基于中波紅外熱成像的溫度場測量技術研究

傅 強 何鎖純 董 斐 周 陽 劉 晗

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

在日常生活、工業制造等眾多領域，溫度的測量與控制時刻都在進行，因此溫度測量應用極其廣泛，在溫度測量技術上國內外眾多的研究人員也開展了大量的研究工作。當前，比較常用的溫度測量方法主要分為兩大類：接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量應用最為廣泛的是熱電阻、熱電偶測溫，兩者都是點式測溫，通過與被測物體單點接觸進行測溫，只能反映物體某一點的溫度，當需要測量多個點的溫度時，需要安裝大量的溫度傳感器同時配備多通道數據采集系統，使用中極其不便。而且由于是接觸式測量，需要與被測物體熱平衡，因此會對物體溫度分布產生影響。此外，由溫度傳感器的材質所決定，不能應用于溫度極高的測量場合[1]。

隨著紅外探測技術的不斷發展，基于紅外熱成像技術進行溫度測量已成為當今國內外積極開展研究的一個熱門方向，在眾多領域也得到了越來越廣泛的應用。紅外測溫主要具有以下特點[2]：

(1)無需與被測物體接觸，不會影響物體的溫度分布，同時可應用于危險場合以保證人身安全。

(2)測溫速度很快，測溫系統與被測物體間無需熱平衡，可應用于溫度變化較快的目標溫度測量。

(3)測溫范圍很寬，從零下幾十度到一千多度的溫度范圍均可測量。

(4)不同于點測量，紅外測溫可以測量被測物體的溫度場分布。

(5)可以測量微小目標的溫度，無論目標是近距離或遠距離均可實現溫度測量[3]。

按照測溫方式的不同，紅外測溫技術可大致分為兩類：基于逐點分析的紅外測溫設備和基于全場分析的測溫設備[4]。其中，基于全場分析的測溫系統基于紅外熱成像的原理來測溫，所以也稱為熱成像測溫系統。其利用待測物體發出的紅外線通過紅外光學鏡頭匯聚成像到紅外焦平面探測器上，經過進一步圖像處理后輸出待測物體的紅外灰度圖像，然后根據圖像灰度值以及溫度定標參數等數據實現對目標物體溫度場分布的測量。基于全場分析的測溫系統可以實現對被測物體多個區域和多個物體的溫度測量，實現對較大面積的區域測溫，為分析目標物體溫度狀態提供了便利條件，因此成為了當前比較熱門的研究方向。本文研究的就是基于紅外熱成像的全場溫度場測量技術。

此外，在國防、航空航天、工業生產、農業與環境監測以及日常生活等諸多領域，氣體檢測的應用也很廣泛。基于熱成像的紅外氣體檢測技術可實現非直接接觸的氣體實時監測，具有靈敏度很高、測量范圍較寬、工作狀態穩定、外界干擾影響小等優點，尤其在用于監測高溫煙氣等含二氧化碳氣體方面，具有不可替代的優勢，因二氧化碳氣體的紅外吸收峰位于中波紅外波段(3.7μm～4.8μm)，目前市場上常用的紅外測溫系統多為長波紅外系統，無法覆蓋該波段，因此中波紅外氣體檢測及測溫系統成為當今主流的氣體檢測手段之一。

由于紅外測溫特別是中波紅外測溫的以上這些優勢，其在國防、鋼鐵、電力、石化等方面均擁有廣泛的應用前景。

2 中波紅外成像系統簡介

中波紅外熱像儀工作原理是通過中波紅外光學鏡頭將遠距離目標發出的紅外輻射光線匯聚成像在探測器的焦平面上，處于焦平面上的HgCdTe光敏材料接收光線匯聚形成的輻射能量，轉換成相應強度的電信號，電信號經探測器成像電子學系統轉換為視頻圖像信號并輸出。紅外熱像儀主要由光學成像系統(考慮光學頭罩)、紅外探測器組件、電子學系統、鏡頭及本體結構組成。

2.1 光學成像系統

光學成像系統采用透射式一次成像結構，用于將目標的特征信息成像在鏡頭焦平面上，鏡頭通過選擇合適的結構材料和透鏡材料實現無熱化設計。

2.2 紅外探測器組件

制冷型中波紅外焦平面探測器組件，用于接收光學成像系統獲取的目標紅外輻射信息，轉換成可檢測的電信號。紅外焦平面探測器組件作為成像系統的探測器件，為成像系統提供原始紅外視頻信號，本文采用的是320×256分辨率中波紅外探測器。

