基于中波红外热成像的温度场测量技术研究

傅 强 何锁纯 董 斐 周 阳 刘 晗

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

在日常生活、工业制造等众多领域，温度的测量与控制时刻都在进行，因此温度测量应用极其广泛，在温度测量技术上国内外众多的研究人员也开展了大量的研究工作。当前，比较常用的温度测量方法主要分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量应用最为广泛的是热电阻、热电偶测温，两者都是点式测温，通过与被测物体单点接触进行测温，只能反映物体某一点的温度，当需要测量多个点的温度时，需要安装大量的温度传感器同时配备多通道数据采集系统，使用中极其不便。而且由于是接触式测量，需要与被测物体热平衡，因此会对物体温度分布产生影响。此外，由温度传感器的材质所决定，不能应用于温度极高的测量场合[1]。

随着红外探测技术的不断发展，基于红外热成像技术进行温度测量已成为当今国内外积极开展研究的一个热门方向，在众多领域也得到了越来越广泛的应用。红外测温主要具有以下特点[2]：

(1)无需与被测物体接触，不会影响物体的温度分布，同时可应用于危险场合以保证人身安全。

(2)测温速度很快，测温系统与被测物体间无需热平衡，可应用于温度变化较快的目标温度测量。

(3)测温范围很宽，从零下几十度到一千多度的温度范围均可测量。

(4)不同于点测量，红外测温可以测量被测物体的温度场分布。

(5)可以测量微小目标的温度，无论目标是近距离或远距离均可实现温度测量[3]。

按照测温方式的不同，红外测温技术可大致分为两类：基于逐点分析的红外测温设备和基于全场分析的测温设备[4]。其中，基于全场分析的测温系统基于红外热成像的原理来测温，所以也称为热成像测温系统。其利用待测物体发出的红外线通过红外光学镜头汇聚成像到红外焦平面探测器上，经过进一步图像处理后输出待测物体的红外灰度图像，然后根据图像灰度值以及温度定标参数等数据实现对目标物体温度场分布的测量。基于全场分析的测温系统可以实现对被测物体多个区域和多个物体的温度测量，实现对较大面积的区域测温，为分析目标物体温度状态提供了便利条件，因此成为了当前比较热门的研究方向。本文研究的就是基于红外热成像的全场温度场测量技术。

此外，在国防、航空航天、工业生产、农业与环境监测以及日常生活等诸多领域，气体检测的应用也很广泛。基于热成像的红外气体检测技术可实现非直接接触的气体实时监测，具有灵敏度很高、测量范围较宽、工作状态稳定、外界干扰影响小等优点，尤其在用于监测高温烟气等含二氧化碳气体方面，具有不可替代的优势，因二氧化碳气体的红外吸收峰位于中波红外波段(3.7μm～4.8μm)，目前市场上常用的红外测温系统多为长波红外系统，无法覆盖该波段，因此中波红外气体检测及测温系统成为当今主流的气体检测手段之一。

由于红外测温特别是中波红外测温的以上这些优势，其在国防、钢铁、电力、石化等方面均拥有广泛的应用前景。

2 中波红外成像系统简介

中波红外热像仪工作原理是通过中波红外光学镜头将远距离目标发出的红外辐射光线汇聚成像在探测器的焦平面上，处于焦平面上的HgCdTe光敏材料接收光线汇聚形成的辐射能量，转换成相应强度的电信号，电信号经探测器成像电子学系统转换为视频图像信号并输出。红外热像仪主要由光学成像系统(考虑光学头罩)、红外探测器组件、电子学系统、镜头及本体结构组成。

2.1 光学成像系统

光学成像系统采用透射式一次成像结构，用于将目标的特征信息成像在镜头焦平面上，镜头通过选择合适的结构材料和透镜材料实现无热化设计。

2.2 红外探测器组件

制冷型中波红外焦平面探测器组件，用于接收光学成像系统获取的目标红外辐射信息，转换成可检测的电信号。红外焦平面探测器组件作为成像系统的探测器件，为成像系统提供原始红外视频信号，本文采用的是320×256分辨率中波红外探测器。

