专利名称：一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法
技术领域：
本发明属于光电检测技术领域，涉及对(-100°c 0°C)的低温背景及目标进行基于红外热成像的测温时的辐射定标方法及温度反演方法。
背景技术：
红外热成像测温以其非接触式测量、响应快、直观显示温度场分布、适合大面阵作业等特点，广泛应用于国防安全保障、科考研究、工业无损检测、电力、建筑漏热检测、医疗病理检测等领域。红外热像仪对高温目标响应度高、线性好，测温技术较为成熟。随着红外热成像测温向航天、科研等低温目标测量领域不断延伸，其低温测量范围、低温背景下的测温精度存在明显不足，如航天领域的某些环境中，待测温目标温度可达-100°c。目前，美国的FLIR、Fluke,法国的Sofradir，国内的浙江大立、武汉高德、广州 飒特等所生产的红外热像仪只标称可对_20°C (部分热像仪标称_40°C )以上温度的目标进行测温。而在实际实验中，这些红外热像仪在_20°C 0°C段的测温值误差过大，甚至失去温度反演能力。以上两个方面的不足成为抑制红外热成像测温技术在低温范围进一步发展的瓶颈。本发明根据红外热像仪测温机理分析得出造成以上问题的原因在于红外热像仪在低温段的辐射定标误差较大、辐射定标范围不足两个方面。基于此，本发明阐述了对红外热像仪进行低温辐射定标的关键技术、方法、步骤，以供具有低温环境及目标温度测量需求的红外热像仪辐射定标作为参考。
发明内容
本发明针对现有红外热像仪低温目标测温范围不足、测温误差较大问题，从红外热像仪测温机理出发，提供了一套低温辐射定标装置及相应的低温辐射定标方法、温度反演函数拟合方法，可将现有红外热像仪的低温测量范围扩展到-100°c以下，在(-100°c (TC )范围内提供以热电偶为基准、误差限制在±l°c以内的测温精度。本发明通过红外热像仪的低温辐射定标解决了现有红外热像仪低温目标测温范围不足问题，同时还有效地提高了低温目标测温精度。本发明基于红外热成像测温原理，采用真空(10_5Pa)、低温(_190°C )的黑体腔内部的温度可控黑体目标板对红外热像仪进行辐射定标，通过热电偶测量辐射定标温度，通过红外热像仪测量该温度下对应的辐射定标灰度，最后根据辐射定标温度及辐射定标灰度进行红外热像仪的温度反演函数拟合。红外热像仪低温测温辐射定标的技术方案包括a)红外热像仪的低温能量可测量能力的理论分析；b)辐射定标板黑体面源的要求与设计； c)基于红外热像仪的辐射定标实验中，红外热像仪对辐射定标板定标温度点的采集数据为14位原始灰度在真空、低温环境下对红外热像仪进行辐射定标实验，采集定标温度点上(由粘贴在辐射定标板上的热电偶给出)红外热像仪对辐射定标板成像的14位原始灰度，作为辐射定标灰度原始数据进行存储；d)基于红外热像仪数据和定标测试数据的辐射定标灰度数据处理辐射定标灰度数据处理将上一步的原始数据进行分析、处理，消除红外热扰，统计出每个定标温度点上对应的辐射定标灰度。e)红外热像仪测温温度的反演方法与温度反演函数拟合将以上测量到的辐射定标温度和辐射定标灰度进行函数拟合。本发明采用分段线性函数拟合法对红外热成像测温温度反演函数进行拟合。定标温度点设置较为密集，可以近似认为两个温度定标点之间的温度段内的温度-灰度函数为线性关系，分别将该段高、低两个端点的温度值和灰度
值作为该段温度值和灰度值的最大值、最小值，进行该段内黑体目标的温度和红外热像仪响应灰度的线性映射。其映射方法为假设一个温度段的温度为Temp，温度范围为[T pMin，TempMax]，分别对应的热像仪响应灰度为Gray，灰度范围为[GMyMin，GrayMax]，该温度段内温度与灰度的关系可表示为Temp= [(TempMax_
TempMin) I ^rayMax ^rayMin^ ] ^ray ^rayMin^ +TempMin(I)本发明的优点是I、有效地延拓红外热像仪的低温测量范围，最低可对-100°C以下的目标进行准确测温；2、在低温环境(_190°C )中进行辐射定标，防止背景辐射淹没微弱的低温目标辐射信号，并且有效减少环境辐射对辐射定标精度的影响；3、在真空环境(10_5)中进行辐射定标，可防止大气影响微弱的低温目标辐射信号，同时，因采用了未经过大气影响的实际辐射量进行辐射定标，故可以提高辐射定标的精度。