2.3 電子學系統

電子學系統主要由探測器成像電路、信號處理電路、電源及控制電路組成，主要負責提供探測器的偏置電壓和驅動時鐘，并對探測器輸出的模擬電壓信號進行信號處理、輸出圖像數據，并完成與外部系統的通訊和控制工作。

系統以FPGA為視頻處理核心，輔以外圍信號調理、AD轉換、控制接口、視頻傳輸接口以及電源變換等電路完成紅外探測的驅動、信號采集、功能控制、視頻處理、視頻輸出等功能。紅外視頻處理系統原理框圖如圖1所示。在一定驅動時序下紅外焦平面完成紅外視頻信號的積分輸出，進行同步A/D 轉換，將處理完的數據輸出到下一級FPGA圖象處理電路單元。信號處理電路根據外部指令將上級的數字視頻信號進行一系列的視頻處理(主要包括：非均勻性校正，盲元替換，視頻增強，亮度調節等)，處理后的數字視頻信號將通過數字視頻接口(Cameralink)輸出，同時也可經過視頻轉換電路轉換成標準PAL制模擬視頻。

圖1 紅外視頻處理系統原理框圖Fig.1 Infrared image process system principle chart

2.4 鏡頭及本體結構

鏡頭及本體結構包括鏡頭機械結構、主體框架、連接法蘭等部分，主要用于光學系統、探測器、電子學系統的安裝以及與外部的連接。

3 輻射定標技術研究

本文中，中波紅外熱像儀輸出的是被測場景紅外輻射成像生成的灰度圖，無法直接輸出溫度數據，需要將圖像的灰度按照一定的映射關系利用特定轉換公式計算出溫度值，而這個映射關系需要通過紅外輻射定標方法來完成。

紅外焦平面探測器輸出的圖像經過非均勻性校正、盲元替換等圖像處理步驟后輸出的灰度圖像，包含有目標物體表面發出的紅外熱輻射分布信息，即含有目標物體的溫度場數據，但是由于目標物體溫度與紅外探測器接收到的目標發出的紅外輻射呈非線性關系，而且受物體表面發射率、周圍環境溫度、紅外熱像儀內部輻射等多種復雜因素的影響，我們無法直接由紅外熱像儀灰度圖像得到目標物體溫度值，而需通過間接的定標方法來建立灰度圖像與目標溫度的映射關系。定標通常是以高精度、發射率接近于1的面源黑體為基準，采集紅外熱像儀在不同黑體溫度下的灰度圖像，然后利用圖像的灰度和黑體實際溫度進行擬合，再輔以環境輻射修正等措施，得到灰度-溫度關系曲線。在實際測溫時，利用定標得到的擬合曲線和公式，根據被測目標的圖像灰度值計算得到目標溫度，完成測溫過程。

3.1 輻射定標的原理分析

輻射定標主要是為定量獲取紅外熱像儀輸入輻亮度與熱像儀輸出圖像灰度的映射關系。對于紅外焦平面陣列，探測器的一個像元在某個光譜范圍內產生的電子數為[5]

(1)

(2)

基于式(2)，可將式(1)簡化成

(3)

因此在中波紅外波段(3.7μm～4.8μm)的較窄帶寬情況下，紅外探測器的輸出信號Se(λ)可近似認為與被測目標輻亮度成正比。從式(3)可知，在進行溫度測量時，探測器必須要與定標過程時的積分時間保持一致，否則定標數據將不再有效。

3.2 近距離面源黑體定標方法

常用的定標方法主要為近距離面源黑體定標[6]。近距離面源黑體定標方法主要是利用黑體輻射源與紅外熱像儀近距離靠近，使黑體面源覆蓋紅外熱像儀的整個視場。由于黑體與紅外熱像儀距離很近，因此可忽略光路中大氣衰減和其它背景的干擾，則紅外熱像儀的光學鏡頭入瞳輻亮度為

L=Lb

(4)

式中:Lb——黑體輻亮度。在波長λ2-λ1波段內的黑體輻亮度為

(5)

式中:Mb——黑體總輻射量;c1和c2——常量。紅外熱像儀的輻亮度響應度為

(6)

