孫子林,李 科

(天津津航技術(shù)物理研究所,天津 300300)

1 引 言

紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、航天、冶金、醫(yī)療、電力等領(lǐng)域,為獲得目標(biāo)物體實時表面溫度提供了便捷、高效的方法。目前典型紅外熱成像系統(tǒng)接收輻射主要分為三種:目標(biāo)輻射、背景輻射和環(huán)境輻射(主要為紅外熱成像系統(tǒng)自發(fā)輻射)[1-3]。背景輻射和環(huán)境輻射是影響紅外熱成像系統(tǒng)探測性能的重要因素,其主要影響體現(xiàn)在對系統(tǒng)噪聲和輸出灰度的增加。

事實上,紅外熱成像系統(tǒng)探測性能還受到多種其他因素制約,例如目標(biāo)的發(fā)射率、反射率、大氣透射率、氣流穩(wěn)定性、鏡頭溫度、系統(tǒng)電路變化等。目前,很多學(xué)者在提高紅外測溫領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn),如李云紅等人研究了物體表面發(fā)射率和背景溫度對紅外測溫的影響;張志強(qiáng)等人研究了灰度值與被測物體溫度的匹配模型,提出了一種精確標(biāo)定測溫曲線的方法;杜玉璽等人研究了探測目標(biāo)的距離對不同強(qiáng)度熱源紅外測溫影響及補償:張艷超等人對影響測溫精度的鏡筒輻射溫度、探測器靶面溫度以及熱像儀工作累積時間三個因素進(jìn)行評估和建模;周康康等人研究了基于紅外熱圖像灰度的修正模型[4-9]。

紅外熱成像高精度測溫技術(shù)影響因素眾多,修正模型較為復(fù)雜,一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[10-14],上述文獻(xiàn)中基本都是針對某一要素進(jìn)行分析研究。本文從能量變換的角度出發(fā),研究了探測目標(biāo)溫度、鏡頭溫度、積分時間這三個方面對熱像儀輸出灰度值的共同影響,以圖像灰度值進(jìn)行反演計算探測目標(biāo)的溫度,最后進(jìn)行驗證分析。

2 紅外熱像儀能量傳遞模型

通過黑體輻射理論進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定,在特定距離和積分時間下,計算不同溫度黑體在不同鏡頭溫度下傳輸?shù)匠蔁嵯駜x的溫度,并生成黑體輻射溫度與熱像儀輸出灰度值擬合曲線。

由普朗克黑體輻射定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知黑體的在半球內(nèi)的總輻射亮度如下式:

(1)

式中,第一輻射常數(shù):

c1=3.7418×10-16(W·m2);

第二輻射常數(shù):

c2=1.4388×10-2(m·K);

斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù):

由于紅外熱像儀一般工作在特定范圍的波段,為了確定這一范圍內(nèi)的輻亮度,對黑體光譜輻射度進(jìn)行特定波段內(nèi)的積分:

(2)

不同波段內(nèi)黑體輻射亮度積分圖像如圖1所示,可以直觀看出,黑體的光譜輻亮度與黑體溫度的關(guān)系在不同波段范圍內(nèi)有較大差異,當(dāng)其工作在窄波段(4.2～4.45 μm)時,其曲線如圖2所示,此時其關(guān)系可以近似用三次多項式來表述。

圖1 不同波段黑體溫度-輻亮度變化曲線

圖2 窄波段黑體溫度-輻亮度擬合曲線

對不透明物體,其表面總的輻亮度和作用于熱像儀入瞳的輻射照度為:

Lλ=ελLbλ(T0)+ρλLbλ(Tu)
=ελLbλ(T0)+(1-αλ)Lbλ(Tu)

(3)

Eλ=A0d-2[ταλελLbλ(T0)+ταλ(1-αλ)·

Lbλ(Tu)+εαλLbλ(Ta)]

(4)

式中,ελ為表面輻射率;ρλ表面反射率;αλ為表面對環(huán)境輻射的吸收率;A0為熱像儀最小空間張角對應(yīng)目標(biāo)的可視面積,d為該目標(biāo)到測量儀器的距離;A0d-2通常在一定條件下為一個常值;ταλ為大氣透過率;εαλ為大氣發(fā)射率;Lbλ(T0)為輻射亮度;T0、Tu、Ta分別為被測物體溫度、背景環(huán)境溫度、大氣溫度。

探測器將工作波段的入射輻射進(jìn)行積分,并把它轉(zhuǎn)化成一個與能量成正比的電壓信號,之后放大該信號,其放大倍數(shù)由系統(tǒng)本身決定,對應(yīng)其不同量程。最終信號為:

Vs=K{τa[εIR(T0)+(1-aλ)IR(Tu)]+

(5)

由于紅外熱像儀接收的是目標(biāo)的自身輻射、環(huán)境的反射輻射和大氣輻射的總和,且三種輻射區(qū)分難度較大,通常假定其接收的輻射為某一黑體發(fā)射的輻射,因此將紅外熱成像指示的溫度稱為輻射溫度或表觀溫度。令:

(6)

式中,IR(Tr)也稱為紅外輻射熱像儀的刻度函數(shù),通常是通過定標(biāo)得到IR(Tr)與黑體溫度的關(guān)系,則式(5)變?yōu)?