图I为辐射定标黑体板图像。其中，中间蓝色框内的均匀黑漆、无遮挡区域为辐射定标成像区域，辐射定标时调整红外热像仪与定标板之间的距离，使得蓝色框内的均匀区域充满红外热像仪视场。辐射定标区域边缘粘贴4个热电偶，以测量辐射定标板的实时温度，辐射定标板边缘粘贴8个热电偶监测辐射定标板的热均匀性。图2为红外热像仪辐射定标温度、灰度的测量装置图。其中，I为辐射定标板，2为红外热像仪系统，3为数据采集上位机。图3为辐射定标板和辐射定标区域的尺寸、位置关系图。图4为辐射定标板上热电偶的分布位置图。其中I 12为12个热电偶。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明的工作过程做进一步说明。本发明首先对现有红外热像仪的低温探测能力进行了认真研究和深入分析，论证了红外焦平面探测器具有低温目标辐射的探测能力。本发明通过普朗克热辐射定律建立了红外热像仪在真空、低温环境下进行红外成像测温的物理模型，该辐射模型由空间目标辐射模型、背景波动噪声模型、红外热像仪系统电路噪声及热噪声模型组成，在理论上对真空、低温环境内的红外热成像测温系统的能量探测能力进行了分析，计算得出目前采用的红外探测器的最低可探测温度，理论上可以满足真空、低温的最低温度为-190°C，证明了红外热像仪在真空、低温环境中进行低温探测的可行性。本发明分析了红外热像仪输出的14位未经过任何处理的信号原始数据，反演了输出像面上每个像素点的灰度值。通过对不同目标温度下采集到的灰度值进行比较，发现-100°C目标的热图像灰度与-0°c目标的热图像灰度相差471个灰度等级。由此，可以证明红外热像仪可以在物理上实现低温目标的温度测量。发明中使用的真空、低温环境由内壁全部喷涂发射率为O. 93-0. 96黑漆的环境模拟器提供，有相关文献证明了该环境模拟器的黑体腔特性。中国计量院2002出台的-50°C到+90°C黑体辐射源校准规范中规定的“黑体辐射发射率大于O. 92即可利用该 黑体校准该温度下使用的红外热像仪。”因此，本发明在环境模拟器的黑体腔内使用发射率大于O. 92的温度可控辐射目标作为黑体面源进行辐射标定是有依据和可行的。辐射定标板的设计I)根据红外热像仪视场角ω及红外热像仪到辐射定标板之间的距离I可以计算出福射定标区域长度h = I · tanco/2 ;2)将辐射定标板的中心区域作为辐射定标区域，以保证其均匀性，辐射定标板的尺寸由辐射定标区域决定，如图3所示其具体位置关系；3)在辐射定标板正面均匀喷涂发射率为O. 93-0. 96的黑漆；4)在辐射定标板反面粘贴一整片薄膜加热片对辐射定标板进行控温，保证薄膜加热片可以完全覆盖辐射定标板；5)在辐射定标区域四个边的中点分别粘贴一个热电偶进行实时温度监控，热电偶测量值为辐射定标温度，在辐射定标板的四个角及四边中点分别粘贴一个热电偶以监测辐射定标板的温度均匀性，辐射定标板上热电偶分别如图4所示，I 12为热电偶的粘贴位置。辐射定标灰度采集为使红外热像仪辐射定标数据具有普适性，红外热像仪辐射定标灰度数据采集前需要确保的两点为a)辐射定标数据测量时红外热像仪光学系统的光圈固定，并且在实际测温过程中保持光圈大小与福射定标时一致；b)利用未经过处理的原始灰度数据进行辐射定标(因经过灰度映射、直方图均衡化之后的灰度数据的基准不再一致，没有可比性)。满足以上两个条件后，即可开始辐射定标实验。由于红外热像仪在低温段的响应呈非线性，为保证测量精度，本发明采用平均每隔5°C设置一个辐射定标点的方法对红外热像仪进行辐射定标，采集辐射定标点上的辐射定标温度数据及14位原始灰度数据。数据采集的具体步骤为I)启动步骤调整红外热像仪与辐射定标板之间的相对位置，使辐射定标区域充满红外热像仪视场。连接红外热像仪与上位机，启动上位机软件。环境模拟器降温、抽真空；2)通过薄膜加热片控制辐射定标板升温到特定的温度定标点，待其进入热平衡状
态后进行辐射定标温度和红外热像仪14位原始响应灰度的数据采集；3)改变薄膜加热片的供电电流，进入下一个定标温度的热平衡过程，完成数据采
集；4)结束步骤所有定标点的温度、灰度数据均釆集完毕后切断电源。14位原始灰度数据釆集完毕之后对其进行均匀性分析、热扰消减，统计出辐射定
标灰度，进行下一步温度反演函数拟合。利用上述辐射定标方法可提供如表I所示的绝对
测温精度的绝对值。表2为目标实际温度和本发明的红外热成像反演软件的反演温度对比表。表I目前釆用的辐射定标方法提供的测温精度
