紅外測溫過程中灰度值漂移的修正

孫志遠(yuǎn)，朱 瑋，喬彥峰

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

紅外測溫過程中灰度值漂移的修正

孫志遠(yuǎn)，朱 瑋，喬彥峰

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

對基于中波紅外焦平面探測器實現(xiàn)目標(biāo)的表面溫度測量進(jìn)行了理論及實驗研究。介紹了紅外測溫系統(tǒng)的組成和測量原理，建立了紅外探測器測溫模型。分析了標(biāo)定過程中出現(xiàn)的紅外探測器灰度值漂移現(xiàn)象，通過4種不同的實驗方法總結(jié)了紅外探測器灰度值漂移的規(guī)律，根據(jù)這些漂移規(guī)律提出了漂移補(bǔ)償?shù)姆椒?。最后，以黑體為目標(biāo)進(jìn)行了測溫實驗。結(jié)果顯示，漂移補(bǔ)償前后的測溫誤差分別為1.965℃和0.335℃，表明測溫精度得到了很大的改善。

紅外探測器；紅外測溫；灰度值漂移；漂移補(bǔ)償

1 引 言

自然界中溫度在絕對零度以上的物體均會發(fā)出熱輻射。通過紅外探測器對物體的熱輻射進(jìn)行探測，將物體熱輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，即可將物體表面溫度的空間分布經(jīng)電子系統(tǒng)處理，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖，即溫度場。運用這一方法，能對目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱成像和測溫，進(jìn)一步利用黑體對紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定后，即可實現(xiàn)對物體表面溫度的準(zhǔn)確測量［1～5］。由于根據(jù)目標(biāo)的表面溫度就可以計算目標(biāo)的輻射強(qiáng)度和輻射亮度等其它輻射特性，所以該項技術(shù)在輻射測量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在使用黑體標(biāo)定測溫曲線的過程中發(fā)現(xiàn)：隨著測量時間的增加，紅外探測器像元的能量近似線性增加，即紅外探測器的像元產(chǎn)生了灰度值漂移。本文主要研究這種灰度值漂移對溫度測量精度的影響，通過實驗總結(jié)了紅外探測器灰度值漂移的規(guī)律并提出了補(bǔ)償方法，從而改善了測溫精度。

2 系統(tǒng)的組成與測量原理

2.1 系統(tǒng)的組成

紅外測溫系統(tǒng)由紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源等部分組成。

1）紅外光學(xué)系統(tǒng)

紅外光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：

口徑：50 mm；

焦距：100 mm；

視場大小：5.4°×4.3°。

2）紅外探測器

探測器組件為制冷型中波紅外探測器，材料為碲鎘汞（HgCdTe），主要參數(shù)如下：

響應(yīng)波段：3.7～4.8μm；

光敏面像元數(shù)：640（H）×512（V）；

像元尺寸：15μm×15μm；

制冷方式：斯特林制冷。

3）標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源

選用CI公司的SR-800高精度面黑體，主要技術(shù)參數(shù)如下：

可設(shè)溫度：-25～125℃；

溫度穩(wěn)定度：±0.001℃。

2.2 基于紅外探測器的測溫模型建立

輻射源的面積為As，與紅外系統(tǒng)的距離為l，輻射源通過紅外光學(xué)系統(tǒng)在探測器上成像的面積為Ai，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)通過紅外光學(xué)系統(tǒng)成像時的物像關(guān)系

通過理論推導(dǎo)得到，表面溫度為T，發(fā)射率為ε（λ，T）的擴(kuò)展源在紅外探測器像面上形成的圖像灰度值可以表示為［6～8］：

式中：G為系統(tǒng)增益；R（λ）為紅外探測器的光譜響應(yīng)率；E′（λ，T）為像元的輻射照度；D/f為系統(tǒng)的相對孔徑；τopt和τair分別為光學(xué)系統(tǒng)的透過率和大氣透過率；M（λ，T）為目標(biāo)的輻射出射度。

3 紅外探測器的灰度值漂移

3.1 紅外探測器灰度值漂移概述

將黑體溫度設(shè)置在25℃，待溫度穩(wěn)定后放置在紅外相機(jī)的鏡頭前，以紅外相機(jī)開機(jī)并完成非均勻校正的時刻為“零時刻”，每隔10 min進(jìn)行一次紅外圖像的采集。使用matlab中的plot工具畫出探測器中心像元灰度值隨時間的變化曲線，本文稱為探測器像元的漂移曲線，如圖2所示，橫坐標(biāo)為測量時間（單位為：min），縱坐標(biāo)為探測器像元的灰度值。

