基于環(huán)境輻射的現(xiàn)場目標(biāo)發(fā)射率測量方法研究

李園園，屈惠明，劉文俊

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094)

1 引言

紅外熱成像測溫技術(shù)具有非接觸、直觀、靈敏度高(可分辨0．01℃的溫度差)、快速(幾毫秒內(nèi)測出目標(biāo)溫度)、測溫范圍廣(從－170～3200℃以上)、檢測距離可近可遠(yuǎn)、可實(shí)現(xiàn)夜視、安全等優(yōu)點(diǎn)［1］，不但在高壓電線巡檢、工業(yè)生產(chǎn)等民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而且在偵察與制導(dǎo)、偽裝設(shè)計(jì)與檢測等軍用領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。紅外熱像儀測溫主要受被測物體表面發(fā)射率的影響，但反射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、測量距離和大氣衰減等因素的影響也不容忽視。尤其是對物體表面發(fā)射率估計(jì)的不準(zhǔn)確，更影響溫度測量的精確性［2］。又因?yàn)榘l(fā)射率是輻射波長、溫度、方向以及表面狀態(tài)的函數(shù)，并在很大程度上取決于物體的表面狀態(tài)，因此在現(xiàn)場測量目標(biāo)的紅外輻射特性中，手冊中的數(shù)據(jù)就不可靠了。這就需要在現(xiàn)場對發(fā)射率進(jìn)行實(shí)際測量。本文提出一種現(xiàn)場測量常溫物體(8～14μm)波段發(fā)射率的方法，進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)測量，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 理論模型

在實(shí)際測量時(shí)，熱像儀接收到的有效輻射包括三個(gè)部分:目標(biāo)自身輻射、目標(biāo)對周圍環(huán)境反射輻射和大氣輻射，如下式所示［3－6］:

其中，L為到達(dá)探測器表面的輻射亮度;L0為目標(biāo)自身輻射亮度;ρ為目標(biāo)反射率;Ls為環(huán)境輻射;Lp為大氣輻射;大氣透過率為1。

紅外熱像儀的標(biāo)定模型為［6］:

式中，V為紅外熱像儀輸出值;Lf儀器本身雜散能量;α為紅外熱像儀亮度響應(yīng)度。由式(1)和式(2)可得:

其中，V0=αL0+Lf為只有目標(biāo)的輻射作用到探測器上時(shí)，紅外熱像儀輸出值;式Vs=αLs+Lf為單獨(dú)環(huán)境輻射作用到探測器上時(shí)，紅外熱像儀的輸出值。通過改變環(huán)境輻射得到兩組輸出:

式中，V'為改變后熱像儀輸出;V's為改變后環(huán)境輻射，其中環(huán)境輻射即為黑體輻射，通過改變黑體溫度達(dá)到改變環(huán)境輻射的目的。

由上組方程可得發(fā)射率ε:

以上從理論上證明了用改變環(huán)境輻射的辦法可測定目標(biāo)的反射率，進(jìn)而得到物體的發(fā)射率。

理論分析:在此我們認(rèn)為大氣輻射均勻分布且不隨時(shí)間改變，近距離大氣透過率為1，研究一段時(shí)間內(nèi)環(huán)境輻射改變情況下測量不透明目標(biāo)(近似灰體)的發(fā)射率。物體發(fā)射率被定義為真實(shí)物體的輻射能量與同條件同溫度下的黑體的輻射能量之比。由基爾霍夫定律，當(dāng)輻射能入射到物體表面時(shí)，包括三個(gè)過程:吸收、反射、透射。對于不透明表面，只包括吸收、反射兩個(gè)過程，其發(fā)射率等于熱吸收率，又有吸收率+反射率=1，可以得到，發(fā)射率=1－反射率。因此我們可以得到物質(zhì)的兩種測量目標(biāo)發(fā)射率的方法:直接測量和間接測量。

(1)將目標(biāo)與黑體置于同一條件同一溫度下，目標(biāo)輸出值與黑體輸出值之比即為目標(biāo)發(fā)射率。

(2)通過測量目標(biāo)反射率，間接地測量目標(biāo)發(fā)射率。

下面通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證無需測量目標(biāo)溫度的，基于人造環(huán)境影響的間接發(fā)射率測量方法的可行性及準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

3．1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)采用320×240 LWIR非制冷紅外熱像儀(8～14μm)，測量目標(biāo)輻射量;HFY－300A面源黑體，有效發(fā)射率0．95，用于標(biāo)定輸出響應(yīng)關(guān)系及提供人造環(huán)境熱源;分光鏡，在紅外波段具有半透半反效果;聚光鏡，把光束匯聚成小光斑。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

黑體的輻射光經(jīng)聚光鏡匯聚于分光鏡上，由分光鏡反射到達(dá)目標(biāo)，通過與目標(biāo)作用然后反射到達(dá)探測器，聚光鏡的作用是為了使到達(dá)目標(biāo)的輻射強(qiáng)烈而均勻。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3．2 輻射標(biāo)定

紅外熱像儀測量是建立在黑體輻射理論基礎(chǔ)上的定量測量，是以黑體輻射源為基準(zhǔn)輻射量進(jìn)行的對比測量。因此，紅外熱像儀在測試之前首先要以黑體輻射為基準(zhǔn)建立系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)。系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)是反映測量所得輸出信號與輸入輻射之間函數(shù)關(guān)系的，它由光學(xué)系統(tǒng)、電子線路和探測器的響應(yīng)率等因素決定。