权利要求
1.一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法。该辐射定标方法其特征在于 a)红外热像仪的低温能量可测量能力的理论分析； b)辐射定标板黑体面源的要求与设计； c)基于红外热像仪的辐射定标实验中，红外热像仪对辐射定标板定标温度点的采集数据为14位原始灰度； d)基于红外热像仪数据和定标测试数据的辐射定标灰度数据处理； e)红外热像仪测温温度的反演方法与温度反演函数拟合。
2.根据权利要求I所述的一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，其特征在于 所述红外热像仪焦平面探测器低温可测量能力a)，通过普朗克热辐射定律建立红外热 像仪在真空、低温环境下进行红外热成像测温的物理模型，计算得出目前采用的红外探测器的最低可探测温度理论上可以满足空间模拟环境的最低温度。并且，通过红外热像仪成像的14位未经过任何处理的原始数据，得到最低温度目标的热图像灰度与常温目标的热图像灰度相差的灰度等级，证明该红外热像仪硬件上可以实现低温目标的温度测量。
3.根据权利要求I所述的一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，其特征在于 所述辐射定标板b)，其发射率为O. 93-0. 96，将其置于发射率为O. 95的黑体腔内进行辐射定标时，满足中国计量院2002出台的-50°C到+90°C黑体辐射源校准规范中“黑体辐射发射率大于O. 92即可利用该黑体校准该温度下使用的红外热像仪。”的规定。
4.根据权利要求I所述的一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，其特征在于 所述辐射定标实验c)中，为提高低温目标的微弱辐射探测精度，要在真空、低温环境下进行辐射定标实验。并且，由于红外热像仪在低温段的响应度呈非线性，因此，在相应的低温数据段平均每隔5°C设置一个辐射定标点对红外热像仪进行辐射定标，采集辐射定标点上的辐射定标温度数据及未经处理的14位原始灰度数据。数据采集过程中确保红外热像仪光学系统光圈固定。
5.根据权利要求I所述的一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，其特征在于 所述辐射定标灰度数据处理d)中，灰度数据的非均匀性δ要远小于单位温度对应的灰度级数G，至少满足以确保±1°C以内的测温精度。
6.根据权利要求I所述的一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，其特征在于 所述温度反演方法与温度反演函数拟合e)中，基于红外热像仪对不同温度目标相应单调，但非线性的特点，采用分段方式，在每一温度区间内近视认为红外热像仪相应灰度与目标温度为线性关系，利用式(I)对进行温度反演函数拟合，所提供的精度为±1°C以内。Temp= [ (TempMax-T empMin) I ^rayMax -GrayMin) ] (Gray-G rayMin) +TempMin( I )
全文摘要
本发明属于光电检测技术领域，公开了一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法，可延拓目前红外热像仪的低温测温范围至-100℃，并将测温精度提高到1℃以内。为提高低温辐射定标的精度，本发明在真空、低温环境下进行辐射定标数据采集。在真空、低温环境中通过薄膜加热片对辐射定标板1进行加热，使其达到定标温度并且进入热平衡，利用红外热像仪采集-100℃~0℃范围内的所有定标温度下辐射定标区域的14位原始灰度；对辐射定标数据进行处理，统计辐射定标灰度，最后根据辐射定标灰度及温度拟合出红外热成像温度反演函数。本发明的优点在于有效拓展红外热像仪的低温测温范围，并且通过减小辐射定标误差，提高低温目标测温精度。
文档编号G01J5/00GK102818636SQ201210321279
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者张罗莎, 白廷柱, 裴一飞, 陶涛, 郑海晶 申请人:北京理工大学, 北京卫星环境工程研究所