IR(Tr)=τa[εIR(T0)+(1-aλ)IR(Tu)]+εaIR(Ta)

(7)

在實驗室條件下,環(huán)境輻射強(qiáng)度、路徑輻射強(qiáng)度和大氣成分變化程度等都較小,可以假定大氣透射率τa=1,εa=0,且此時實驗用輻射源為黑體,可以認(rèn)為IR(Tr)=IR(T0),即熱像儀測得的溫度就是物體表面的實際溫度。若ε<1,那么熱像儀測得輻射溫度和物體真實溫度不一致。當(dāng)認(rèn)為被測物體為灰體且近距離測量時,熱像儀測溫修正計算基本公式如下:

IR(Tr)=εIR(T0)+(1-aλ)IR(Tu)

(8)

若紅外成像系統(tǒng)是線性響應(yīng),則由式(3)可得其輻射響應(yīng)灰度模型在實驗條件下如式(9)所示[14-16]:

Y=tG1L(Tb)+tG2Lout+tKt+Ddark

(9)

式中,L(Tb)為目標(biāo)的輻射能量;Lout為雜光干擾,一般情況下可視為鏡頭溫度Topitc的函數(shù);Ddark暗電流引起的響應(yīng)偏移;t為積分時間。

3 基于多項式擬合的輻射反演模型

實驗可知,探測目標(biāo)溫度不變,圖像灰度值隨著鏡頭溫度的升高而升高,且在窄波段,黑體溫度和輻亮度關(guān)系可以近似為:

Mb(λ1～λ2)(T)≈CTn

(10)

當(dāng)其工作在在2～5 μm波段,n=9.2554;在8～13 μm波段,n=3.9889。實際應(yīng)用中,高次方程不易求解,故可用泰勒公式將其展開為三次多項式再進(jìn)行求解。

在鏡頭溫度不變條件下,對黑體輻亮度在窄波段內(nèi)進(jìn)行積分,如圖3所示?？梢钥闯?在不同積分時間下圖像灰度值與黑體輻亮度近似為線性關(guān)系。由于黑體輻亮度與黑體溫度的關(guān)系可以用三次多項式進(jìn)行近似,故黑體溫度和圖像灰度值也可以近似用三次多項式表示。在不考慮積分時間的影響下,綜合實驗數(shù)據(jù),得出如下溫度反演公式:

(11)

圖3 不同積分時間下的紅外圖像灰度值與黑體輻亮度關(guān)系圖

式中,Tj為探測目標(biāo)溫度;y為圖像灰度值;Toptic為鏡頭溫度;a1、a2…a6為優(yōu)化參數(shù)。

求取參數(shù)之后便可以建立黑體溫度與圖像灰度值的多項式方程,之后帶入圖像灰度值和鏡頭溫度便可以反演求得該探測目標(biāo)的實際溫度。由于熱像儀的構(gòu)造不同,在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)先對該熱像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定,之后才可使用灰度值進(jìn)行反演計算。

4 試 驗

紅外熱像儀由于制作工藝和本身性質(zhì)決定了焦平面陣列上各個像元接收探測目標(biāo)輻射能量的一致性較差,需要進(jìn)行非均勻校正和溫度定標(biāo),確保各個像元測溫的準(zhǔn)確性。溫度定標(biāo)實驗采用高精度面源黑體近距離測溫,此時認(rèn)為黑體發(fā)射率及大氣透過率近似為1,可以忽略其影響,認(rèn)為測量溫度便是黑體設(shè)定溫度。

定標(biāo)實驗時,設(shè)置面源黑體的溫度依次遞增,每次溫度穩(wěn)定之后,在面源黑體的中心劃定一塊中心區(qū)域,錄制100幀該區(qū)域內(nèi)各個像元的灰度圖像。對100幀圖像各個像元的灰度值分別取平均值,再將區(qū)域內(nèi)所有像元灰度值取平均值,并以該值為此黑體溫度對應(yīng)的灰度值。記錄相同黑體溫度不同鏡頭溫度下各個積分時間熱像儀灰度值的變化,進(jìn)行多項式參數(shù)計算。最后根據(jù)圖像灰度值反演探測目標(biāo)溫度。

在實驗室條件下,保持實驗室溫度、探測距離等因素不變,以Toptic=28 ℃為例,分別對不同積分時間進(jìn)行求參,擬合曲線如圖4所示。

圖4 不同積分時間下黑體溫度-灰度值擬合方程曲線

將另一面源黑體作為目標(biāo),依次設(shè)置目標(biāo)溫度為30 ℃,35 ℃,分別基于熱像儀直接測溫和基于輻射反演模型測溫,由于探測目標(biāo)為黑體,可以近似認(rèn)為黑體設(shè)定溫度便是其輻射溫度。

在Toptic=28 ℃條件下,分別對不同積分時間進(jìn)行求參,計算結(jié)果如表1所示。

表1 溫度反演實驗數(shù)據(jù)

從表1可以看出,基于圖像灰度的反演溫度要比熱像儀直接測得的溫度精度要高。由于熱像儀本身性質(zhì)決定,其本身輸出灰度值有一定閾值,當(dāng)灰度值輸出偏高接近閾值時,其對物體的測量誤差也會偏大,本文的反演方法可以有效降低該誤差。

5 小 結(jié)

本文提出的基于紅外圖像灰度并結(jié)合全環(huán)境溫度、全目標(biāo)溫度、全積分時間的恒定數(shù)據(jù)量、高適應(yīng)性輻射溫度反演模型,通過對輻射測溫原理的分析提出了反演多項式,該模型實現(xiàn)了環(huán)境(鏡頭)溫度與場景溫度參量解耦,降低了環(huán)境溫度和積分時間對測溫的影響。通過在實驗室環(huán)境下的溫度測量和分析,結(jié)果表明,該反演模型精度較熱像儀測溫更高,是一種提高測溫精度的行之有效的方法。