非制冷红外热像仪的测温算法

刘佳钰

（中国空空导弹研究院，洛阳471000）

引言

红外测温是以黑体辐射理论为基础，利用物体的辐射能量与温度有关的原理，使用红外热成像系统对被测目标的热辐射进行测量，并通过一定的算法计算出被测目标的温度[1]。红外测温是一种非接触测温方式，与传统测温方式相比具有无损伤、非接触、快速实时、远距离、测温范围宽等优点[2]。目前红外测温技术己在多领域获得广泛应用，如建筑、电力工业、航天航空、质量检测及冶金等。

1 测温模型的建立

1.1 模型的建立

本文的测温模型基于全辐射理论建立。

考虑一个微小面元，单位时间面积上，其辐射的能量满足关系：

式中，ε为物体表面发射率，σ=5.670×10-8（ω·m-2·K-4）称为斯蒂芬—波尔兹曼常量，T为物体的绝对温度。

探测器的输出信号表征探测器所接收到的辐射量，而机芯组件中探测器所接收到辐射包括，目标的辐射量以及壳体和镜头对探测器的辐射为：。

其中，Mt表示探测器所接收到的总辐射量，Mj表示探测器接收到的镜头的辐射量，Mk表示探测器接收到的壳体的辐射量，Mm表示探测器接收到的目标的辐射量。

机芯组件开机后，内部器件开始工作，会散发出一定的热量，导致壳体和镜头都有一定的温升，即Mj和Mk变大。所以，在目标Mm不变的情况下，随开机时间的变化，探测器的输出会发生变化。如果要补偿这部分辐射带来的误差，则需要实时测量壳体和镜头的温度。当挡片挡在探测器前面时，探测器的总辐射量可表示为：

其中，Md为探测器接收到的挡片的辐射量。

由式（2）-式（3），得到结果：

根据式（1）可知，辐射量M与温度T为四次方的关系，而辐射量M却与探测器的输出成正比关系，则可建立数学模型为：

其中，Tm是目标温度，Tj是镜头的温度，Td是挡片的温度，ΔV是输出电压的差值，A、B、C为常数。通过试验测定A、B、C系数，即，用温度传感器测定Tj和Td，再由公式6反推出系数值。虽然镜头和挡片温度有差值，理论上需要用两个传感器来测量他们的温度，但在实际上，由于挡片上不宜安装传感器，可使用镜头温度进行替代（通过实验发现挡片的温度通常只比镜头温度高1～2℃，可近似两者相同），则数学模型可简化为：

再根据此模型重新拟合A、D系数。

1.2 试验方法

根据上述测温模型可知，只要知道镜头的温度，以及同一时刻挡片开关前后的探测器输出，就可以反推出Tm。

改变黑体温度，Tm在20～150℃，以10℃为间距取值。每隔20s，记录镜头温度Tj、探测器在挡片开关前后的输出信号ΔV，总测量时间为80min。在每一时刻，根据式（6）将ΔV对Tm4与Tj4拟合，得出该时刻的拟合常数A、D，可以通过式（7）反推黑体温度。

1.3 测温模型验证结果

经过大量实验数据的采集，可得到A、D系数的拟合结果如表1所示，表中只给出了前、后两部分的数据。由表1可知，由于黑体温度一直比较稳定，所以，A系数在整个测量时间内较稳定，变化幅度不到1%。但是，由于镜头温度要经过10分钟左右才能稳定，所以，系数D变化很大。

表2给出了计算的温度值以及和实际值之间的相对偏差。

表1 拟合常数

表2 计算值与实际值的偏差

2 结论