觀測距離及視角對(duì)紅外熱輻射檢測的影響研究

周志成，魏 旭，謝天喜，唐 忠，崔昊楊

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觀測距離及視角對(duì)紅外熱輻射檢測的影響研究

周志成1，魏 旭1，謝天喜1，唐 忠2，崔昊楊2

（1. 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2. 上海電力學(xué)院，上海 200090）

觀測距離和視角是影響紅外熱輻射檢測精度的兩個(gè)關(guān)鍵參量。為評(píng)估觀測距離和視角對(duì)紅外熱像儀測溫精度的影響，實(shí)驗(yàn)測量了不同觀測距離和視角條件下的溫度，并對(duì)測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明隨著目標(biāo)的觀測距離和視角的增大，紅外熱像儀的測溫精度均出現(xiàn)一定程度降低，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合補(bǔ)償了距離和視角造成的誤差。

紅外熱輻射；溫度測量；觀測距離；視角

0 引言

紅外測溫由于具有非接觸檢測、靈敏度高、測溫范圍寬等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天遙感、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。特別是紅外熱像儀具備檢測目標(biāo)體的表面溫度場分布信息的功能，能夠?qū)⒛繕?biāo)的熱紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光，因此極大拓寬了人類的視野和視覺能力[3]。目前，在紅外熱像研究方面領(lǐng)域包括非均勻性校正、圖像增強(qiáng)、對(duì)比度增強(qiáng)等紅外圖像處理技術(shù)[3]，以及紅外熱像檢測過程中的精度校正技術(shù)等。其中，在紅外熱像檢測精度校正技術(shù)，主要研究了了環(huán)境高溫物體對(duì)紅外熱像儀測溫誤差的影響[4]、目標(biāo)距離和視場角變化對(duì)測溫精度影響[5]、距離對(duì)測溫精度的影響[6-7]、觀測視角對(duì)測溫結(jié)果影響[8]等幾個(gè)方面。

盡管這些研究對(duì)于紅外熱像儀的精度校正均取得了一定的效果，為紅外熱像的理論研究及實(shí)際應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)，但是上述研究往往只是對(duì)影響熱像儀測溫精度的距離或視角等因素開展單獨(dú)的影響研究。由于紅外熱像儀獲取的被測目標(biāo)體的表面溫度決定于根據(jù)接收到的熱輻射，而按照紅外輻射的大氣傳輸理論和紅外輻射度學(xué)可知[9]，觀測距離和觀測視角都是目標(biāo)體表面紅外輻射檢測中的關(guān)鍵參量，因此在實(shí)際的使用過程中，需要綜合考慮觀測距離或者觀測視角對(duì)紅外熱像檢測的影響，確定測溫精度與目標(biāo)距離、觀測視角之間的關(guān)系，從而能夠?qū)y量誤差進(jìn)行修正或補(bǔ)償。針對(duì)這一問題，本文開展了不同距離、不同觀測視角條件下的紅外熱輻射檢測研究。實(shí)驗(yàn)測量了距離及視角影響下的溫度誤差，并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償校正。

1 紅外輻射檢測基本理論

由紅外熱像儀檢測原理可知，紅外熱像儀是靠接收被測表面發(fā)射的輻射來確定其溫度和熱圖像，而紅外熱像儀探測器輸出的電壓信號(hào)則在很大程度上取決于在探測器焦平面上的輻射照度。由幾何光學(xué)和紅外目標(biāo)輻射理論，焦平面電壓輸出信號(hào)與視角的關(guān)系可表達(dá)為[5]：

式中：max、d、、￠分別為探測器的最大靈敏度、探測元面積、發(fā)射率和像方孔徑角；1、2是探測器探測波段范圍；1、2是普朗克數(shù)項(xiàng)；、()為透過率和相對(duì)靈敏度。從紅外目標(biāo)輻射理論也可以得出輸出信號(hào)隨觀測距離的變化關(guān)系為[6]：

