非制冷熱像儀內(nèi)部溫升對測溫精度的影響修正

張艷超，高 策，劉建卓，王 博，楊 帥

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

在利用紅外熱像儀進(jìn)行紅外輻射測溫過程中，受到紅外輻射特性的限制以及本身電特性的影響。外部環(huán)境參數(shù)以及探測器本身熱特性將發(fā)生改變，這些都對測溫精度造成較大影響。因此，要實現(xiàn)高精度的紅外輻射測溫，需要分別對影響測溫精度的各主要因素進(jìn)行逐一建模和系統(tǒng)研究，以進(jìn)一步提高紅外成像測溫系統(tǒng)的測溫精度和環(huán)境適應(yīng)性。影響紅外測溫精度的因素較多，大體上可分為外部影響因素和內(nèi)部影響因素。

外部影響因素包括目標(biāo)發(fā)射率，大氣透射率，環(huán)境溫度、測試角度等。對于外部因素的影響，可通過相應(yīng)的測算軟件或數(shù)據(jù)庫獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后，帶入被測表面真實溫度計算公式對熱像儀測試結(jié)果進(jìn)行修正[1-2]。

內(nèi)部影響因素包括工作溫度、鏡筒輻射溫度、探測器半導(dǎo)體器件溫升作用、開始時間等。各個影響因素互相關(guān)聯(lián)、互相影響，嚴(yán)重影響了紅外測溫設(shè)備的測量精度。要對各個影響因素逐一建模，去除其他因素的影響，難以實現(xiàn)。因此，必須選取一個或幾個有代表性的因素作為探測器灰度隨溫度變化的衡量尺度。然后，通過采取一定標(biāo)定和修正方法，來予以消除。

綜上可知，內(nèi)部影響因素是影響熱像儀實現(xiàn)高精度測溫和標(biāo)定的主要問題。 此外內(nèi)部影響因素對測溫結(jié)果還具有時間累積性，對于同一溫度下的面源黑體，當(dāng)熱像儀處于不同熱狀態(tài)時，往往導(dǎo)致測溫結(jié)果差異較大。如果不對內(nèi)部各影響因素進(jìn)行修正，將會使標(biāo)定結(jié)果失去意義。因此，對各內(nèi)部影響因素的綜合建模和修正，對于測溫型熱像儀測溫精度的提高具有十分重要的意義。

熱像儀的內(nèi)部溫升影響因素的修正方法多為對單獨一個或其中部分因素進(jìn)行獨立研究[3-11]。現(xiàn)有研究一方面沒有對各主要內(nèi)部影響因素進(jìn)行全面評估，存在測溫精度修正“短板”，另一方面沒有對各內(nèi)部影響因素間的相互關(guān)系進(jìn)行評價，導(dǎo)致修正方法條理不夠清晰。鑒于上述情況，本文對影響熱像儀測溫精度的各個關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析和綜合評價，并通過分析其相互關(guān)系的影響，給出了相應(yīng)的修正模型和標(biāo)定方法。對于測溫型熱像儀測溫精度和性能的提高，具有一定的工程意義。此外，文中所述的修正方法對于輻射特性的準(zhǔn)確測量也具有一定的借鑒意義[12-14]。

2 熱像儀組成及探測器的選型

測溫型熱像儀一般由紅外光學(xué)系統(tǒng)，紅外圖像探測器，采集處理電路以及顯示控制模塊等部分組成。組成框圖如圖1所示。紅外光學(xué)系統(tǒng)的作用是收集輻射，將輻射匯聚到探測器靶面上。紅外圖像探測器是將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號的元件。采集處理電路是對圖像探測器轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行采集和處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有溫度信息的紅外圖像數(shù)據(jù)，其具有一定的圖像處理能力。顯示控制模塊用于紅外圖像數(shù)據(jù)的顯示、分析與熱像儀控制。

圖1 熱像儀組成框圖 Fig.1 Block diagram of thermal imager

對于測溫型紅外熱像儀，清晰成像與獲得準(zhǔn)確穩(wěn)定的測溫數(shù)據(jù)是首要前提。紅外圖像探測器是整個系統(tǒng)的核心器件，其性能參數(shù)對于系統(tǒng)的整體指標(biāo)以及熱像儀內(nèi)部其它組件的選型、光學(xué)/結(jié)構(gòu)設(shè)計都起著決定性的作用。因此，相對于普通的成像熱像儀，測溫型紅外熱像儀在圖像探測器選型過程中，應(yīng)從以下幾個方面考慮：