圖2 紅外探測器中心像元的漂移曲線

從圖中可以看出，紅外探測器像元的響應(yīng)灰度值隨測量時間的增加而增加，即紅外探測器像元在跟蹤測量過程中存在灰度值漂移（以下簡稱漂移）。擬合得到圖2所示的漂移曲線的方程為

從公式可以看出，漂移曲線近似線性。

使用開機(jī)時刻獲得的標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合得到中心像元的測量曲線，利用該測量曲線計算25℃黑體在不同時刻的溫度值，如表1所示。

表1 探測器像元漂移引起的測溫誤差Tab.1 M easurement error caused by drift of infrared detector

從上表可以看出，紅外探測器的漂移特性對測溫結(jié)果有較大影響，灰度值漂移的補(bǔ)償是提高紅外測溫精度的重點。本文通過實驗總結(jié)了紅外探測器灰度值漂移的規(guī)律。

3.2 灰度值漂移規(guī)律總結(jié)

（1）漂移曲線的重復(fù)性實驗

對探測器中心像元的漂移曲線進(jìn)行多次重復(fù)測量，得到曲線如圖3所示。從圖中可以看出，相同的實驗條件，3次漂移實驗的漂移曲線規(guī)律相似。

圖3 3次相同實驗擬合得到的漂移曲線的對比

（2）目標(biāo)源溫度不同時紅外相機(jī)漂移曲線比較

將黑體的溫度分別設(shè)定在15、20、25和30℃，放置在紅外鏡頭前，探測器中心像元的漂移曲線如圖4所示。從圖中可以看出，目標(biāo)溫度不同時，紅外探測器的漂移曲線是平行的，只是由于目標(biāo)能量的差異使漂移曲線的起始點不同。

圖4 目標(biāo)源溫度不同時的漂移曲線比較

（3）不同環(huán)境溫度漂移曲線

將紅外相機(jī)放入恒溫箱中，將恒溫箱的溫度分別設(shè)定為0、30和40℃，分別畫出不同溫度下紅外探測器中心像元的漂移曲線，將這3次實驗得到的漂移曲線與室溫（約22℃）條件下的漂移曲線比較，得到圖5。

將圖5中的其它曲線向0℃曲線平移后得到圖6，從圖6中可以看出，環(huán)境溫度越高，漂移曲線的斜率越大。當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，紅外相機(jī)的漂移很小。

圖5 不同環(huán)境溫度下漂移曲線的比較

圖6 圖5中曲線平移后

圖7 長時間漂移實驗

（4）長時間漂移實驗

對紅外相機(jī)作長時間的漂移實驗約6 h，在探測器中心像元附近選擇3個像元，畫出它們的漂移曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，漂移曲線在250 min左右趨于平緩。

根據(jù)以上實驗總結(jié)出了紅外探測器像元的漂移規(guī)律：

（1）環(huán)境溫度變化不大時，探測器像元在幾次測量下得到的漂移曲線規(guī)律是近似相同的。

（2）探測器像元的漂移規(guī)律與目標(biāo)源的溫度無關(guān)。

（3）環(huán)境溫度不同時，探測器像元的漂移曲線斜率不同，而且環(huán)境溫度越高，漂移曲線的斜率越大，環(huán)境溫度接近0℃時，漂移曲線近似一條與時間軸平行的直線，即探測器像元的漂移很小。

（4）開機(jī)較長一段時間以后，探測器像元的漂移曲線趨于平緩。

3.3 漂移補(bǔ)償方法

根據(jù)上述灰度值漂移規(guī)律，本文提出以下兩種補(bǔ)償方法：

（1）根據(jù)環(huán)境溫度變化不大，紅外探測器像元的漂移曲線規(guī)律近似相同這一規(guī)律，測量前可使用黑體擬合出探測器像元的漂移曲線，在環(huán)境溫度變化不大的情況下使用該漂移曲線。

（2）在測量間隙，將溫度近似穩(wěn)定的物體（如紅外相機(jī)的鏡頭蓋）擋在鏡頭前，擬合出該次測量的漂移曲線。

擬合出漂移曲線后根據(jù)記錄的開機(jī)時間和數(shù)據(jù)采集時間就可以計算該段時間內(nèi)目標(biāo)像元灰度值的變化量，消除該漂移量，即可準(zhǔn)確確定目標(biāo)像元的真實響應(yīng)灰度值。

