CN114878004A - 一种距离感知恒温热像装置及标定、测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种距离感知恒温热像装置，包括恒温红外热像仪、测距模块和外部控制板，所述恒温红外热像仪采用现有的红外热像仪，包括红外镜头，用于获得待测目标的红外辐射图像，所述测距模块包括矩阵式测距相机组件，用于测量实时物距，所述外部控制板包括数据处理模块，用于处理红外辐射图像信息和实时距离数据，所述恒温红外热像仪和测距模块均与数据处理模块电连接。本发明还提供一种上述装置的标定以及测温方法，实现可变距离下的高精度测温，提高环境适应度，保证测温效率，稳定性较高。
Description
技术领域
本发明属于红外测温技术领域，具体涉及一种距离感知恒温热像装置及标定、测温方法。
背景技术
温度是确定物质状态的参数之一，在自然界中无论是物理变化还是化学反应，都离不开温度的变化，温度的测量显得尤为重要。传统的测温方法需要仪器与待测目标充分接触，测量成本低、使用简单。然而，测量时需要和被测点有充分的接触，测温响应速度慢，且不能测量运动物体的温度，这些缺点使得接触式测温已经不能满足高速发展的市场需求，因此新型的非接触式测温方法应运而生。
非接触式测温方法在测量原理、结构制造、应用范围、响应速度等方面相对于传统的接触式测温方法都有了质的突破，尤其是红外热像仪测温技术是当今非接触式测温方法的重要发展方向之一。红外热像仪主要是通过接收物体表面发射的红外辐射进一步分析物体表面温度的变化，具有非接触、远距离、速度快、测温范围广等优点。随着成本的降低，红外热像仪已由最初的军事领域逐渐进入国民经济领域，并显示出巨大的应用市场，尤其在医学上，为医疗卫生事业的发展提供了更广阔的空间。
然而，虽然红外热像仪在技术上得到了迅速发展，适用范围不断扩大，但是在接受红外辐射的过程中，不可避免地要受环境温度、测量距离、背景辐射等因素的影响，导致测温精度不高。其中，影响测温精度的一个主要因素就是能量损耗。由于待测目标到红外热像仪之间有一定的距离，待测目标发出的红外辐射在传输过程中有一定的损耗，一方面是因为随着距离的增大，因大气透过率减小而导致测温精度的误差，另一方面是当距离增加时，红外热像仪的瞬时视场角的视场面积也随之增大，目标尺寸相对于瞬时视场面积的倍数必然要减小，当目标不能充满瞬时视场时，输出信号降低，导致测量误差。
目前，市面上的大部分红外热像仪都会有一个标准距离范围，出厂时就决定了最佳测量距离，超过最佳测量距离或未达到最佳测量距离时，尽管是在厂家标定的距离范围内，但精度会明显下降，甚至达不到所要求的精度，因此用户只能根据说明书，设定安装位置，标记测温对象站立位置才能保证精准测温。有些专利试图通过软件的方式，比如根据人脸检测得到的人脸的大小估算红外热像仪与待测目标之间的距离。这种方法虽然能够在一定程度上提高精度，但是人脸检测算法的不稳定以及帽子等装饰品的关系，再加上人脸尺寸本身就有差距，并不能达到精确的距离测算。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种距离感知恒温热像装置及标定、测温方法，通过采用矩阵式TOF得到精确的距离信息，再根据该距离信息以及温度校正算法消除距离对测温精度的负面影响，解决现有技术中在动态环境温度下，对不同距离的待测目标的测温精度不高，稳定性差等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种距离感知恒温热像装置，包括恒温红外热像仪、测距模块和外部控制板，所述恒温红外热像仪采用现有的红外热像仪，包括红外镜头，用于获得待测目标的红外辐射图像，所述测距模块包括矩阵式测距相机组件，用于测量实时物距，所述外部控制板包括数据处理模块，用于处理红外辐射图像信息和实时距离数据，所述恒温红外热像仪和测距模块均与数据处理模块电连接，所述恒温红外热像仪固定在安装座上，所述安装座上还设有可见光镜头位于红外镜头旁，所述矩阵式测距相机组件固定在安装座上且位于可见光镜头和红外镜头的中间下方位置。
优选的，所述矩阵式测距相机组件包括矩阵式深度传感器，通过将视野范围进行纵横分割，获取每个分割点的距离，形成矩阵，实时获取视野内每一个像素点的距离信息。
优选的，还包括控温模块，所述控温模块包括若干个半导体制冷片和温控板，所述若干个半导体制冷片设于恒温红外热像仪的内部，并与设于恒温红外热像仪外部的温控板电连接。