式中：0為被測物體表面溫度；u為環(huán)境溫度。從公式(1)、(2)中可以看出，在影響紅外熱像儀測溫結(jié)果準(zhǔn)確性的影響因素大致有以下幾個(gè)方面：觀測距離、觀測視角、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度。在相同條件下，改變其中任何一種因素的值，均會(huì)使紅外熱像儀測量結(jié)果發(fā)生改變。以往的實(shí)驗(yàn)和理論研究均表明：紅外熱像儀測量結(jié)果同測溫距離、觀測視角的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，通過建立觀測距離與視角之間的對(duì)應(yīng)模型，就能在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)環(huán)境條件對(duì)熱像儀測溫進(jìn)行校正，這樣能提高已有紅外熱像儀的實(shí)用性。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為30℃，相對(duì)濕度為49%的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，圖1為實(shí)驗(yàn)測量觀測距離和視角對(duì)紅外輻射影響的原理圖。實(shí)驗(yàn)過程中選用的紅外輻射檢測裝置為IRT513-A型紅外熱像儀，工作波段為8～14mm，氧化釩探測器探測像元數(shù)為320×240，像元尺寸為38mm×38mm，成像形式選擇25Hz PAL制式，熱像儀的溫度分辨率為50mK@30℃，紅外熱像儀圖像信號(hào)通過網(wǎng)線連接到計(jì)算機(jī)。被測目標(biāo)即紅外輻射體為Fluke紅外黑體源。紅外黑體源放置于旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，再固定于導(dǎo)軌滑塊表面。通過導(dǎo)軌滑塊的移動(dòng)可以控制黑體源與紅外熱像儀的間距。在紅外熱像儀上、黑體源上分別固定激光二極管和光學(xué)反射鏡，通過激光二極管發(fā)射的激光和光學(xué)反射鏡反射回來激光在光路上重合，確保熱像儀鏡頭面和黑體源輻射面處于同軸平行狀態(tài)，并用作角度旋轉(zhuǎn)的初始零角度。云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度、導(dǎo)軌滑塊的移動(dòng)距離可由計(jì)算機(jī)編寫的程序進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上放置高性能數(shù)顯角度尺用以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的正確性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程中將黑體源的溫度設(shè)定為100℃，利用紅外熱像儀分別測量了黑體源與熱像儀在不同的間距、不同觀測視角條件下的溫度，每組測量重復(fù)3次取平均值以降低實(shí)驗(yàn)測量誤差。觀測距離（紅外熱像儀與紅外黑體源間距）的間距步長為1m，最遠(yuǎn)觀測距離為30m。觀測視角（紅外熱像儀探測平面與紅外黑體源輻射平面）范圍為－80°～80°，測量角度間隔為10°。圖2為不同觀測距離和視角條件下測量到的溫度值曲線，從中可以看出，在相同測量距離下，隨著觀測視角的變大，測量溫度值將出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這同以往文獻(xiàn)報(bào)道[8, 10]的結(jié)論相一致。這表明黑體或漫輻射物體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)，如果與法線成一定角度的視角去檢測，紅外輻射信號(hào)將出現(xiàn)衰減趨勢(shì)，且隨視角增大而大幅減小。另一方面，當(dāng)測量距離增大時(shí)，實(shí)驗(yàn)測量值也將出現(xiàn)下降趨勢(shì)，如當(dāng)觀測距離達(dá)到30m時(shí)，即使在黑體輻射法線方向測量到的溫度值也只有80℃左右，相對(duì)誤差為20%，測量絕對(duì)誤差較大，無法達(dá)到測溫精度要求。這種誤差的產(chǎn)生可以歸因?yàn)殡S著距離的增大導(dǎo)致的大氣透過率減小，以及由于距離增大時(shí)，目標(biāo)尺寸相對(duì)于瞬時(shí)視場面積減小導(dǎo)致的輸出信號(hào)降低所致[6]。

