觀測距離及視角對紅外熱輻射檢測的影響研究

周志成，魏 旭，謝天喜，唐 忠，崔昊楊

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觀測距離及視角對紅外熱輻射檢測的影響研究

周志成1，魏 旭1，謝天喜1，唐 忠2，崔昊楊2

（1. 江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2. 上海電力學院，上海 200090）

觀測距離和視角是影響紅外熱輻射檢測精度的兩個關鍵參量。為評估觀測距離和視角對紅外熱像儀測溫精度的影響，實驗測量了不同觀測距離和視角條件下的溫度，并對測量的實驗結果進行了分析。結果表明隨著目標的觀測距離和視角的增大，紅外熱像儀的測溫精度均出現一定程度降低，通過對實驗數據進行擬合補償了距離和視角造成的誤差。

紅外熱輻射；溫度測量；觀測距離；視角

0 引言

紅外測溫由于具有非接觸檢測、靈敏度高、測溫范圍寬等優勢，被廣泛應用于工業、農業、航天遙感、醫學等領域[1-2]。特別是紅外熱像儀具備檢測目標體的表面溫度場分布信息的功能，能夠將目標的熱紅外輻射轉換成可見光，因此極大拓寬了人類的視野和視覺能力[3]。目前，在紅外熱像研究方面領域包括非均勻性校正、圖像增強、對比度增強等紅外圖像處理技術[3]，以及紅外熱像檢測過程中的精度校正技術等。其中，在紅外熱像檢測精度校正技術，主要研究了了環境高溫物體對紅外熱像儀測溫誤差的影響[4]、目標距離和視場角變化對測溫精度影響[5]、距離對測溫精度的影響[6-7]、觀測視角對測溫結果影響[8]等幾個方面。

盡管這些研究對于紅外熱像儀的精度校正均取得了一定的效果，為紅外熱像的理論研究及實際應用奠定了較好的基礎，但是上述研究往往只是對影響熱像儀測溫精度的距離或視角等因素開展單獨的影響研究。由于紅外熱像儀獲取的被測目標體的表面溫度決定于根據接收到的熱輻射，而按照紅外輻射的大氣傳輸理論和紅外輻射度學可知[9]，觀測距離和觀測視角都是目標體表面紅外輻射檢測中的關鍵參量，因此在實際的使用過程中，需要綜合考慮觀測距離或者觀測視角對紅外熱像檢測的影響，確定測溫精度與目標距離、觀測視角之間的關系，從而能夠對測量誤差進行修正或補償。針對這一問題，本文開展了不同距離、不同觀測視角條件下的紅外熱輻射檢測研究。實驗測量了距離及視角影響下的溫度誤差，并對其進行了補償校正。

1 紅外輻射檢測基本理論

由紅外熱像儀檢測原理可知，紅外熱像儀是靠接收被測表面發射的輻射來確定其溫度和熱圖像，而紅外熱像儀探測器輸出的電壓信號則在很大程度上取決于在探測器焦平面上的輻射照度。由幾何光學和紅外目標輻射理論，焦平面電壓輸出信號與視角的關系可表達為[5]：

式中：max、d、、￠分別為探測器的最大靈敏度、探測元面積、發射率和像方孔徑角；1、2是探測器探測波段范圍；1、2是普朗克數項；、()為透過率和相對靈敏度。從紅外目標輻射理論也可以得出輸出信號隨觀測距離的變化關系為[6]：

式中：0為被測物體表面溫度；u為環境溫度。從公式(1)、(2)中可以看出，在影響紅外熱像儀測溫結果準確性的影響因素大致有以下幾個方面：觀測距離、觀測視角、環境溫度、環境濕度。在相同條件下，改變其中任何一種因素的值，均會使紅外熱像儀測量結果發生改變。以往的實驗和理論研究均表明：紅外熱像儀測量結果同測溫距離、觀測視角的變化呈現一定的規律性，通過建立觀測距離與視角之間的對應模型，就能在實際應用中，根據環境條件對熱像儀測溫進行校正，這樣能提高已有紅外熱像儀的實用性。

