.99和-4.27，S1/S2约为28。S的比值只取决于测温装置对目标辐射和镜头自身辐射的收集能力，与环境温度等其它因素无关。
获取红外测温装置测量朗伯体的测温精度σp：
σp＝σ*(S1/S2)
其中，σ为红外测温装置测量黑体时的测温精度，测量铝膜时，测温精度σp约为28σ。例如某红外测温装置对黑体的测温精度为±0.5℃，那么同样的红外测温装置测量铝膜时的测温精度约为±14℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种非朗伯体红外测温精度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1.1确定非朗伯体温度范围：根据被测非朗伯体在常见使用环境中的实际温度变化范围，给出覆盖实际温度变化范围的目标温度范围，记为[Ta，Tb]；
1.2确定环境温度范围：根据非朗伯体的常见使用环境的温度变化范围，给出环境温度范围，记为[TSa，TSb]；
1.3确定黑体温度范围：黑体的辐射率不随波长和温度而变化，黑体温度范围设为等于或者小于目标温度范围，以降低黑体通过对流和辐射热交换对红外探测器的热影响，黑体温度范围记为[TBa，TBb]；
1.4制作载有非朗伯体样品的变温装置；
1.5对非朗伯体温度范围等间隔采样获取m个温度点，记为温度数列{Ti}；对黑体温度范围等间隔采样获取z个温度点，记为温度数列{Tq}；对环境温度范围采样获取n个温度点，获得温度数列{TSj}；
1.6温度数列{Ti}和{TSj}两两组合，获得m×n个温度参数组合[Ti，TSj]；温度数列{Tq}和{TSj}两两组合，获得z×n个温度参数组合[Tq，TSj]；
1.7测量不同温度参数组合对应的红外测温装置的仪器读数R，所述仪器读数R为红外焦平面阵列探测器的所有像元读数的平均值；从温度参数组合[Ti，TSj]的第一项开始，非朗伯体样品温度和镜头温度分别设置为温度参数组合[Ti，TSj]中每一项对应的温度值，其中镜头温度对应TSj，同时获取红外测温装置对应的仪器读数{Rs}，s＝1，2，..k，其中，k＝m×n；测量时，保证被测非朗伯体样品充满镜头视场；
从温度参数组合[Tq，TSj]的第一项开始，黑体温度和镜头温度分别设置为温度参数组合[Tq，TSj]中每一项对应的温度值，其中镜头温度对应TSj，同时获取红外测温装置对应的仪器读数{RBr}，r＝1，2，..h，其中，h＝z×n；测量时，保证黑体发射面充满镜头视场；
1.8给出黑体温度分别为数列{Ti}，{Tq}和{TSj}中各温度值时，在[λ1，λ2]波长范围内的波段辐射出射度，分别记为数列{Mi}，{Mq}和{MSj}；
1.9数列{Mi}和{MSj}两两组合，获得k个辐射出射度参数组合[Mi，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{Rs}，s＝1，2，...k，其中，k＝m×n；仪器读数表示如式(1)所示：
R＝D*M+E*MS+F (1)
[Mi，MSj]和对应的仪器读数{Rs}代入式(1)的仪器读数方程，获得k个二元一次方程，组成一个超定方程组，如式(2)所示：
1.10数列{Mq}和{MSj}两两组合，获得h个辐射出射度参数组合[Mq，MSj]，每个组合对应一个仪器读数{RBr}，r＝1，2，...h，其中，h＝z×n；代入式(1)，进而获得h个二元一次方程，组成另一个超定方程组，如式(3)所示：
1.11求解仪器读数方程组系数：根据最小二乘法，获得每个方程组中各方程误差的平方和最小值对应的系数D，E，F，分别记为D0，E0，F0以及Db，Eb，Fb；
1.12求解非朗伯体温度的函数表达式：
被测非朗伯体和镜头在[λ1，λ2]波段内的光谱辐射出射度用温度表示，代入仪器读数方程，获得以镜头温度为自变量，被测非朗伯体温度T的函数表达式，如式(4)所示：
T＝((R-F0-E0*FS*σTS^4)/D0*F*σ)1/4 (4)
简写为T＝f(TS)，其中TS为镜头温度，F为温度T的黑体在[λ1，λ2]波段内的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，FS为温度TS的黑体在[λ1，λ2]波段内的谱带辐射出射度与总辐射出射度的比值，σ为斯特潘-玻尔兹曼常数，单位为W/cm^2·K^4；T和TS确定时，F和FS为常数；黑体温度的函数表达式，如式(5)所示：
TB＝((R-Fb-Eb*FS*σTS^4)/Db*F*σ)1/4 (5)
1.13：计算S值，如式(6)所示：
S＝f'(TS) (6)
把镜头温度为TS，红外测温装置测量温度为T的非朗伯体和黑体时的仪器读数R1和R2代入上式，计算出两个S值，分别记为S1和S2，其中S1为测量非朗伯体的S值，S2为测量黑体的S值；
1.14：获取红外测温装置测量非朗伯体的测温精度σp，如式(7)所示：
σp＝σ*(S1/S2) (7)
其中，σ为红外测温装置测量黑体时的测温精度，是红外测温装置的一项基本性能参数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤1.4中，被测非朗伯体样品为亚毫米级的薄片，通过导热硅胶黏贴在水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别与高控温精度水冷机的进、出液口连接；非朗伯体样品温度与流入的冷却液相同。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：红外测温装置为红外焦平面阵列探测器，配套F数小于等于1的短焦红外成像镜头。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：冷却液为乙二醇型冷却液。
5.一种非朗伯体红外测温精度的测量装置，其特征在于：包括红外测温装置和控温装置；控温装置包括第一水冷机和第二水冷机，薄壁硅胶软管与第一水冷机的进液口和出液口连接，薄壁硅胶软管密集缠绕在红外测温装置的镜头外壳；冷却液温度作为镜头温度；
被测非朗伯体样品黏贴在水冷头表面，水冷头内有液冷腔体，水冷头的出液口和进液口分别与第二水冷机的进、出液口连接，按权利要求1-4任一项所述的方法进行测量。
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| CN113074819A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-06 | 黄善杰 | 一种高精度红外测温系统和方法 |
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