基于中波紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)研究

傅 強(qiáng) 何鎖純 董 斐 周 陽(yáng) 劉 晗

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

在日常生活、工業(yè)制造等眾多領(lǐng)域，溫度的測(cè)量與控制時(shí)刻都在進(jìn)行，因此溫度測(cè)量應(yīng)用極其廣泛，在溫度測(cè)量技術(shù)上國(guó)內(nèi)外眾多的研究人員也開(kāi)展了大量的研究工作。當(dāng)前，比較常用的溫度測(cè)量方法主要分為兩大類：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量應(yīng)用最為廣泛的是熱電阻、熱電偶測(cè)溫，兩者都是點(diǎn)式測(cè)溫，通過(guò)與被測(cè)物體單點(diǎn)接觸進(jìn)行測(cè)溫，只能反映物體某一點(diǎn)的溫度，當(dāng)需要測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度時(shí)，需要安裝大量的溫度傳感器同時(shí)配備多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用中極其不便。而且由于是接觸式測(cè)量，需要與被測(cè)物體熱平衡，因此會(huì)對(duì)物體溫度分布產(chǎn)生影響。此外，由溫度傳感器的材質(zhì)所決定，不能應(yīng)用于溫度極高的測(cè)量場(chǎng)合[1]。

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展研究的一個(gè)熱門(mén)方向，在眾多領(lǐng)域也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。紅外測(cè)溫主要具有以下特點(diǎn)[2]：

(1)無(wú)需與被測(cè)物體接觸，不會(huì)影響物體的溫度分布，同時(shí)可應(yīng)用于危險(xiǎn)場(chǎng)合以保證人身安全。

(2)測(cè)溫速度很快，測(cè)溫系統(tǒng)與被測(cè)物體間無(wú)需熱平衡，可應(yīng)用于溫度變化較快的目標(biāo)溫度測(cè)量。

(3)測(cè)溫范圍很寬，從零下幾十度到一千多度的溫度范圍均可測(cè)量。

(4)不同于點(diǎn)測(cè)量，紅外測(cè)溫可以測(cè)量被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布。

(5)可以測(cè)量微小目標(biāo)的溫度，無(wú)論目標(biāo)是近距離或遠(yuǎn)距離均可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量[3]。

按照測(cè)溫方式的不同，紅外測(cè)溫技術(shù)可大致分為兩類：基于逐點(diǎn)分析的紅外測(cè)溫設(shè)備和基于全場(chǎng)分析的測(cè)溫設(shè)備[4]。其中，基于全場(chǎng)分析的測(cè)溫系統(tǒng)基于紅外熱成像的原理來(lái)測(cè)溫，所以也稱為熱成像測(cè)溫系統(tǒng)。其利用待測(cè)物體發(fā)出的紅外線通過(guò)紅外光學(xué)鏡頭匯聚成像到紅外焦平面探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步圖像處理后輸出待測(cè)物體的紅外灰度圖像，然后根據(jù)圖像灰度值以及溫度定標(biāo)參數(shù)等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體溫度場(chǎng)分布的測(cè)量。基于全場(chǎng)分析的測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體多個(gè)區(qū)域和多個(gè)物體的溫度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)較大面積的區(qū)域測(cè)溫，為分析目標(biāo)物體溫度狀態(tài)提供了便利條件，因此成為了當(dāng)前比較熱門(mén)的研究方向。本文研究的就是基于紅外熱成像的全場(chǎng)溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

此外，在國(guó)防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)以及日常生活等諸多領(lǐng)域，氣體檢測(cè)的應(yīng)用也很廣泛?；跓岢上竦募t外氣體檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非直接接觸的氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有靈敏度很高、測(cè)量范圍較寬、工作狀態(tài)穩(wěn)定、外界干擾影響小等優(yōu)點(diǎn)，尤其在用于監(jiān)測(cè)高溫?zé)煔獾群趸細(xì)怏w方面，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，因二氧化碳?xì)怏w的紅外吸收峰位于中波紅外波段(3.7μm～4.8μm)，目前市場(chǎng)上常用的紅外測(cè)溫系統(tǒng)多為長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)，無(wú)法覆蓋該波段，因此中波紅外氣體檢測(cè)及測(cè)溫系統(tǒng)成為當(dāng)今主流的氣體檢測(cè)手段之一。