优选的，所述恒温红外热像仪的内部还设有保温材料，所述保温材料包裹若干个半导体制冷片和红外镜头。
优选的，还包括环境温度采集模块，所述环境温度采集模块固定安装在恒温红外热像仪上，所述环境温度采集模块包括测温器件，用于采集环境温度，所述环境温度采集模块与外部控制板电连接，将测温器件采集到的环境温度值传送给外部控制板中的数据处理模块。
优选的，所述外部控制板上还设有存储模块，用于存储红外图像信息及其对应的温度值。
优选的，所述恒温红外热像仪的外壳上还设有若干个风扇。
本发明还公开了一种距离感知恒温热像装置的标定方法，包括以下步骤：
步骤一、恒温红外热像仪获取待测目标的红外辐射图像，矩阵式测距相机组件通过镜头匹配和视野匹配，使TOF镜头和红外镜头具有相近的视野范围；
步骤二、通过位置标定算法将共同视野范围内的TOF像素点和红外像素点一一对应；
步骤三、针对每一帧图像，同时获取每一个像素点的红外读数和距离读数；
步骤四、以黑体作为热辐射源，通过多次采集不同距离和不同黑体温度的数据，计算出一个基于距离的校正公式t′＝f(t,d)，其中，t为红外热像仪测得的温度，d为距离，t′为根据距离校正后的温度；
步骤五、通过环境温度采集模块采集到的环境温度值，将步骤四中根据距离校正后得到的温度进一步校正，得到基于环境温度的距离校正公式T＝g(t′)。
优选的，根据标定方法还可得出测温方法，获取待测目标的红外热像仪读数、测量距离及环境温度值，并基于所述步骤四和步骤五得到的校正公式对每个像素点的红外读数进行校正，获得待测目标的真实温度信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过矩阵式测距相机组件进行实时精确测距，并与红外热像仪采集到的红外辐射图像进行视野匹配以及像素点的一一对应，再根据温度校正算法，获得待测目标的真实温度信息，实现可变距离的精准测温；
2、通过在现有的红外热像仪的内部设置保温材料，利用保温材料实现红外热像仪内外的热隔离，提高红外热像仪的环境适应度，使红外热像仪内部维持恒定温度，保证较高的测温精度；
3、对环境变化的容忍度更强，能够在环境温度变化或者待测目标测量距离变化或二者同时变化的情况下，实现对待测目标的准确测温。
附图说明
图1是本发明距离感知恒温热像装置的主视图；
图2是本发明距离感知恒温热像装置的结构示意图；
图3是本发明距离感知恒温热像装置的原理图；
图中：1恒温红外热像仪、11红外镜头、2外部控制板、3矩阵式测距相机组件、31TOF镜头、4安装座、5可见光镜头、6温控板、7环境温度采集模块、71测温器件、8风扇。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例的技术方案进行详细阐述，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。
在本申请的描述中，术语“内”、“外”、“旁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是便于描述本申请的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位进行构造和操作，因此不能理解为本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是一体式；可以是直接相连，也可以是中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
根据本发明的总体构思，结合图1、图2和图3，提供一种距离感知恒温热像装置，包括恒温红外热像仪1、测距模块、外部控制板2、控温模块和环境温度采集模块7。
恒温红外热像仪1采用现有的红外热像仪，包括红外镜头11，用于获得待测目标的红外辐射图像，控温模块包括若干个半导体制冷片和温控板6，若干个半导体制冷片设于恒温红外热像仪1的内部，温控板6与若干个半导体制冷片、外部控制板2电连接。温控板6控制若干个半导体制冷片工作在加热或制冷状态，保证热像仪内部温度维持在恒定温度工作范围内。恒温红外热像仪1是在现有的红外热像仪基础上，在热像仪内部设置了保温材料，包裹红外镜头11和若干个半导体制冷片，实现热像仪内部的热隔离，使热像仪内部长时间保持恒温状态。
测距模块包括矩阵式测距相机组件3，矩阵式测距相机组件3包括矩阵式深度传感器，矩阵式深度传感器向外发射激光脉冲，遇到物体后反射，反射到矩阵式测距相机组件3中的TOF镜头31，通过计算发射到反射回TOF镜头的时间差或相位差，形成一组距离数据。矩阵式测距相机组件3通过将视野范围进行纵横分割，获取每个分割点的距离，形成矩阵，实时获取视野内每一个像素点的距离数据，并将该距离数据与恒温红外热像仪采集到的红外辐射图像信息一并传到外部控制板中。