2.3 电子学系统

电子学系统主要由探测器成像电路、信号处理电路、电源及控制电路组成，主要负责提供探测器的偏置电压和驱动时钟，并对探测器输出的模拟电压信号进行信号处理、输出图像数据，并完成与外部系统的通讯和控制工作。

系统以FPGA为视频处理核心，辅以外围信号调理、AD转换、控制接口、视频传输接口以及电源变换等电路完成红外探测的驱动、信号采集、功能控制、视频处理、视频输出等功能。红外视频处理系统原理框图如图1所示。在一定驱动时序下红外焦平面完成红外视频信号的积分输出，进行同步A/D 转换，将处理完的数据输出到下一级FPGA图象处理电路单元。信号处理电路根据外部指令将上级的数字视频信号进行一系列的视频处理(主要包括：非均匀性校正，盲元替换，视频增强，亮度调节等)，处理后的数字视频信号将通过数字视频接口(Cameralink)输出，同时也可经过视频转换电路转换成标准PAL制模拟视频。

图1 红外视频处理系统原理框图Fig.1 Infrared image process system principle chart

2.4 镜头及本体结构

镜头及本体结构包括镜头机械结构、主体框架、连接法兰等部分，主要用于光学系统、探测器、电子学系统的安装以及与外部的连接。

3 辐射定标技术研究

本文中，中波红外热像仪输出的是被测场景红外辐射成像生成的灰度图，无法直接输出温度数据，需要将图像的灰度按照一定的映射关系利用特定转换公式计算出温度值，而这个映射关系需要通过红外辐射定标方法来完成。

红外焦平面探测器输出的图像经过非均匀性校正、盲元替换等图像处理步骤后输出的灰度图像，包含有目标物体表面发出的红外热辐射分布信息，即含有目标物体的温度场数据，但是由于目标物体温度与红外探测器接收到的目标发出的红外辐射呈非线性关系，而且受物体表面发射率、周围环境温度、红外热像仪内部辐射等多种复杂因素的影响，我们无法直接由红外热像仪灰度图像得到目标物体温度值，而需通过间接的定标方法来建立灰度图像与目标温度的映射关系。定标通常是以高精度、发射率接近于1的面源黑体为基准，采集红外热像仪在不同黑体温度下的灰度图像，然后利用图像的灰度和黑体实际温度进行拟合，再辅以环境辐射修正等措施，得到灰度-温度关系曲线。在实际测温时，利用定标得到的拟合曲线和公式，根据被测目标的图像灰度值计算得到目标温度，完成测温过程。

3.1 辐射定标的原理分析

辐射定标主要是为定量获取红外热像仪输入辐亮度与热像仪输出图像灰度的映射关系。对于红外焦平面阵列，探测器的一个像元在某个光谱范围内产生的电子数为[5]

(1)

(2)

基于式(2)，可将式(1)简化成

(3)

因此在中波红外波段(3.7μm～4.8μm)的较窄带宽情况下，红外探测器的输出信号Se(λ)可近似认为与被测目标辐亮度成正比。从式(3)可知，在进行温度测量时，探测器必须要与定标过程时的积分时间保持一致，否则定标数据将不再有效。

3.2 近距离面源黑体定标方法

常用的定标方法主要为近距离面源黑体定标[6]。近距离面源黑体定标方法主要是利用黑体辐射源与红外热像仪近距离靠近，使黑体面源覆盖红外热像仪的整个视场。由于黑体与红外热像仪距离很近，因此可忽略光路中大气衰减和其它背景的干扰，则红外热像仪的光学镜头入瞳辐亮度为

L=Lb

(4)

式中:Lb——黑体辐亮度。在波长λ2-λ1波段内的黑体辐亮度为

(5)

式中:Mb——黑体总辐射量;c1和c2——常量。红外热像仪的辐亮度响应度为

(6)