由于紅外測(cè)溫特別是中波紅外測(cè)溫的以上這些優(yōu)勢(shì)，其在國(guó)防、鋼鐵、電力、石化等方面均擁有廣泛的應(yīng)用前景。

2 中波紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中波紅外熱像儀工作原理是通過(guò)中波紅外光學(xué)鏡頭將遠(yuǎn)距離目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射光線匯聚成像在探測(cè)器的焦平面上，處于焦平面上的HgCdTe光敏材料接收光線匯聚形成的輻射能量，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)強(qiáng)度的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)探測(cè)器成像電子學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)并輸出。紅外熱像儀主要由光學(xué)成像系統(tǒng)(考慮光學(xué)頭罩)、紅外探測(cè)器組件、電子學(xué)系統(tǒng)、鏡頭及本體結(jié)構(gòu)組成。

2.1 光學(xué)成像系統(tǒng)

光學(xué)成像系統(tǒng)采用透射式一次成像結(jié)構(gòu)，用于將目標(biāo)的特征信息成像在鏡頭焦平面上，鏡頭通過(guò)選擇合適的結(jié)構(gòu)材料和透鏡材料實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

2.2 紅外探測(cè)器組件

制冷型中波紅外焦平面探測(cè)器組件，用于接收光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的目標(biāo)紅外輻射信息，轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)的電信號(hào)。紅外焦平面探測(cè)器組件作為成像系統(tǒng)的探測(cè)器件，為成像系統(tǒng)提供原始紅外視頻信號(hào)，本文采用的是320×256分辨率中波紅外探測(cè)器。

2.3 電子學(xué)系統(tǒng)

電子學(xué)系統(tǒng)主要由探測(cè)器成像電路、信號(hào)處理電路、電源及控制電路組成，主要負(fù)責(zé)提供探測(cè)器的偏置電壓和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，并對(duì)探測(cè)器輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、輸出圖像數(shù)據(jù)，并完成與外部系統(tǒng)的通訊和控制工作。

系統(tǒng)以FPGA為視頻處理核心，輔以外圍信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、控制接口、視頻傳輸接口以及電源變換等電路完成紅外探測(cè)的驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集、功能控制、視頻處理、視頻輸出等功能。紅外視頻處理系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在一定驅(qū)動(dòng)時(shí)序下紅外焦平面完成紅外視頻信號(hào)的積分輸出，進(jìn)行同步A/D 轉(zhuǎn)換，將處理完的數(shù)據(jù)輸出到下一級(jí)FPGA圖象處理電路單元。信號(hào)處理電路根據(jù)外部指令將上級(jí)的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行一系列的視頻處理(主要包括：非均勻性校正，盲元替換，視頻增強(qiáng)，亮度調(diào)節(jié)等)，處理后的數(shù)字視頻信號(hào)將通過(guò)數(shù)字視頻接口(Cameralink)輸出，同時(shí)也可經(jīng)過(guò)視頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)PAL制模擬視頻。

圖1 紅外視頻處理系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Infrared image process system principle chart

2.4 鏡頭及本體結(jié)構(gòu)

鏡頭及本體結(jié)構(gòu)包括鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)、主體框架、連接法蘭等部分，主要用于光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)的安裝以及與外部的連接。

3 輻射定標(biāo)技術(shù)研究

本文中，中波紅外熱像儀輸出的是被測(cè)場(chǎng)景紅外輻射成像生成的灰度圖，無(wú)法直接輸出溫度數(shù)據(jù)，需要將圖像的灰度按照一定的映射關(guān)系利用特定轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出溫度值，而這個(gè)映射關(guān)系需要通過(guò)紅外輻射定標(biāo)方法來(lái)完成。

