基于環境輻射的現場目標發射率測量方法研究

李園園，屈惠明，劉文俊

(南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京210094)

1 引言

紅外熱成像測溫技術具有非接觸、直觀、靈敏度高(可分辨0．01℃的溫度差)、快速(幾毫秒內測出目標溫度)、測溫范圍廣(從－170～3200℃以上)、檢測距離可近可遠、可實現夜視、安全等優點［1］，不但在高壓電線巡檢、工業生產等民用領域得到廣泛的應用，而且在偵察與制導、偽裝設計與檢測等軍用領域中也得到了廣泛應用。紅外熱像儀測溫主要受被測物體表面發射率的影響，但反射率、環境溫度、大氣溫度、測量距離和大氣衰減等因素的影響也不容忽視。尤其是對物體表面發射率估計的不準確，更影響溫度測量的精確性［2］。又因為發射率是輻射波長、溫度、方向以及表面狀態的函數，并在很大程度上取決于物體的表面狀態，因此在現場測量目標的紅外輻射特性中，手冊中的數據就不可靠了。這就需要在現場對發射率進行實際測量。本文提出一種現場測量常溫物體(8～14μm)波段發射率的方法，進行了理論分析和實驗測量，給出了實驗結果。

2 理論模型

在實際測量時，熱像儀接收到的有效輻射包括三個部分:目標自身輻射、目標對周圍環境反射輻射和大氣輻射，如下式所示［3－6］:

其中，L為到達探測器表面的輻射亮度;L0為目標自身輻射亮度;ρ為目標反射率;Ls為環境輻射;Lp為大氣輻射;大氣透過率為1。

紅外熱像儀的標定模型為［6］:

式中，V為紅外熱像儀輸出值;Lf儀器本身雜散能量;α為紅外熱像儀亮度響應度。由式(1)和式(2)可得:

其中，V0=αL0+Lf為只有目標的輻射作用到探測器上時，紅外熱像儀輸出值;式Vs=αLs+Lf為單獨環境輻射作用到探測器上時，紅外熱像儀的輸出值。通過改變環境輻射得到兩組輸出:

式中，V'為改變后熱像儀輸出;V's為改變后環境輻射，其中環境輻射即為黑體輻射，通過改變黑體溫度達到改變環境輻射的目的。

由上組方程可得發射率ε:

以上從理論上證明了用改變環境輻射的辦法可測定目標的反射率，進而得到物體的發射率。

理論分析:在此我們認為大氣輻射均勻分布且不隨時間改變，近距離大氣透過率為1，研究一段時間內環境輻射改變情況下測量不透明目標(近似灰體)的發射率。物體發射率被定義為真實物體的輻射能量與同條件同溫度下的黑體的輻射能量之比。由基爾霍夫定律，當輻射能入射到物體表面時，包括三個過程:吸收、反射、透射。對于不透明表面，只包括吸收、反射兩個過程，其發射率等于熱吸收率，又有吸收率+反射率=1，可以得到，發射率=1－反射率。因此我們可以得到物質的兩種測量目標發射率的方法:直接測量和間接測量。

(1)將目標與黑體置于同一條件同一溫度下，目標輸出值與黑體輸出值之比即為目標發射率。

(2)通過測量目標反射率，間接地測量目標發射率。

下面通過實驗來驗證無需測量目標溫度的，基于人造環境影響的間接發射率測量方法的可行性及準確性。

3 實驗裝置

3．1 實驗裝置

該實驗采用320×240 LWIR非制冷紅外熱像儀(8～14μm)，測量目標輻射量;HFY－300A面源黑體，有效發射率0．95，用于標定輸出響應關系及提供人造環境熱源;分光鏡，在紅外波段具有半透半反效果;聚光鏡，把光束匯聚成小光斑。實驗裝置示意圖如圖1所示。

黑體的輻射光經聚光鏡匯聚于分光鏡上，由分光鏡反射到達目標，通過與目標作用然后反射到達探測器，聚光鏡的作用是為了使到達目標的輻射強烈而均勻。

圖1 實驗裝置示意圖

3．2 輻射標定

紅外熱像儀測量是建立在黑體輻射理論基礎上的定量測量，是以黑體輻射源為基準輻射量進行的對比測量。因此，紅外熱像儀在測試之前首先要以黑體輻射為基準建立系統響應函數。系統響應函數是反映測量所得輸出信號與輸入輻射之間函數關系的，它由光學系統、電子線路和探測器的響應率等因素決定。