式中:V——紅外熱像儀的輸出圖像灰度值。

采用近距離面源黑體定標法進行定標時，需要將面源黑體與紅外熱像儀盡量接近并將二者放置到同一個水平面上，將紅外熱像儀開機運行較長一段時間，待紅外熱像儀輸出圖像灰度穩定不再漂移后，設定黑體溫度值并等待黑體實際溫度穩定后記錄下黑體的當前溫度值，同時利用灰度圖像采集系統采集并保存熱像儀輸出灰度圖像。接著按照一定的步長設置黑體溫度，使黑體溫度逐步升高，具體步長可根據系統測溫范圍、測溫準確度等實際情況進行確定。黑體溫度穩定后再次記錄黑體溫度并保存輸出灰度圖像，重復進行該步驟獲取一定數量的樣本，供后續處理軟件完成定標數據擬合。

3.3 環境輻射對測溫準確度的影響及修正

利用紅外熱像儀對被測目標進行成像并根據輻射特性測量目標溫度時，紅外探測器接收的紅外輻射能量不僅包含目標物體本身的輻射，還包含環境輻射被目標物體表面反射的能量、被測目標與紅外熱像儀之間的大氣輻射以及紅外熱像儀內部產生的雜散能量。

3.3.1 目標物體反射的環境輻射：該能量主要由周圍環境發出的部分輻射能量經過目標物體表面的反射而進入紅外探測器，其能量大小取決于目標物體表面的散射特征和環境溫度等因素。

3.3.2 大氣輻射：目標物體與紅外熱像儀之間的大氣輻射出的能量進入紅外探測器后，會對探測器造成能量的疊加。

3.3.3 紅外熱像儀內部的雜散能量：由于光學系統的冷光欄效率無法達到100%，因此熱像儀內部會有一部分雜散輻射能量通過冷光欄而進入到探測器中造成能量疊加，該部分能量沒有經過光學系統。

本文主要考慮紅外熱像儀內部雜散能量的影響并對此做出修正。將紅外熱像儀在常溫環境中開機運行，同時記錄熱像儀電子學系統反饋的內部溫度值Tinter和輸出圖像平均灰度值，依此方法獲取一定數量的樣本點，供后續處理軟件進行擬合并得到修正曲線方程。

3.4 定標數據處理方法及對測溫準確度影響分析

通過輻射定標實驗獲取到足夠量的樣本點后，需要對樣本點進行處理，獲取圖像灰度與目標溫度間的映射關系，常用的處理方法主要是擬合曲線法。

根據測溫范圍的需求，要選擇合適的面源黑體基準源，在該測溫范圍內按照一定的溫度間隔調節面源黑體的輸出溫度，待黑體穩定后采集記錄黑體溫度和熱像儀輸出灰度圖像，由此得到足夠數量的樣本，本文采用最小二乘法對得到的樣本數據進行擬合處理，得到目標溫度與圖像灰度的擬合曲線和擬合公式模型。在實際的測溫應用中，基于該擬合模型可根據目標灰度值反推計算得到目標溫度Ttarget以完成測溫。擬合曲線法的優點是所需的樣本點較少、定標工作量小，是目前應用最廣泛的方法，可是溫度與灰度的擬合曲線與真實情況是存在誤差的，因此會對測溫準確度產生一定影響。經過實驗證明，擬合多項式的級數越高，擬合曲線越逼近真實曲線，誤差越小。本文采用四次多項式擬合方法，黑體輻射定標數據和熱像儀內部環境輻射引起的圖像灰度偏移數據的擬合結果分別如圖2和圖3所示。

圖2 黑體輻射定標擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the blackbody radiation calibration

圖3 紅外熱像儀內部環境輻射與圖像灰度偏移擬合曲線Fig.3 Fitting curve of infrared thermal imager’s Interior environment radiation & image gray offset

3.5 測溫準確度實驗與分析

實驗時用中波紅外成像系統采集5℃～70℃的黑體圖像，每隔5℃采集一個樣本點，共采集14個樣本點，然后采用上述四次多項式方程進行擬合計算，并對計算得到的溫度誤差ΔT進行分析，分析結果如圖4所示。實驗表明，擬合曲線誤差小于0.3℃，溫度測量準確度得到了很好的保證。

圖4 測溫準確度實驗結果Fig.4 Result of temperature measurement accuracy experiment

4 結束語

基于中波紅外熱成像的溫度場測量技術是目前國內外研究的一個熱點。本文對中波紅外熱成像測溫系統的紅外輻射測溫原理、定標方法及數據處理方法進行了深入研究，并分析了定標數據和環境輻射擬合處理方法對測溫結果的影響。通過實驗表明，基于近距離面源黑體定標和環境輻射修正的圖像灰度-目標溫度映射方法有效地實現了被測目標溫度場的測量，并具有較高的測溫準確度。