环境温度采集模块7包括测温器件71，用于采集环境温度，测温器件可采用NTC测温电阻，将采集到的环境温度一是传送给温控板6，使温控板6根据环境温度的变化调整半导体制冷片的工作状态，保证恒温红外热像仪1内部维持恒定温度，二是传送给外部控制板2的数据处理模块，与距离数据、红外辐射图像信息结合实现对温度的标定。
外部控制板2包括数据处理模块和存储模块，数据处理模块用于处理距离数据、红外图像信息以及环境温度值，并通过算法和校正公式进行温度校正，存储模块用于存储数据处理模块处理完的数据以便备用，比如通过显示器显示或上传到云端，数据处理模块与恒温红外热像仪1、测距模块以及环境温度采集模块7电连接，存储模块与数据处理模块电连接，实现数据处理和存储，完成测温步骤。
恒温红外热像仪1固定在安装座4上，恒温红外热像仪1上还固定安装有环境温度采集模块7，安装座4上还设有可见光镜头5位于红外镜头11旁，矩阵式测距相机组件3固定在安装座4上且位于可见光镜头5和红外镜头11的中间下方位置，红外镜头11和矩阵式测距相机组件3的TOF镜头31可选择同样焦距的镜头。
根据上述还提出了一种距离感知恒温热像装置的标定方法，步骤如下：
步骤一、恒温红外热像仪1获取待测目标的红外辐射图像，矩阵式测距相机组件3通过镜头匹配和视野匹配，使TOF镜头31和红外镜头11具有相近的视野范围；
步骤二、通过位置标定算法将共同视野范围内的TOF像素点和红外像素点一一对应；
步骤三、针对每一帧图像，同时获取每一个像素点的红外读数和距离读数；
步骤四、以黑体作为热辐射源，通过多次采集不同距离和不同黑体温度的数据，计算出一个基于距离的校正公式t′＝f(t,d)，其中，t为红外热像仪测得的温度，d为距离，t′为根据距离校正后的温度；
步骤五、通过环境温度采集模块7采集到的环境温度值，将步骤四中根据距离校正后得到的温度进一步校正，得到基于环境温度的距离校正公式T＝g(t′)。
根据上述标定方法，还可得出测温方法，即获取待测目标的红外热像仪读数、测量距离及环境温度值，并基于所述步骤四和步骤五得到的校正公式对每个像素点的红外读数进行校正，获得待测目标的真实温度信息。
下面结合具体实施例验证本发明的测温效果。本次实验为本发明所设计的距离感知恒温热像装置和普通红外热像仪在不同距离以及不同环境温度下测量黑体温度的对比。
实施例一、在同一环境温度下测量不同距离对测量精度的影响。为使结果更加准确，选择三个在测量温度范围内的黑体温度34度、37度和40度进行实验，设该实验中的环境温度为18度，实验结果如下。
实验1、黑体温度为34.0度：
实验2、黑体温度为37.0度：
实验3、黑体温度为40.0度：
根据上述3个实验所得的实验数据，得出下列标准差表格：
| 距离(m) | 普通热像仪测温标准差 | 距离感知恒温热像装置标准差 |
| 1.3 | 0.4903 | 0.1333 |
| 2.0 | 0.5295 | 0.1411 |
| 2.5 | 0.6830 | 0.2035 |
| 3.0 | 0.7937 | 0.1427 |
实施例二、下面进行在同一距离下不同环境温度对测量精度的影响。同实施例一，选择三个在测量温度范围内的黑体温度34度、37度和40度进行实验，设该实验中的测量距离为1.3米，实验结果如下。
实验4、黑体温度为34.0度：
实验5、黑体温度为37.0度：
实验6、黑体温度为40.0度：
根据上述3个实验所得的实验数据，得出下列标准差表格：
| 环境温度(℃) | 普通热像仪测温标准差 | 距离感知恒温热像装置标准差 |
| 17 | 0.8079 | 0.1703 |
| 19 | 0.7735 | 0.1532 |
| 21 | 0.8164 | 0.1640 |
综上所述，本发明所设计的距离感知恒温热像装置与普通红外热像仪相比，测量误差明显降低，在实施例一中只有距离在变化的情况下，测量误差可以保持在0.2度以内，又根据实施例二得出在距离不变(可视作已完成距离校正)而环境温度变化的情况下，测量误差也可以维持在0.2度以内。因此，本发明在环境温度和距离都在变化的场景下依然可以完成高精度测温，降低了环境温度和距离对红外测温的影响，测温时无需限定用户站在最佳测量距离位置，而可以在视野内更大的范围内站立，从而降低部署难度，提高测温精度，提高测温效率。
虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其他多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，包括恒温红外热像仪(1)、测距模块和外部控制板(2)，所述恒温红外热像仪(1)采用现有的红外热像仪，包括红外镜头(11)，用于获得待测目标的红外辐射图像，所述测距模块包括矩阵式测距相机组件(3)，用于测量实时物距，所述外部控制板(2)包括数据处理模块，用于处理红外辐射图像信息和实时距离数据，所述恒温红外热像仪(1)和测距模块均与数据处理模块电连接；
所述恒温红外热像仪(1)固定在安装座(4)上，所述安装座(4)上还设有可见光镜头(5)位于红外镜头(11)旁，所述矩阵式测距相机组件(3)固定在安装座(4)上且位于可见光镜头(5)和红外镜头(11)的中间下方位置。
2.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，所述矩阵式测距相机组件(3)包括矩阵式深度传感器，通过将视野范围进行纵横分割，获取每个分割点的距离，形成矩阵，实时获取视野内每一个像素点的距离信息。
3.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，还包括控温模块，所述控温模块包括若干个半导体制冷片和温控板(6)，所述若干个半导体制冷片设于恒温红外热像仪(1)的内部，并与设于恒温红外热像仪(1)外部的温控板(6)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，所述恒温红外热像仪(1)的内部还设有保温材料，所述保温材料包裹若干个半导体制冷片和红外镜头(1)。
5.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，还包括环境温度采集模块(7)，所述环境温度采集模块(7)固定安装在恒温红外热像仪(1)上，所述环境温度采集模块(7)包括测温器件(71)，用于采集环境温度，所述环境温度采集模块(7)与外部控制板(2)电连接，将测温器件(71)采集到的环境温度值传送给外部控制板(2)中的数据处理模块。
6.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，所述外部控制板(2)上还设有存储模块，用于存储红外图像信息及其对应的温度值。
7.根据权利要求1所述的一种距离感知恒温热像装置，其特征在于，所述恒温红外热像仪(1)的外壳上还设有若干个风扇(8)。
8.一种距离感知恒温热像装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、恒温红外热像仪(1)获取待测目标的红外辐射图像，矩阵式测距相机组件(3)通过镜头匹配和视野匹配，使TOF镜头(31)和红外镜头(11)具有相近的视野范围；
步骤二、通过位置标定算法将共同视野范围内的TOF像素点和红外像素点一一对应；
步骤三、针对每一帧图像，同时获取每一个像素点的红外读数和距离读数；
步骤四、以黑体作为热辐射源，通过多次采集不同距离和不同黑体温度的数据，计算出一个基于距离的校正公式t′＝f(t,d)，其中，t为红外热像仪测得的温度，d为距离，t′为根据距离校正后的温度；
步骤五、通过环境温度采集模块(7)采集到的环境温度值，将步骤四中根据距离校正后得到的温度进一步校正，得到基于环境温度的距离校正公式T＝g(t′)。
9.根据权利要求8所述的一种距离感知恒温热像装置的标定方法，其特征在于，根据标定方法还可得出测温方法，获取待测目标的红外热像仪读数、测量距离及环境温度值，并基于所述步骤四和步骤五得到的校正公式对每个像素点的红外读数进行校正，获得待测目标的真实温度信息。
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| CN116382388A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-07-04 | 深圳市博硕科技股份有限公司 | 基于数据分析的动力电池隔热棉裁切恒温控制系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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