在利用紅外熱像儀測量目標的輻射特性前，應先對其進行輻射定標，確定熱像儀的響應度，紅外熱像儀的標定模型如式(2)所示。黑體在波段λ1～λ2內的輻射亮度，由普朗克公式可得［7］:

實驗環境:實驗室中利用黑體，在不同溫度下測量，給出一系列的輸出值，畫出目標亮度與輸出值得輸出關系，通過最小二乘法對輸出值進行線性擬合，得出紅外熱像儀的輻射亮度響應關系。

針對Y=kX+b形式的最小二乘法擬合公式如下:

黑體溫度對應的灰度與輻射亮度數據如表1所示。

表1 黑體溫度對應的灰度和輻射亮度數據

輻射標定曲線如圖2所示。

圖2 黑體輻射亮度與輸出值之間的關系

通過實驗測量由最小二乘法得到該熱像儀的輻亮度響應關系為:y=20．9672x－981．3774。

4 實驗結果分析

實驗中選取了三種物質分別是陶瓷、白紙和塑料板作為測量目標。從發射率測量原理我們知道，發射率測量是以標準黑體為基準，通過與被測樣品的比較求出材料的發射率。直接測量值是將目標與黑體置于同一條件同一溫度下，黑體和目標與探測器的距離0．5 m，目標輸出值與黑體輸出值之比即為目標發射率。實驗采用的紅外熱像儀的波段為μ ，因此測量的發射率即為波段發射率。每種材料重復測量5次，發射率取平均值。材料發射率測量值如表2所示。

表2 材料發射率測量值

表2列出分別對三種材料五次測量的發射率值，為了更能準確地表示該測量方法測量結果的不確定程度，分別計算三組測量值的標準不確定度，利用公式(9)，它反映了數值相對于平均值的離散程度。不確定度小于2%，由此可以說明該方法測量的穩定性較好。

圖3(a)為瓷板測量圖，圖中較亮部分為瓷板表面反射黑體所輻射的(8～14μm)紅外波段，提取圖像中該部分的灰度值，該值即為黑體輻射到瓷板上并通過瓷板表面反射到達探測器，探測器輸出值，改變黑體溫度，獲取不同環境輻射的灰度圖像，得到另一輸出值，并通過式(6)計算兩次環境輻射值，最后通過式(5)計算目標發射率。表3是三組材料經過多次測量得到的發射率值。

圖3 黑體輻射到瓷板的圖像及瓷板上黑體輻射部分的圖像

表3 目標發射率測量數據

由表3觀察可知，物體的發射率實驗結果的最大誤差為0．017(1．9%)，小于文獻［4］中的三種方法測量發射率的誤差±0．02和文獻［8］中多波長測量發射率的誤差5%;同時可以看出，材料的發射率越大，測量的誤差越小。與表2比較，利用該方法測量的值比直接測量值偏大。產生該情況的原因，由于測量距離較近，使探測器表面升溫，靈敏度下降，造成輸出延緩。測量誤差原因:①目標表面平整度的不均勻性分布;②黑體表面輻射的不均勻性。

根據文獻［6］，對于目標輻射特性的測量最重要的一個環節是大氣透過率測量，在文獻中給出了測量大氣透過測量的方法，大氣透過率測量不確定度約為6% ～10．5%，目標輻射反演精度為0．1% ～3．4%。但存在的問題是，在反演目標溫度時，需要已知目標發射率，而在偽裝目標特性測量中，發射率的測量也是首要和重要的一個環節，因此提高目標發射率的測量，對提高目標輻射反演精度有重要意義。通過上面的實驗分析，該方法可以實現發射率的精確測量。

5 結論

本文通過理論推導，得出測量物體發射率的公式，首先在推導過程中并沒有忽略或改變公式中的原有的表達式，保持了原公式的應用條件和范圍，同時利用做差值得到所求量，避免了單次直接測量輻射量所產生的絕對誤差;其次本文在測量過程中不需要接觸被測目標，可以實現非接觸測量;最后，對偽裝目標的探測及目標紅外特性的測量，利用本文方法不需要已知被測目標溫度，因為發射率的精確測量意味著溫度的精確測量。因此該方法具有良好的應用前景。例如，偽裝目標探測，利用主動式輻射源測定目標的發射率，進而得到目標與背景溫差，達到探測目的;在工業上，對于未知材料的非接觸測溫，實現設備故障檢測。

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