(a)測溫型紅外探測器的首要選型標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)具有良好的重復(fù)性。若重復(fù)性較差，那么溫度標(biāo)定就變得沒有任何意義，無基準(zhǔn)可循，測溫過程也就無法實現(xiàn)。

(b)紅外探測器的數(shù)據(jù)位深決定了系統(tǒng)的測溫精度，也就是最小溫差的分辨能力，數(shù)據(jù)位深越大，系統(tǒng)對于溫度變化的區(qū)分能力也就越高。

(c)測溫型熱像儀多為便攜式設(shè)備，功耗與成本問題也是需要考慮的一個十分重要因素。制冷型紅外探測器雖然測溫精度高，但需要加入制冷裝置，不但成本高、重量大、其高額的功耗更嚴(yán)重限制了其使用范圍。

目前，市場上比較容易獲得的可用于測溫的面陣非制冷型長波紅外探測器主要是美國FLIR公司的TAU系列探測器。其光譜響應(yīng)波長為8～13 μm，最大有效像元分辨率為640×480，像元尺寸為17 μm，最大數(shù)據(jù)位深是14位，幀頻為9幀/秒，相同條件下重復(fù)性好，且應(yīng)用范圍廣。本文所展開的一系列討論與研究均是以該款探測器為基礎(chǔ)的。

3 內(nèi)部影響因素分析

3.1 鏡筒輻射溫度對測試結(jié)果的影響評估

紅外熱像儀是通過接收被測物體表面發(fā)射的輻射來測定其溫度的。實際測量時，熱像儀接收到的有效輻射包括目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射、大氣輻射以及鏡筒輻射4部分。在檢測環(huán)境穩(wěn)定的情況下，前3部分所產(chǎn)生的輻射量基本恒定。而鏡筒輻射，隨著熱像儀工作時間的增長，所累積的熱量將逐漸增多，進(jìn)而導(dǎo)致輻射增強，其對測溫結(jié)果的影響隨之增大。

為了實現(xiàn)鏡筒輻射對測溫結(jié)果影響的定量分析，在鏡筒內(nèi)部安裝了精度為0.1 ℃的溫度傳感器。通過實時讀取鏡筒溫度以及該值所對應(yīng)的熱像儀工作時間、固定溫度下的面源黑體灰度，得到如下分析結(jié)果。此外為了便于對比分析，還引入了探測器靶面溫度值(簡稱為FPA溫度)這一概念。

圖2為FPA溫度、鏡筒溫度與熱像儀工作時間的關(guān)系曲線，其中藍(lán)色為FPA溫度隨時間的變化曲線，紫色為鏡筒溫度隨時間的變化曲線。從圖2可以看出，開機后的前10 min內(nèi)，F(xiàn)PA溫度與鏡筒溫度存在一定的差異，之后二者溫度基本趨于重合(此差異存在時長恰與前10 min的測溫值具有較大波動時間相吻合，初步推測此過程與探測器內(nèi)部非均勻校正處理算法有關(guān)，此處不做深入論證)。

圖2 FPA、鏡筒溫度—時間曲線 Fig.2 Temperatures of FPA and lens vary with tube-time

圖3為鏡筒溫度與FPA溫度隨黑體灰度變化圖。從圖3可以看出，與鏡筒溫度相比，F(xiàn)PA隨黑體目標(biāo)灰度變化具有更好的線性關(guān)系。且從其他溫度的大量擬合曲線得出，F(xiàn)PA與黑體灰度關(guān)系曲線具有更好的斜率一致性和更低的擬合誤差。因而，鏡筒溫度以及其他設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的影響完全可以由FPA進(jìn)行整體表征，不用額外對鏡筒溫度進(jìn)行測定和建模。