式中:V——红外热像仪的输出图像灰度值。

采用近距离面源黑体定标法进行定标时，需要将面源黑体与红外热像仪尽量接近并将二者放置到同一个水平面上，将红外热像仪开机运行较长一段时间，待红外热像仪输出图像灰度稳定不再漂移后，设定黑体温度值并等待黑体实际温度稳定后记录下黑体的当前温度值，同时利用灰度图像采集系统采集并保存热像仪输出灰度图像。接着按照一定的步长设置黑体温度，使黑体温度逐步升高，具体步长可根据系统测温范围、测温准确度等实际情况进行确定。黑体温度稳定后再次记录黑体温度并保存输出灰度图像，重复进行该步骤获取一定数量的样本，供后续处理软件完成定标数据拟合。

3.3 环境辐射对测温准确度的影响及修正

利用红外热像仪对被测目标进行成像并根据辐射特性测量目标温度时，红外探测器接收的红外辐射能量不仅包含目标物体本身的辐射，还包含环境辐射被目标物体表面反射的能量、被测目标与红外热像仪之间的大气辐射以及红外热像仪内部产生的杂散能量。

3.3.1 目标物体反射的环境辐射：该能量主要由周围环境发出的部分辐射能量经过目标物体表面的反射而进入红外探测器，其能量大小取决于目标物体表面的散射特征和环境温度等因素。

3.3.2 大气辐射：目标物体与红外热像仪之间的大气辐射出的能量进入红外探测器后，会对探测器造成能量的叠加。

3.3.3 红外热像仪内部的杂散能量：由于光学系统的冷光栏效率无法达到100%，因此热像仪内部会有一部分杂散辐射能量通过冷光栏而进入到探测器中造成能量叠加，该部分能量没有经过光学系统。

本文主要考虑红外热像仪内部杂散能量的影响并对此做出修正。将红外热像仪在常温环境中开机运行，同时记录热像仪电子学系统反馈的内部温度值Tinter和输出图像平均灰度值，依此方法获取一定数量的样本点，供后续处理软件进行拟合并得到修正曲线方程。

3.4 定标数据处理方法及对测温准确度影响分析

通过辐射定标实验获取到足够量的样本点后，需要对样本点进行处理，获取图像灰度与目标温度间的映射关系，常用的处理方法主要是拟合曲线法。

根据测温范围的需求，要选择合适的面源黑体基准源，在该测温范围内按照一定的温度间隔调节面源黑体的输出温度，待黑体稳定后采集记录黑体温度和热像仪输出灰度图像，由此得到足够数量的样本，本文采用最小二乘法对得到的样本数据进行拟合处理，得到目标温度与图像灰度的拟合曲线和拟合公式模型。在实际的测温应用中，基于该拟合模型可根据目标灰度值反推计算得到目标温度Ttarget以完成测温。拟合曲线法的优点是所需的样本点较少、定标工作量小，是目前应用最广泛的方法，可是温度与灰度的拟合曲线与真实情况是存在误差的，因此会对测温准确度产生一定影响。经过实验证明，拟合多项式的级数越高，拟合曲线越逼近真实曲线，误差越小。本文采用四次多项式拟合方法，黑体辐射定标数据和热像仪内部环境辐射引起的图像灰度偏移数据的拟合结果分别如图2和图3所示。

图2 黑体辐射定标拟合曲线Fig.2 Fitting curve of the blackbody radiation calibration

图3 红外热像仪内部环境辐射与图像灰度偏移拟合曲线Fig.3 Fitting curve of infrared thermal imager’s Interior environment radiation & image gray offset

3.5 测温准确度实验与分析

实验时用中波红外成像系统采集5℃～70℃的黑体图像，每隔5℃采集一个样本点，共采集14个样本点，然后采用上述四次多项式方程进行拟合计算，并对计算得到的温度误差ΔT进行分析，分析结果如图4所示。实验表明，拟合曲线误差小于0.3℃，温度测量准确度得到了很好的保证。

图4 测温准确度实验结果Fig.4 Result of temperature measurement accuracy experiment

4 结束语

基于中波红外热成像的温度场测量技术是目前国内外研究的一个热点。本文对中波红外热成像测温系统的红外辐射测温原理、定标方法及数据处理方法进行了深入研究，并分析了定标数据和环境辐射拟合处理方法对测温结果的影响。通过实验表明，基于近距离面源黑体定标和环境辐射修正的图像灰度-目标温度映射方法有效地实现了被测目标温度场的测量，并具有较高的测温准确度。