紅外焦平面探測(cè)器輸出的圖像經(jīng)過(guò)非均勻性校正、盲元替換等圖像處理步驟后輸出的灰度圖像，包含有目標(biāo)物體表面發(fā)出的紅外熱輻射分布信息，即含有目標(biāo)物體的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，但是由于目標(biāo)物體溫度與紅外探測(cè)器接收到的目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射呈非線性關(guān)系，而且受物體表面發(fā)射率、周圍環(huán)境溫度、紅外熱像儀內(nèi)部輻射等多種復(fù)雜因素的影響，我們無(wú)法直接由紅外熱像儀灰度圖像得到目標(biāo)物體溫度值，而需通過(guò)間接的定標(biāo)方法來(lái)建立灰度圖像與目標(biāo)溫度的映射關(guān)系。定標(biāo)通常是以高精度、發(fā)射率接近于1的面源黑體為基準(zhǔn)，采集紅外熱像儀在不同黑體溫度下的灰度圖像，然后利用圖像的灰度和黑體實(shí)際溫度進(jìn)行擬合，再輔以環(huán)境輻射修正等措施，得到灰度-溫度關(guān)系曲線。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，利用定標(biāo)得到的擬合曲線和公式，根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的圖像灰度值計(jì)算得到目標(biāo)溫度，完成測(cè)溫過(guò)程。

3.1 輻射定標(biāo)的原理分析

輻射定標(biāo)主要是為定量獲取紅外熱像儀輸入輻亮度與熱像儀輸出圖像灰度的映射關(guān)系。對(duì)于紅外焦平面陣列，探測(cè)器的一個(gè)像元在某個(gè)光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)為[5]

(1)

(2)

基于式(2)，可將式(1)簡(jiǎn)化成

(3)

因此在中波紅外波段(3.7μm～4.8μm)的較窄帶寬情況下，紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)Se(λ)可近似認(rèn)為與被測(cè)目標(biāo)輻亮度成正比。從式(3)可知，在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，探測(cè)器必須要與定標(biāo)過(guò)程時(shí)的積分時(shí)間保持一致，否則定標(biāo)數(shù)據(jù)將不再有效。

3.2 近距離面源黑體定標(biāo)方法

常用的定標(biāo)方法主要為近距離面源黑體定標(biāo)[6]。近距離面源黑體定標(biāo)方法主要是利用黑體輻射源與紅外熱像儀近距離靠近，使黑體面源覆蓋紅外熱像儀的整個(gè)視場(chǎng)。由于黑體與紅外熱像儀距離很近，因此可忽略光路中大氣衰減和其它背景的干擾，則紅外熱像儀的光學(xué)鏡頭入瞳輻亮度為

L=Lb

(4)

式中:Lb——黑體輻亮度。在波長(zhǎng)λ2-λ1波段內(nèi)的黑體輻亮度為

(5)

式中:Mb——黑體總輻射量;c1和c2——常量。紅外熱像儀的輻亮度響應(yīng)度為

(6)

式中:V——紅外熱像儀的輸出圖像灰度值。

采用近距離面源黑體定標(biāo)法進(jìn)行定標(biāo)時(shí)，需要將面源黑體與紅外熱像儀盡量接近并將二者放置到同一個(gè)水平面上，將紅外熱像儀開(kāi)機(jī)運(yùn)行較長(zhǎng)一段時(shí)間，待紅外熱像儀輸出圖像灰度穩(wěn)定不再漂移后，設(shè)定黑體溫度值并等待黑體實(shí)際溫度穩(wěn)定后記錄下黑體的當(dāng)前溫度值，同時(shí)利用灰度圖像采集系統(tǒng)采集并保存熱像儀輸出灰度圖像。接著按照一定的步長(zhǎng)設(shè)置黑體溫度，使黑體溫度逐步升高，具體步長(zhǎng)可根據(jù)系統(tǒng)測(cè)溫范圍、測(cè)溫準(zhǔn)確度等實(shí)際情況進(jìn)行確定。黑體溫度穩(wěn)定后再次記錄黑體溫度并保存輸出灰度圖像，重復(fù)進(jìn)行該步驟獲取一定數(shù)量的樣本，供后續(xù)處理軟件完成定標(biāo)數(shù)據(jù)擬合。

3.3 環(huán)境輻射對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度的影響及修正

利用紅外熱像儀對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行成像并根據(jù)輻射特性測(cè)量目標(biāo)溫度時(shí)，紅外探測(cè)器接收的紅外輻射能量不僅包含目標(biāo)物體本身的輻射，還包含環(huán)境輻射被目標(biāo)物體表面反射的能量、被測(cè)目標(biāo)與紅外熱像儀之間的大氣輻射以及紅外熱像儀內(nèi)部產(chǎn)生的雜散能量。