圖1 觀測距離及視角對(duì)紅外輻射檢測影響實(shí)驗(yàn)測量裝置圖

圖2 不同觀測距離和視角條件下測量到的溫度值及擬合曲線

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析可知，利用紅外熱像儀監(jiān)測目標(biāo)物體的紅外輻射時(shí)，觀測距離、觀測視角對(duì)于結(jié)果均存在較大的影響，這就有必要找出距離、視角與紅外輻射檢測之間的關(guān)系，并以此對(duì)上述誤差進(jìn)行校正。對(duì)于觀測視角而言，當(dāng)考慮紅外熱像成像系統(tǒng)不存在斜光束漸暈時(shí)，觀測視角為的像面照度與法線方向上的像面照度￠關(guān)系可以寫為[5]：＝￠cos4；對(duì)于觀測距離而言，可采用多項(xiàng)式的形式進(jìn)行擬合[6]?？紤]到觀測距離及觀測的視角對(duì)紅外輻射檢測均存在一定的影響，由此得到距離、視角與測溫結(jié)果之間的關(guān)系式：

(,)＝0cos－－2(3)

式中：0為紅外輻射體表面真實(shí)溫度；為觀測視角即熱像儀鏡頭法線與黑體源輻射面法線夾角；為熱像儀鏡頭與黑體源輻射面的間距；是觀測角余旋冪指數(shù)系數(shù)；、分別是觀測距離一次項(xiàng)和二次項(xiàng)的系數(shù)。將、、作為擬合系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。可以看出，當(dāng)距離的較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了較好的擬合結(jié)果，但在大觀測角度時(shí)，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，誤差隨著觀測視角的增大而增大。如在2m的觀測距離下，在(－60°, 60°)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到很好的擬合，但在±60°以外，誤差逐漸增大。隨著觀測距離的增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果的最大符合視角逐漸減小，在30m觀測距離下，最大符合視角只有±30°左右。

利用公式(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可以得到夾角余旋冪指數(shù)系數(shù)為4.5，觀測距離一次項(xiàng)系數(shù)為0.3205、二次項(xiàng)系數(shù)取值為0.01103。在利用公式(3)以及上述參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)觀測距離為2m時(shí)不同觀測視角下實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，得到了校正后的數(shù)據(jù)曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯趯?shí)驗(yàn)檢測允許的誤差范圍內(nèi)（±2℃），經(jīng)過校正后的數(shù)據(jù)使得最大允許觀測視角達(dá)到了±65 ，而實(shí)驗(yàn)直接測量時(shí)的最大允許觀測視角范圍只有約±30 。這說明采用上述理論公式可以在一定程度上擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)觀測視角，降低了由于視角帶來的誤差。另一方面，受到紅外熱像儀性能的影響以及實(shí)際環(huán)境因素的影響，可以看出距離、視角與測溫結(jié)果之間的實(shí)際公式大體上與理論公式還存在一定的誤差。從公式(1)中可知，焦平面輸出信號(hào)與視角在理論上成余旋4次方關(guān)系，但對(duì)實(shí)際測量數(shù)據(jù)的擬合得到的值為4.5次方。這可以歸結(jié)為當(dāng)觀測距離和視角越大時(shí)，被測物體發(fā)射率變化導(dǎo)致熱像儀接受到的熱輻射越少，從而產(chǎn)生了熱像儀表觀溫度值與理論值之間的誤差。而對(duì)于輸出信號(hào)與距離的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)與理論公式也存在一定的誤差值，這可以歸因?yàn)殡S著距離的增大，大氣透過率減小以及熱像儀的瞬時(shí)視場角面積增大而導(dǎo)致的熱輻射衰減。通過本文建立的觀測距離與視角之間的對(duì)應(yīng)模型，可根據(jù)環(huán)境條件對(duì)熱像儀測溫進(jìn)行一定的校正，以此提高了已有紅外熱像儀的實(shí)用性。

圖3 觀測距離為2m時(shí)不同視角下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、擬合線和校正后結(jié)果