4 實驗部分

以黑體為目標(biāo)進(jìn)行測溫實驗，將黑體放置在平行光管的焦平面處模擬遠(yuǎn)距離目標(biāo)，計算了黑體的測溫精度。

4.1 實驗設(shè)備及實驗過程

實驗設(shè)備主要有高精度面黑體及平行光管。

（1）兩個面黑體：以CI公司的SR-800寬范圍高精度面黑體作為標(biāo)定源，以另一臺大面陣黑體作為目標(biāo)進(jìn)行測溫實驗。

（2）平行光管：平行光管由兩個離軸反射鏡組成，口徑為600 mm，焦距為6 m，兩個反射鏡反射率的理論值均為0.95。

實驗室的環(huán)境溫度約為18.5℃，在環(huán)境溫度-5～+10℃內(nèi)進(jìn)行了測溫實驗，實驗主要有以下幾個步驟：

（1）非均勻校正：將鏡頭蓋作為校正源，積分時間選擇為2.5 ms，執(zhí)行單點校正命令，校正后下傳校正系數(shù)表。

（2）標(biāo)定過程：將SR-800寬范圍高精度面黑體放置在紅外相機(jī)鏡頭前，設(shè)定標(biāo)定溫度為14～28℃，標(biāo)定間隔為2℃，將黑體放置在鏡頭前標(biāo)定。

（3）漂移數(shù)據(jù)采集：以非均勻校正后開始采集紅外圖像的時刻為“零時刻”，蓋上相機(jī)的鏡頭蓋（近似地認(rèn)為鏡頭蓋的溫度恒定），每隔20 min進(jìn)行一次鏡頭蓋圖像的采集。

（4）測量過程：將大面陣黑體放置在平行光管的焦平面處，通過平行光管成像，設(shè)定大面陣黑體的溫度值分別為14、15、16……28℃，采集各溫度點的紅外圖像，將14～28℃，間隔1℃的所有溫度點的圖像采集過程為一組，共循環(huán)測量4組，用時約2 h。

4.2 實驗結(jié)果

在目標(biāo)圖像上選擇一點進(jìn)行測溫實驗，分別計算漂移補(bǔ)償前后的測溫誤差，統(tǒng)計每一組測溫誤差的均方根值，單位為℃，結(jié)果如表2所示。

表2 漂移補(bǔ)償前后的測溫誤差Tab.2 M easurement errors before and after drift com pensation

經(jīng)計算，漂移補(bǔ)償前，4組數(shù)據(jù)測溫誤差的平均值為1.965℃；而漂移補(bǔ)償后為0.335℃，測溫精度得到了較大的改善。

5 結(jié) 論

針對由于紅外相機(jī)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)緊湊，散熱性不好，導(dǎo)致紅外相機(jī)存在灰度值漂移，從而影響測溫精度的問題，本文實驗研究了影響紅外探測器測試精度的灰度值漂移并提出了漂移補(bǔ)償?shù)姆椒?。以黑體為目標(biāo)進(jìn)行了測溫實驗，結(jié)果表明，漂移補(bǔ)償后，測溫精度得到了很大的提高。

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Amendment of gray drift in infrared tem peraturemeasurement

SUN Zhi-yuan，ZHUWei，QIAO Yan-feng
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

The surface temperaturemeasurement of temperature target based on amedium wave infrared detector was researched theoretically and experimentally in this paper.The constitution and measurement principle of the system were introduced and a temperaturemeasurementmodel for the infrared detectorwas established.The gray drift characteristics of the infrared detector in a calibration were analyzed，and the drift disciplinarianswere summarized by four kinds of different experiments.Meanwhile，the drift compensation method was proposed based on the drift disciplinarians.Finally，a temperaturemeasurement experiment was carried out，and the results show that themeasurement error before and after drift compensations are 1.965℃and 0.335℃，respectively，which indicates that themeasurement precision has been improved in a great degree after the compensation.

infrared detector；infrared temperaturemeasurement；gray drift；drift compensation

2010-04-16；

2010-06-26

TN219

A

1674-2915（2010）04-0391-06

孫志遠(yuǎn)（1982—），男，遼寧沈陽人，博士研究生，主要從事紅外輻射測量方面的研究。

E-mail：zhiyuansun1982＠yahoo.com.cn