目標表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響

胡劍虹，寧 飛，沈湘衡，賀庚賢

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039）

目標表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響

胡劍虹1，2，寧 飛1，沈湘衡1，賀庚賢1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039）

介紹了紅外熱像儀測溫原理，分析了影響紅外熱像儀測溫精度的因素，計算了不同表面發(fā)射率下紅外熱像儀的測溫誤差曲線。理論分析表明，目標表面發(fā)射率越高，紅外熱像儀測溫精度越高。實驗改變表面發(fā)射率的設置，計算了不同表面發(fā)射率對應的總輻射亮度，得到TP8型長波紅外熱像儀能夠精確測溫時，目標表面發(fā)射率必須大于0.5的結果。最后，對表面發(fā)射率分別為0.96、0.93和0.3的3種材料進行實際測溫，結果表明，材料表面發(fā)射率較高時，紅外熱像儀具有較好的測溫精度。

表面發(fā)射率；紅外熱像儀；紅外測溫；測溫精度

1 引 言

目前，紅外成像技術已經廣泛應用于軍事領域，成為現(xiàn)代武器裝備的重要技術。紅外成像系統(tǒng)的研制，離不開靶場實驗，因此，研究能夠模擬各種軍事目標紅外輻射特性的紅外靶標有著極其重要的現(xiàn)實意義。紅外靶標系統(tǒng)中，紅外熱像儀負責實時監(jiān)測紅外靶標各區(qū)域的溫度，紅外靶標系統(tǒng)根據(jù)紅外熱像儀測量的溫度，調整各區(qū)域的溫度，使紅外靶標系統(tǒng)的紅外輻射特性接近被模擬目標。在紅外靶標系統(tǒng)研制過程中，紅外靶標系統(tǒng)的表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度影響很大，由此直接影響紅外靶標系統(tǒng)的精度。為了提高紅外熱像儀的測溫精度，本文詳細分析了紅外靶標系統(tǒng)的表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響，旨在為紅外靶標系統(tǒng)表面材料的選擇提供依據(jù)。

2 紅外熱像儀測溫原理

本文的實驗均采用TP8型長波紅外熱像儀。對于近距離探測而言，不考慮大氣衰減，當目標表面滿足灰體模型，到達紅外熱像儀鏡頭前的總能量應為目標紅外輻射的能量與目標反射的環(huán)境輻射能量，故有下式成立［1～5］：

式中Lm為到達鏡頭前的總輻射亮度，Lt為目標的輻射亮度，Lb為環(huán)境的輻射亮度，ε為目標表面發(fā)射率。

由于灰體的反射和發(fā)射均是漫反射的，因此輻射亮度L與輻射出射度M存在如下關系［6，7］：

TP8型長波紅外熱像儀的波長范圍為8～14μm，由普朗克輻射定律，有下式成立［6～8］：

式中Mt為目標的輻射出射度，Mb為環(huán)境的輻射出射度，Tt為目標絕對溫度，Tb為環(huán)境絕對溫度，λ為波長，c1為第一輻射常數(shù)（3.741 8×10-16W· m2），c2為第二輻射常數(shù)（1.438 8×10-2m·K）。將式（2）、（3）、（4）代入式（1）得：

TP8型長波紅外熱像儀根據(jù)設置的目標表面發(fā)射率和采集的環(huán)境溫度，結合測得的輻射亮度，由式（5）得出目標的溫度。

3 目標表面發(fā)射率對測溫精度的影響

由普朗克輻射定律，可以認為Lt是Tt為自變量的函數(shù)，記作：

則有：

為便于分析和數(shù)值計算，將影響紅外熱像儀測溫精度的因素用差分形式表示：

由式（1）可得：

其中：

根據(jù)式（8）、（9）、（10），可以計算紅外熱像儀測溫誤差。

從上述分析可以看到，紅外熱像儀的測溫誤差ΔTt取決于Δε、ε、ΔTb、Tb和Lm。為了說明目標表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響，本文假定環(huán)境溫度293.15 K，目標溫度308.15 K，對目標表面發(fā)射率為0.95、0.7、0.5、0.3時分別進行理論計算，其結果如圖1所示。