為進(jìn)一步體現(xiàn)觀測距離和觀測視角對(duì)目標(biāo)體表面紅外輻射檢測的影響，利用公式(3)及擬合獲取到的數(shù)據(jù)仿真了不同觀測距離和不同觀測視角條件下相對(duì)溫度的空間分布，如圖4所示。其中橫坐標(biāo)分別為觀測距離和觀測視角。圖4的仿真結(jié)果同樣表明，隨著觀測距離的增大，相對(duì)溫度值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖5(a)所示。而隨著觀測視角的增大，相對(duì)溫度值也同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，如圖5(b)所示。上述結(jié)果表明，為準(zhǔn)確獲取紅外輻射體表面溫度，觀測距離越遠(yuǎn)，可選擇的觀測視角應(yīng)越小。這主要是由于在較遠(yuǎn)的觀測距離和較大觀測視角條件下，目標(biāo)尺寸相對(duì)于瞬時(shí)視場面積減小導(dǎo)致，距離越遠(yuǎn)，觀測視角越大，目標(biāo)尺寸在瞬時(shí)視場中的面積越小，紅外輻射信號(hào)也就越小，相應(yīng)地檢測到的溫度值越低。當(dāng)觀測視角達(dá)到一定程度后，目標(biāo)尺寸的有效面積在瞬時(shí)視場中已經(jīng)較難分辨，造成測溫結(jié)果可靠性急劇下降。在更大的觀測距離和觀測視角條件下，檢測到的溫度值將接近于環(huán)境溫度值，紅外熱像儀對(duì)于輻射源的分辨能力也將進(jìn)一步降低。

圖4 不同觀測距離和視角條件下相對(duì)溫度空間分布

4 結(jié)論

觀測距離及觀測的視角對(duì)紅外輻射檢測均存在一定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論仿真結(jié)果均表明：隨著觀測距離的增加，紅外輻射在大氣中的透過率將減小，同時(shí)隨著觀測距離增大，目標(biāo)尺寸相對(duì)于瞬時(shí)視場面積將減小，從而導(dǎo)致的輸出信號(hào)降低，紅外熱像儀探測到的溫度值將偏小。另一方面，隨著紅外熱像儀檢測像面法線與黑體源輻射表面法線夾角的增大，目標(biāo)尺寸相對(duì)于瞬時(shí)視場面積也將減小，同樣導(dǎo)致紅外熱像儀探測到的溫度值偏低。此外，隨著觀測距離的增大，允許的最大觀測視角并非是固定值，而是出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。在紅外熱輻射的檢測過程中，檢測距離不應(yīng)該超過允許的范圍，同時(shí)應(yīng)盡量選擇在被測目標(biāo)體表面的法線方向檢測。本研究能夠?qū)t外熱像隨目標(biāo)觀測距離和視角影響造成的誤差進(jìn)行較好的補(bǔ)償，從而對(duì)于紅外熱輻射檢測具有現(xiàn)實(shí)的意義。

圖5 不同距離及不同視角下的溫度分布曲線

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Influence of Observation Distance and Angle of View on the Detection Accuracy of Infrared Thermal Radiation

ZHOU Zhicheng1，WEI Xu1，XIE Tianxi1，TANG Zhong2，CUI Haoyang2

(1.,211103,; 2.,200090,)

Observation distance and the angle of view are the key parameters influencing the detection accuracy of infrared thermal radiation. In order to evaluate the effects of the observation distance and the angle of view on the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager, the temperature had been measured at different observation distances and the angles of view, and the experimental data were analyzed. The results show that the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager is reduced with the increase of the observation distance and the angle of view. The measurement error caused by distance and angle of view had been compensated.

infrared thermal radiation，temperature measurement，observation distance，angle of view

TN215, TN219

A

1001-8891(2017)01-0086-05

2016-03-02；

2016-12-07.

周志成（1977-），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事防雷與接地，過電壓分析、輸變電設(shè)備狀態(tài)診斷、輸電線路技術(shù)研究及管理等方面的研究，E-mail：simencola@sohu.com。

崔昊楊（1978-），男，教授，博士，從事紅外檢測研究，E-mail：cuihy@shiep.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61107081），上海市科委地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目資助課題（15110500900, 14110500900）。