圖3 灰度-FPA、鏡筒溫度曲線 Fig.3 Gray level-temperatures of FPA and lens tube curves

3.2 探測器靶面溫度對測試結(jié)果的影響評估

探測器吸收紅外輻射后會導(dǎo)致靶面溫度升高，因此探測器靶面的溫度將對測溫結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。探測器溫度對測溫結(jié)果的影響是通過探測器的響應(yīng)度來體現(xiàn)的。根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]知其響應(yīng)度為：

(1)

式中，Vb為偏置電壓，RL為負(fù)載電阻，g為探測器的熱導(dǎo)，α為電阻溫度系數(shù)，β為熱電參數(shù)，β=αdT，dT為探測器溫度的增加值，R為探測器的電阻，與探測器的溫度有關(guān)，記為R(T)。

由于α、β、R(T)是溫度的函數(shù)，故探測器溫度的變化會引起α、β、R(T)的變化，進(jìn)而使響應(yīng)度Rv發(fā)生改變。因此，必須對探測器靶面溫度(即FPA溫度)變化所帶來的影響進(jìn)行修正。

圖4 FPA校正前 Fig.4 Before the correction of FPA temperature

根據(jù)上節(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在本節(jié)中選取FPA溫度的變化作為目標(biāo)灰度變化的衡量指標(biāo)。通過改變探測器外部環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度，得到若干組不同黑體溫度下的FPA溫度隨黑體目標(biāo)灰度變化關(guān)系曲線。從得到的測試數(shù)據(jù)可以看出，在指定的黑體溫度下，F(xiàn)PA與黑體目標(biāo)灰度變化呈較好的線性，其中一條曲線如圖4所示。

通過曲線擬合和誤差剔除，對該線性關(guān)系進(jìn)行反向修正，以使不同環(huán)境溫度和不同工作狀態(tài)下，測得的黑體目標(biāo)值保持基本恒定。圖5為修正后的測溫曲線。由圖5可以看出，隨著FPA溫度的變化，修正后目標(biāo)溫度能夠基本保持恒定。

圖5 FPA校正后 Fig.5 After the correction of FPA temperature

3.3 熱像儀工作累積時間對測試結(jié)果的影響評估

熱像儀在通電工作后的一段時間內(nèi)，由于半導(dǎo)體器件、圖像探測器等受到瞬間電流的影響，以及熱像儀內(nèi)部熱平衡的破壞，采集到的溫度數(shù)據(jù)會經(jīng)歷一個短時間的溫度波動。因此，應(yīng)該對該過程進(jìn)行評估。

為了驗證開始時間對測溫結(jié)果的影響，在進(jìn)行了FPA修正后，在黑體溫度分別為30、50、80 ℃下進(jìn)行了開機時間對測溫結(jié)果的影響評估。從實驗結(jié)果可以看到，設(shè)備開機前5 min，由于探測器內(nèi)部半導(dǎo)體器件溫升調(diào)整較快，實測溫度變化(不穩(wěn)定度)相對較大，變化范圍優(yōu)于±1.5 ℃；設(shè)備開機5～10 min，實測溫度變化優(yōu)于±1 ℃；開機10 min后，實測溫度變化優(yōu)于±0.5 ℃。因此，在實際使用過程中，可選擇在開機幾分鐘之后再進(jìn)行測試，可以進(jìn)一步提高測試精度。圖6、圖7是黑體溫度為30 ℃時開機時間對測溫結(jié)果的影響走勢圖。在黑體溫度為50 ℃與80 ℃時，測試結(jié)果與30 ℃情況基本相同，限于篇幅考慮此處不再贅述。

圖6 黑體溫度為30 ℃時整體溫度走勢 Fig.6 Temperature trend curve when temperature of black body is set to 30 ℃

圖7 黑體溫度為30 ℃時放大溫度走勢 Fig.7 Amplified temperature trend curve when temperature of black body is set to 30 ℃

此外，大量的實驗驗證結(jié)果表明，在其他溫度下，其整體溫度趨勢與30 ℃情況下基本相同。

3.4 修正過程實現(xiàn)

通過上述影響因素的建模與分析結(jié)論可知，鏡筒溫度以及其他設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的影響完全可以由FPA進(jìn)行整體表征，不用額外對鏡筒溫度進(jìn)行測定和建模。具體修正過程如下：