2 實驗

實驗在環境溫度為30℃，相對濕度為49%的實驗室內進行，圖1為實驗測量觀測距離和視角對紅外輻射影響的原理圖。實驗過程中選用的紅外輻射檢測裝置為IRT513-A型紅外熱像儀，工作波段為8～14mm，氧化釩探測器探測像元數為320×240，像元尺寸為38mm×38mm，成像形式選擇25Hz PAL制式，熱像儀的溫度分辨率為50mK@30℃，紅外熱像儀圖像信號通過網線連接到計算機。被測目標即紅外輻射體為Fluke紅外黑體源。紅外黑體源放置于旋轉云臺上，再固定于導軌滑塊表面。通過導軌滑塊的移動可以控制黑體源與紅外熱像儀的間距。在紅外熱像儀上、黑體源上分別固定激光二極管和光學反射鏡，通過激光二極管發射的激光和光學反射鏡反射回來激光在光路上重合，確保熱像儀鏡頭面和黑體源輻射面處于同軸平行狀態，并用作角度旋轉的初始零角度。云臺的旋轉角度、導軌滑塊的移動距離可由計算機編寫的程序進行控制。旋轉云臺上放置高性能數顯角度尺用以驗證計算機控制云臺旋轉角度的正確性。

3 實驗結果與討論

實驗過程中將黑體源的溫度設定為100℃，利用紅外熱像儀分別測量了黑體源與熱像儀在不同的間距、不同觀測視角條件下的溫度，每組測量重復3次取平均值以降低實驗測量誤差。觀測距離（紅外熱像儀與紅外黑體源間距）的間距步長為1m，最遠觀測距離為30m。觀測視角（紅外熱像儀探測平面與紅外黑體源輻射平面）范圍為－80°～80°，測量角度間隔為10°。圖2為不同觀測距離和視角條件下測量到的溫度值曲線，從中可以看出，在相同測量距離下，隨著觀測視角的變大，測量溫度值將出現下降趨勢，這同以往文獻報道[8, 10]的結論相一致。這表明黑體或漫輻射物體在輻射表面法線方向的輻射最強，如果與法線成一定角度的視角去檢測，紅外輻射信號將出現衰減趨勢，且隨視角增大而大幅減小。另一方面，當測量距離增大時，實驗測量值也將出現下降趨勢，如當觀測距離達到30m時，即使在黑體輻射法線方向測量到的溫度值也只有80℃左右，相對誤差為20%，測量絕對誤差較大，無法達到測溫精度要求。這種誤差的產生可以歸因為隨著距離的增大導致的大氣透過率減小，以及由于距離增大時，目標尺寸相對于瞬時視場面積減小導致的輸出信號降低所致[6]。

圖1 觀測距離及視角對紅外輻射檢測影響實驗測量裝置圖

圖2 不同觀測距離和視角條件下測量到的溫度值及擬合曲線

從上述實驗結果以及分析可知，利用紅外熱像儀監測目標物體的紅外輻射時，觀測距離、觀測視角對于結果均存在較大的影響，這就有必要找出距離、視角與紅外輻射檢測之間的關系，并以此對上述誤差進行校正。對于觀測視角而言，當考慮紅外熱像成像系統不存在斜光束漸暈時，觀測視角為的像面照度與法線方向上的像面照度￠關系可以寫為[5]：＝￠cos4；對于觀測距離而言，可采用多項式的形式進行擬合[6]。考慮到觀測距離及觀測的視角對紅外輻射檢測均存在一定的影響，由此得到距離、視角與測溫結果之間的關系式：

(,)＝0cos－－2(3)

式中：0為紅外輻射體表面真實溫度；為觀測視角即熱像儀鏡頭法線與黑體源輻射面法線夾角；為熱像儀鏡頭與黑體源輻射面的間距；是觀測角余旋冪指數系數；、分別是觀測距離一次項和二次項的系數。將、、作為擬合系數對實驗數據進行擬合，擬合結果如圖2所示。可以看出，當距離的較小時，實驗數據得到了較好的擬合結果，但在大觀測角度時，擬合結果與實驗結果出現偏差，誤差隨著觀測視角的增大而增大。如在2m的觀測距離下，在(－60°, 60°)范圍內，實驗數據得到很好的擬合，但在±60°以外，誤差逐漸增大。隨著觀測距離的增加，實驗數據與擬合結果的最大符合視角逐漸減小，在30m觀測距離下，最大符合視角只有±30°左右。