分析圖1可知，紅外熱像儀在測量目標表面真實溫度時，目標表面發(fā)射率越小，紅外熱像儀測溫誤差越大；目標表面發(fā)射率越大，紅外熱像儀測溫誤差越小。此外，紅外熱像儀設置的目標表面發(fā)射率誤差和采集的環(huán)境溫度誤差也對紅外熱像儀測溫誤差有著很大的影響。根據(jù)以上分析，紅外熱像儀應當避免測量目標表面發(fā)射率很小的目 標溫度。

4 紅外靶標表面發(fā)射率范圍的確定

為了確定TP8型長波紅外熱像儀能夠精確測溫的目標表面發(fā)射率的范圍，為紅外靶標系統(tǒng)設計提供依據(jù)，本文對紅外熱像儀采集的圖像的某一點（圖像中溫度最高點），通過設置不同的目標表面發(fā)射率，獲得不同的溫度值。

實驗時，紅外熱像儀記錄的環(huán)境溫度為299.95 K，根據(jù)式（5），可以計算Lm的值。由于紅外熱像儀在相同環(huán)境下測溫同一目標，Lm應為固定值。若計算的Lm偏離這個固定值，則可認為設置的目標表面發(fā)射率超出紅外熱像儀能夠精確測溫的目標表面發(fā)射率的范圍。

本文設置的目標表面發(fā)射率從0.2～0.97，對應的測量溫度和Lm如表1所示。

從表1可以看到，當目標表面發(fā)射率＞0.5時，Lm的值基本在70.5 W/（sr·m2）左右；當目標表面發(fā)射率＜0.5時，特別是目標表面發(fā)射率＜0.36時，Lm的值偏離固定值很大。這個特性是根據(jù)發(fā)射率選擇紅外靶標表面材料的依據(jù)。

5 實驗結果

為了直觀地反映材料表面發(fā)射率對測溫精度的影響，本文在環(huán)境溫度為302.65 K時，用TP8型長波紅外熱像儀對表面發(fā)射率為0.96（R3）、0.93（R1）和0.3（R2）的3種材料進行測溫，其結果如圖2所示。

本文采用測溫精度為0.2 K的手持式測溫儀測溫，材料溫度約為303.15 K。結果表明，紅外熱像儀對低表面發(fā)射率材料的測溫精度很低。

6 結 論

本文分析了目標表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響，并通過實驗驗證了只有較高的表面發(fā)射率才能保證紅外熱像儀測溫點的結論。根據(jù)這個結論，紅外靶標系統(tǒng)選擇表面發(fā)射率為0.94的碳纖維布作為紅外靶標的表面材料，保證了紅外靶標系統(tǒng)的精度。

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Influence of surface em issivity of objects on measuring accuracy of infrared thermal imagers

HU Jian-hong1，2，NING Fei1，SHEN Xiang-heng1，HE Geng-xian1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ineMechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

The theory of temperaturemeasurement by infrared imagers is introduced and the factors that influence the accuracy of infrared temperaturemeasurement are analyzed.The error curves of temperaturemeasurement at different surface emissivities are given.Using theoretical analysis，it is shown that the higher the surface emissivity of an object is，the more accurate the measuring accuracy of imager is.By changing the setting of surface emissivity，the corresponding total radiance luminance to surface emissivity is calculated.Analysing the results，the conclusion indicates that TP8 long wave thermal infrared imager can measure the temperature accurately when the surface emissivity is above 0.5.Finally，threematerialswhose surface emissivity is 0.96，0.93 or 0.3 aremeasured，respectively，and the result shows that a higher surface emissivity leads to a better temperaturemeasuring accuracy.

surface emissivity；infrared thermal imager；infrared temperaturemeasurement；temperaturemeasuring accuracy

TN216

：A

1674-2915（2010）02-0152-05

胡劍虹（1984—），男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事紅外目標模擬的研究。E-mail：zjuhjh＠126.com

2010-02-14；

2010-03-13