3.3.1 目標(biāo)物體反射的環(huán)境輻射：該能量主要由周圍環(huán)境發(fā)出的部分輻射能量經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體表面的反射而進(jìn)入紅外探測(cè)器，其能量大小取決于目標(biāo)物體表面的散射特征和環(huán)境溫度等因素。

3.3.2 大氣輻射：目標(biāo)物體與紅外熱像儀之間的大氣輻射出的能量進(jìn)入紅外探測(cè)器后，會(huì)對(duì)探測(cè)器造成能量的疊加。

3.3.3 紅外熱像儀內(nèi)部的雜散能量：由于光學(xué)系統(tǒng)的冷光欄效率無(wú)法達(dá)到100%，因此熱像儀內(nèi)部會(huì)有一部分雜散輻射能量通過(guò)冷光欄而進(jìn)入到探測(cè)器中造成能量疊加，該部分能量沒(méi)有經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)。

本文主要考慮紅外熱像儀內(nèi)部雜散能量的影響并對(duì)此做出修正。將紅外熱像儀在常溫環(huán)境中開(kāi)機(jī)運(yùn)行，同時(shí)記錄熱像儀電子學(xué)系統(tǒng)反饋的內(nèi)部溫度值Tinter和輸出圖像平均灰度值，依此方法獲取一定數(shù)量的樣本點(diǎn)，供后續(xù)處理軟件進(jìn)行擬合并得到修正曲線方程。

3.4 定標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法及對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度影響分析

通過(guò)輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)獲取到足夠量的樣本點(diǎn)后，需要對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行處理，獲取圖像灰度與目標(biāo)溫度間的映射關(guān)系，常用的處理方法主要是擬合曲線法。

根據(jù)測(cè)溫范圍的需求，要選擇合適的面源黑體基準(zhǔn)源，在該測(cè)溫范圍內(nèi)按照一定的溫度間隔調(diào)節(jié)面源黑體的輸出溫度，待黑體穩(wěn)定后采集記錄黑體溫度和熱像儀輸出灰度圖像，由此得到足夠數(shù)量的樣本，本文采用最小二乘法對(duì)得到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到目標(biāo)溫度與圖像灰度的擬合曲線和擬合公式模型。在實(shí)際的測(cè)溫應(yīng)用中，基于該擬合模型可根據(jù)目標(biāo)灰度值反推計(jì)算得到目標(biāo)溫度Ttarget以完成測(cè)溫。擬合曲線法的優(yōu)點(diǎn)是所需的樣本點(diǎn)較少、定標(biāo)工作量小，是目前應(yīng)用最廣泛的方法，可是溫度與灰度的擬合曲線與真實(shí)情況是存在誤差的，因此會(huì)對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，擬合多項(xiàng)式的級(jí)數(shù)越高，擬合曲線越逼近真實(shí)曲線，誤差越小。本文采用四次多項(xiàng)式擬合方法，黑體輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)和熱像儀內(nèi)部環(huán)境輻射引起的圖像灰度偏移數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 黑體輻射定標(biāo)擬合曲線Fig.2 Fitting curve of the blackbody radiation calibration

圖3 紅外熱像儀內(nèi)部環(huán)境輻射與圖像灰度偏移擬合曲線Fig.3 Fitting curve of infrared thermal imager’s Interior environment radiation & image gray offset

3.5 測(cè)溫準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)用中波紅外成像系統(tǒng)采集5℃～70℃的黑體圖像，每隔5℃采集一個(gè)樣本點(diǎn)，共采集14個(gè)樣本點(diǎn)，然后采用上述四次多項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合計(jì)算，并對(duì)計(jì)算得到的溫度誤差ΔT進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)表明，擬合曲線誤差小于0.3℃，溫度測(cè)量準(zhǔn)確度得到了很好的保證。

圖4 測(cè)溫準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Result of temperature measurement accuracy experiment

4 結(jié)束語(yǔ)

基于中波紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文對(duì)中波紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)的紅外輻射測(cè)溫原理、定標(biāo)方法及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了深入研究，并分析了定標(biāo)數(shù)據(jù)和環(huán)境輻射擬合處理方法對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，基于近距離面源黑體定標(biāo)和環(huán)境輻射修正的圖像灰度-目標(biāo)溫度映射方法有效地實(shí)現(xiàn)了被測(cè)目標(biāo)溫度場(chǎng)的測(cè)量，并具有較高的測(cè)溫準(zhǔn)確度。