(1)在熱像儀處于熱平衡狀態(tài)下(即FPA溫度基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)T0)，將黑體設(shè)置為不同溫度，進(jìn)行黑體溫度標(biāo)定。通過擬合得到黑體灰度值G1與溫度設(shè)定值T1的關(guān)系曲線：

T1=f(G1) ,

(2)

(2)實測過程中，將Tx溫度下的灰度實測值Gx帶入3.2節(jié)的黑體灰度值G與FPA溫度T的擬合關(guān)系曲線，即可以反演出FPA溫度在T0時，對應(yīng)的灰度值G0；

(3)將G1帶入式(2)，即可計算出修正后的目標(biāo)溫度T1。

4 實驗結(jié)果與評價

4.1 紅外測試系統(tǒng)搭建

紅外測溫測試系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)面源黑體、長波非制冷紅外探測器、紅外鏡頭、圖像采集卡、主控計算機、環(huán)境模擬箱，室內(nèi)空調(diào)等部分組成。其中，環(huán)境模擬箱是一款自研的溫控箱，標(biāo)定過程中可將紅外探測器置于其內(nèi)部，用以控制探測器工作環(huán)境，模擬探測器工作溫度的變化。測試系統(tǒng)組成示意圖和實物圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 測試系統(tǒng)示意圖 Fig.8 Diagram of the testing system

圖9 測試系統(tǒng)實物圖 Fig.9 Actual picture of the testing system

4.2 測溫性能評價

4.2.1 準(zhǔn)確性

測試過程中的環(huán)境溫度為20 ℃，測試距離為2 m，熱像儀工作狀態(tài)為開機后2 h(基本處理穩(wěn)定狀態(tài))，每個黑體溫度下采樣數(shù)為200。測試結(jié)果如表1所示。

表1 20 ℃至90 ℃范圍內(nèi)測量結(jié)果(單位：℃)

結(jié)果顯示：實驗室測試條件下，相對于絕對溫度，實測測溫精度基本可控制在±1 ℃以內(nèi)。能夠滿足(±2 ℃或±2%FS較大者)國家標(biāo)準(zhǔn)，且實測精度優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 穩(wěn)定性

測試條件同4.2.1。由表1統(tǒng)計結(jié)果可以得到熱像儀在不同設(shè)定黑體溫度下的穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 20 ℃至90 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定性結(jié)果(單位：℃)

結(jié)果顯示：實驗室測試條件下，熱像儀處于穩(wěn)定狀態(tài)時，相對于實測溫度，溫度偏差基本可以控制在±0.5 ℃以內(nèi)，具有良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

經(jīng)過大量的紅外理論研究以及工程實踐驗證工作，可以得到如下結(jié)論：若要實現(xiàn)測溫型熱像儀的準(zhǔn)確定標(biāo)，需要首先對紅外圖像探測器進(jìn)行一定的性能評估。其除了應(yīng)具備探測器基本電子學(xué)性能和輻射性能以外，還應(yīng)考慮是否能夠找出一個紅外探測器內(nèi)部信息值，該值能夠代表其內(nèi)部多個溫升狀態(tài)變化以更好地表征探測器目標(biāo)灰度隨工作狀態(tài)的變化規(guī)律。若存在此信息值，則可以進(jìn)一步進(jìn)行紅外定標(biāo)和溫度測量工作，若不存在則表明該類探測器暫不具備紅外測溫條件或以目前的紅外測溫定標(biāo)方法難以實現(xiàn)紅外測溫工作。

本文通過多次實驗驗證比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PA溫度值與目標(biāo)灰度變化曲線具有更低的擬合誤差、更好的線性以及更好的重復(fù)性。因此，選用該值作為熱像儀內(nèi)部的溫升衡量尺度，能夠更好地反映出熱像儀的熱狀態(tài)和對測溫精度的影響情況。實驗結(jié)果表明，在實驗室條件下，經(jīng)過修正，非制冷型紅外熱像儀測溫精度可控制在±1 ℃以內(nèi)，其穩(wěn)定性可控制在±0.5 ℃以內(nèi)。修正后的溫度結(jié)果基本不受內(nèi)部溫升的影響，有效提高了非制冷測溫型熱像儀的穩(wěn)定性、可重復(fù)性以及測溫精度。