在利用紅外熱像儀測量目標(biāo)的輻射特性前，應(yīng)先對其進(jìn)行輻射定標(biāo)，確定熱像儀的響應(yīng)度，紅外熱像儀的標(biāo)定模型如式(2)所示。黑體在波段λ1～λ2內(nèi)的輻射亮度，由普朗克公式可得［7］:

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室中利用黑體，在不同溫度下測量，給出一系列的輸出值，畫出目標(biāo)亮度與輸出值得輸出關(guān)系，通過最小二乘法對輸出值進(jìn)行線性擬合，得出紅外熱像儀的輻射亮度響應(yīng)關(guān)系。

針對Y=kX+b形式的最小二乘法擬合公式如下:

黑體溫度對應(yīng)的灰度與輻射亮度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 黑體溫度對應(yīng)的灰度和輻射亮度數(shù)據(jù)

輻射標(biāo)定曲線如圖2所示。

圖2 黑體輻射亮度與輸出值之間的關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)測量由最小二乘法得到該熱像儀的輻亮度響應(yīng)關(guān)系為:y=20．9672x－981．3774。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中選取了三種物質(zhì)分別是陶瓷、白紙和塑料板作為測量目標(biāo)。從發(fā)射率測量原理我們知道，發(fā)射率測量是以標(biāo)準(zhǔn)黑體為基準(zhǔn)，通過與被測樣品的比較求出材料的發(fā)射率。直接測量值是將目標(biāo)與黑體置于同一條件同一溫度下，黑體和目標(biāo)與探測器的距離0．5 m，目標(biāo)輸出值與黑體輸出值之比即為目標(biāo)發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)采用的紅外熱像儀的波段為μ ，因此測量的發(fā)射率即為波段發(fā)射率。每種材料重復(fù)測量5次，發(fā)射率取平均值。材料發(fā)射率測量值如表2所示。

表2 材料發(fā)射率測量值

表2列出分別對三種材料五次測量的發(fā)射率值，為了更能準(zhǔn)確地表示該測量方法測量結(jié)果的不確定程度，分別計(jì)算三組測量值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，利用公式(9)，它反映了數(shù)值相對于平均值的離散程度。不確定度小于2%，由此可以說明該方法測量的穩(wěn)定性較好。

圖3(a)為瓷板測量圖，圖中較亮部分為瓷板表面反射黑體所輻射的(8～14μm)紅外波段，提取圖像中該部分的灰度值，該值即為黑體輻射到瓷板上并通過瓷板表面反射到達(dá)探測器，探測器輸出值，改變黑體溫度，獲取不同環(huán)境輻射的灰度圖像，得到另一輸出值，并通過式(6)計(jì)算兩次環(huán)境輻射值，最后通過式(5)計(jì)算目標(biāo)發(fā)射率。表3是三組材料經(jīng)過多次測量得到的發(fā)射率值。

圖3 黑體輻射到瓷板的圖像及瓷板上黑體輻射部分的圖像

表3 目標(biāo)發(fā)射率測量數(shù)據(jù)

由表3觀察可知，物體的發(fā)射率實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為0．017(1．9%)，小于文獻(xiàn)［4］中的三種方法測量發(fā)射率的誤差±0．02和文獻(xiàn)［8］中多波長測量發(fā)射率的誤差5%;同時(shí)可以看出，材料的發(fā)射率越大，測量的誤差越小。與表2比較，利用該方法測量的值比直接測量值偏大。產(chǎn)生該情況的原因，由于測量距離較近，使探測器表面升溫，靈敏度下降，造成輸出延緩。測量誤差原因:①目標(biāo)表面平整度的不均勻性分布;②黑體表面輻射的不均勻性。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，對于目標(biāo)輻射特性的測量最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是大氣透過率測量，在文獻(xiàn)中給出了測量大氣透過測量的方法，大氣透過率測量不確定度約為6% ～10．5%，目標(biāo)輻射反演精度為0．1% ～3．4%。但存在的問題是，在反演目標(biāo)溫度時(shí)，需要已知目標(biāo)發(fā)射率，而在偽裝目標(biāo)特性測量中，發(fā)射率的測量也是首要和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此提高目標(biāo)發(fā)射率的測量，對提高目標(biāo)輻射反演精度有重要意義。通過上面的實(shí)驗(yàn)分析，該方法可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射率的精確測量。

5 結(jié)論

本文通過理論推導(dǎo)，得出測量物體發(fā)射率的公式，首先在推導(dǎo)過程中并沒有忽略或改變公式中的原有的表達(dá)式，保持了原公式的應(yīng)用條件和范圍，同時(shí)利用做差值得到所求量，避免了單次直接測量輻射量所產(chǎn)生的絕對誤差;其次本文在測量過程中不需要接觸被測目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量;最后，對偽裝目標(biāo)的探測及目標(biāo)紅外特性的測量，利用本文方法不需要已知被測目標(biāo)溫度，因?yàn)榘l(fā)射率的精確測量意味著溫度的精確測量。因此該方法具有良好的應(yīng)用前景。例如，偽裝目標(biāo)探測，利用主動(dòng)式輻射源測定目標(biāo)的發(fā)射率，進(jìn)而得到目標(biāo)與背景溫差，達(dá)到探測目的;在工業(yè)上，對于未知材料的非接觸測溫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障檢測。

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