陈育林
贵州航天计量测试技术研究所 贵州 贵阳 550009
摘要：红外热成像测温技术属于非接触测温技术，在工业、电力、军事及医疗等领域应用广泛，可与嵌入式处理技术等融合，实现智能化测温。温度场测量技术为红外热成像测温的关键，文章从红外热成像测温原理入手，分析温度场测量的难度，将辐射定标技术用于温度场测量，保障中波红外热成像温度场的准确测量。
关键词：中波；红外热成像；温度场
前言：就测温方式而言，红外热成像测温可分为逐点分析和全场分析两类，后者的研究和应用更为广泛，利用光学镜头汇聚待测物体发出的红外线，在红外焦平面探测器上成像，分析汇聚红外灰度图像的灰度值及温度等参数，了解待测物体的温度场分布状况，完成待测物体温度检测。本文分析的中波红外成像属于全场分析范畴。
1.中波红外热成像测温原理
在中波红外热成像测温中，待测物体发出的红外线被中波红外光学镜头汇聚，在红外焦平面探测器中成像，探测器的焦平面使用HgCdTe光敏材料，可将红外线汇聚的能量转变为电信号，利用测温仪的电子学系统，完成电信号和图像信号的转变，输出视频图像[1]。基于上述原理，在使用中波红外热像仪测温时，输出的图像为待测物体的灰度图，不能体现待测物体的具体温度数据。就此，需根据映射关系，选择合适的计算公式，计算图像灰度对应的温度，该映射关系需通过温度场测量技术来明确。
2.基于中波红外热成像的温度场测量技术
为实现中波红外热成像的有效应用，本文提出应用辐射定标技术进行温度场测量的方法，利用间接定标方法，明确图像灰度和待测物体温度间的映射关系，计算待测物体的具体温度。
2.1辐射定标技术原理
在辐射定标技术中，技术人员需将面源黑体（发射率趋近于1）为基准，改变面源黑体的温度，使用中波红外热成像仪进行面源黑体的测温，获得多个灰度图，结合图像的灰度和对应的温度，绘制灰土和温度间的关系曲线。为规避环境辐射与定标数据处理的影响，需对关系曲线进行拟合修正处理，提高关系曲线的精度，计算曲线的方程，将待测物体的灰度带入方程，即可计算其温度，实现温度场的精准测量[2]。
基于辐射定标技术原理，如果中波红外热成像测温的波段带宽较窄，探测器转变的电信号和待测物体的辐亮度呈正比。就此，在进行测温时，要求探测器和定标积分时间相同，避免定标数据失效，影响辐射关系计算的准确性，出现测温偏差。
2.2面源黑体定标
面源黑体定标为辐射定标技术应用的基础，通常选择近距离面源黑体定标技术，该技术的操作方式如下：将黑体辐射源和中波红外热成像设备靠近，确保面源黑体全面覆盖中波红外热成像设备的视场，规避大气衰减及外界干扰的影响，保障定标数据的准确性。在定标过程中，技术人员需尽最大限度地将面源黑体和中波红外热成像设备置于同个水平面，将设备开启一段时间，确保红外热成像的灰度图不存在漂移现象后，再进行面源黑体的温度设定，逐步提升温度，并准确记录面源黑体温度，同时应用中波红外热成像设备输出温度对应的灰度图，获得多个定标数据，为后续曲线绘制奠定基础。
在该定标方式下，可将中波热成像测温时的光学镜头入瞳辐亮度看做是黑体辐亮度，其计算公式如下：
其中，是指面源黑体的总辐射量；是指波长；是指常数。
中波红外热成像测温时的辐亮度响应度计算公式如下：
其中，V是指热成像图像的灰度值。在中波红外热成像灰度值与温度映射关系分析中，上述公式中各项参数的准确性，会影响映射关系分析的准确性。
2.3影响修正分析
在中波红外热成像测温时，探测器内汇聚的辐射能量不仅包括待测物体辐射，还涉及环境反射、大气辐射等能量，会对灰度图准确性产生影响，进而影响测温结果。同时，在应用上述公式处理定标数据时，定标数据也会对测温结果产生影响。技术人员需开展影响修正分析工作，保障测温结果的准确性。
2.3.1能量干扰的影响修正
在影响修正前，需明确中波红外热成像辐射能量的干扰来源与特征。（1）环境辐射，来自于待测物体所在环境的辐射能量，通过待测物体的反射汇聚于探测器上，能量干扰程度受待测物体的散射性能与环境参数影响；（2）大气辐射，来自于待测物体和中波红外热成像设备间的大气产生的辐射能量，会叠加待测物体的辐射能量；（3）杂散能量，来自于中波红外热成像设备内部结构，受技术限制，目前光学系统的冷光栏效率达到100%是不可能实现的，所以杂散能量会通过冷光栏汇聚在探测器上，叠加待测物体的辐射能量。
在上述能量干扰中，杂散能量的影响程度最高，技术人员可通过设备内部温度测量与灰度图平均灰度值计算，对定标数据进行拟合处理，使定标数据更为准确，规避能量干扰对测温结果的不利影响。
2.3.2定标数据的合理处理
在面源黑体定标环节，收集一定数量的定标数据，可通过最小二乘法进行定标数据的拟合处理，该方法具有定标工作量小，对样本数据量的要求低等优势，可提高温度场测温的效率。同时，为避免温度和灰度值间的拟合曲线和实际曲线间出现较大偏差，技术人员需适当提高最小二乘法中的多项式级数，使拟合曲线和真实曲线更为贴近，降低数据误差对测温结果的影响。
2.4测试实验分析
为明确本文提出温度场测温技术的应用有效性，笔者进行测试实验，按照上述流程进行面源黑体定标，将面源黑体的温度设定为5-70℃，逐步提升面源黑体的温度（提升频率为5℃），获得对应的灰度图，共获得14个定标数据。将最小二乘法的多项式级数选为4，应用四次多项式方程进行定标数据的拟合处理，获得温度和灰度值的拟合曲线，计算拟合曲线的温度误差，为0.3℃。可见，使用辐射定标技术进行温度场测量，计算的温度和实际温度误差低于0.3℃，准确性较高，可在中波红外热成像测温中推广普及，弥补中波红外热成像测温不能提供准确温度的缺陷，使中波红外热成像技术在更多领域中得到应用。
结论：综上所述，中波红外热成像仅能够提供待测物体的灰度图，需采用合理温度场测量技术，计算待测物体的具体温度。通过本文的分析，技术人员可利用辐射定标技术明确图像灰度和待测物体温度间的映射关系，通过面源黑体定标、能量干扰的影响修正及定标数据合理处理，实现准确测温。
参考文献：
[1]宋新成,张宇,史燕飞,等.非均匀温度场下红外热成像仪温控系统设计[J].红外与激光工程,2019,48(06):293-301.
[2]曹彦鹏,许宝杯,何泽威,等.红外热成像信号处理技术的研究进展[J].振动.测试与诊断,2018,38(02):219-227+413.