利用公式(3)對實驗數據的擬合可以得到夾角余旋冪指數系數為4.5，觀測距離一次項系數為0.3205、二次項系數取值為0.01103。在利用公式(3)以及上述參數的基礎上，對觀測距離為2m時不同觀測視角下實驗溫度數據進行了校正，得到了校正后的數據曲線，如圖3所示。可以看出，在實驗檢測允許的誤差范圍內（±2℃），經過校正后的數據使得最大允許觀測視角達到了±65 ，而實驗直接測量時的最大允許觀測視角范圍只有約±30 。這說明采用上述理論公式可以在一定程度上擴展實驗觀測視角，降低了由于視角帶來的誤差。另一方面，受到紅外熱像儀性能的影響以及實際環境因素的影響，可以看出距離、視角與測溫結果之間的實際公式大體上與理論公式還存在一定的誤差。從公式(1)中可知，焦平面輸出信號與視角在理論上成余旋4次方關系，但對實際測量數據的擬合得到的值為4.5次方。這可以歸結為當觀測距離和視角越大時，被測物體發射率變化導致熱像儀接受到的熱輻射越少，從而產生了熱像儀表觀溫度值與理論值之間的誤差。而對于輸出信號與距離的變化關系，實驗測得的數據與理論公式也存在一定的誤差值，這可以歸因為隨著距離的增大，大氣透過率減小以及熱像儀的瞬時視場角面積增大而導致的熱輻射衰減。通過本文建立的觀測距離與視角之間的對應模型，可根據環境條件對熱像儀測溫進行一定的校正，以此提高了已有紅外熱像儀的實用性。

圖3 觀測距離為2m時不同視角下的實驗數據、擬合線和校正后結果

為進一步體現觀測距離和觀測視角對目標體表面紅外輻射檢測的影響，利用公式(3)及擬合獲取到的數據仿真了不同觀測距離和不同觀測視角條件下相對溫度的空間分布，如圖4所示。其中橫坐標分別為觀測距離和觀測視角。圖4的仿真結果同樣表明，隨著觀測距離的增大，相對溫度值呈現下降趨勢，如圖5(a)所示。而隨著觀測視角的增大，相對溫度值也同樣呈現下降趨勢，如圖5(b)所示。上述結果表明，為準確獲取紅外輻射體表面溫度，觀測距離越遠，可選擇的觀測視角應越小。這主要是由于在較遠的觀測距離和較大觀測視角條件下，目標尺寸相對于瞬時視場面積減小導致，距離越遠，觀測視角越大，目標尺寸在瞬時視場中的面積越小，紅外輻射信號也就越小，相應地檢測到的溫度值越低。當觀測視角達到一定程度后，目標尺寸的有效面積在瞬時視場中已經較難分辨，造成測溫結果可靠性急劇下降。在更大的觀測距離和觀測視角條件下，檢測到的溫度值將接近于環境溫度值，紅外熱像儀對于輻射源的分辨能力也將進一步降低。

圖4 不同觀測距離和視角條件下相對溫度空間分布

4 結論

觀測距離及觀測的視角對紅外輻射檢測均存在一定的影響。實驗結果和理論仿真結果均表明：隨著觀測距離的增加，紅外輻射在大氣中的透過率將減小，同時隨著觀測距離增大，目標尺寸相對于瞬時視場面積將減小，從而導致的輸出信號降低，紅外熱像儀探測到的溫度值將偏小。另一方面，隨著紅外熱像儀檢測像面法線與黑體源輻射表面法線夾角的增大，目標尺寸相對于瞬時視場面積也將減小，同樣導致紅外熱像儀探測到的溫度值偏低。此外，隨著觀測距離的增大，允許的最大觀測視角并非是固定值，而是出現逐漸減小的趨勢。在紅外熱輻射的檢測過程中，檢測距離不應該超過允許的范圍，同時應盡量選擇在被測目標體表面的法線方向檢測。本研究能夠對紅外熱像隨目標觀測距離和視角影響造成的誤差進行較好的補償，從而對于紅外熱輻射檢測具有現實的意義。

圖5 不同距離及不同視角下的溫度分布曲線

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Influence of Observation Distance and Angle of View on the Detection Accuracy of Infrared Thermal Radiation

ZHOU Zhicheng1，WEI Xu1，XIE Tianxi1，TANG Zhong2，CUI Haoyang2

(1.,211103,; 2.,200090,)

Observation distance and the angle of view are the key parameters influencing the detection accuracy of infrared thermal radiation. In order to evaluate the effects of the observation distance and the angle of view on the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager, the temperature had been measured at different observation distances and the angles of view, and the experimental data were analyzed. The results show that the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager is reduced with the increase of the observation distance and the angle of view. The measurement error caused by distance and angle of view had been compensated.

infrared thermal radiation，temperature measurement，observation distance，angle of view

TN215, TN219

A

1001-8891(2017)01-0086-05

2016-03-02；

2016-12-07.

周志成（1977-），男，博士，高級工程師，主要從事防雷與接地，過電壓分析、輸變電設備狀態診斷、輸電線路技術研究及管理等方面的研究，E-mail：simencola@sohu.com。

崔昊楊（1978-），男，教授，博士，從事紅外檢測研究，E-mail：cuihy@shiep.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目（61107081），上海市科委地方院校能力建設項目資助課題（15110500900, 14110500900）。