一種紅外熱像儀低溫測溫的輻射定標方法技術

本發明專利技術屬于光電檢測技術領域，公開了一種紅外熱像儀低溫測溫的輻射定標方法，可延拓目前紅外熱像儀的低溫測溫范圍至-100℃，并將測溫精度提高到1℃以內。為提高低溫輻射定標的精度，本發明專利技術在真空、低溫環境下進行輻射定標數據采集。在真空、低溫環境中通過薄膜加熱片對輻射定標板1進行加熱，使其達到定標溫度并且進入熱平衡，利用紅外熱像儀采集-100℃~0℃范圍內的所有定標溫度下輻射定標區域的14位原始灰度；對輻射定標數據進行處理，統計輻射定標灰度，最后根據輻射定標灰度及溫度擬合出紅外熱成像溫度反演函數。本發明專利技術的優點在于有效拓展紅外熱像儀的低溫測溫范圍，并且通過減小輻射定標誤差，提高低溫目標測溫精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光電檢測
，涉及對(-100°c 0°C)的低溫背景及目標進行基于紅外熱成像的測溫時的輻射定標方法及溫度反演方法。
技術介紹
紅外熱成像測溫以其非接觸式測量、響應快、直觀顯示溫度場分布、適合大面陣作業等特點，廣泛應用于國防安全保障、科考研究、工業無損檢測、電力、建筑漏熱檢測、醫療病理檢測等領域。紅外熱像儀對高溫目標響應度高、線性好，測溫技術較為成熟。隨著紅外熱成像測溫向航天、科研等低溫目標測量領域不斷延伸，其低溫測量范圍、低溫背景下的測溫精度存在明顯不足，如航天領域的某些環境中，待測溫目標溫度可達-100°c。目前，美國的FLIR、Fluke,法國的Sofradir，國內的浙江大立、武漢高德、廣州 颯特等所生產的紅外熱像儀只標稱可對_20°C (部分熱像儀標稱_40°C )以上溫度的目標進行測溫。而在實際實驗中，這些紅外熱像儀在_20°C 0°C段的測溫值誤差過大，甚至失去溫度反演能力。以上兩個方面的不足成為抑制紅外熱成像測溫技術在低溫范圍進一步發展的瓶頸。本專利技術根據紅外熱像儀測溫機理分析得出造成以上問題的原因在于紅外熱像儀在低溫段的輻射定標誤差較大、輻射定標范圍不足兩個方面。基于此，本專利技術闡述了對紅外熱像儀進行低溫輻射定標的關鍵技術、方法、步驟，以供具有低溫環境及目標溫度測量需求的紅外熱像儀輻射定標作為參考。
技術實現思路
本專利技術針對現有紅外熱像儀低溫目標測溫范圍不足、測溫誤差較大問題，從紅外熱像儀測溫機理出發，提供了一套低溫輻射定標裝置及相應的低溫輻射定標方法、溫度反演函數擬合方法，可將現有紅外熱像儀的低溫測量范圍擴展到-100°c以下，在(-100°c (TC )范圍內提供以熱電偶為基準、誤差限制在±l°c以內的測溫精度。本專利技術通過紅外熱像儀的低溫輻射定標解決了現有紅外熱像儀低溫目標測溫范圍不足問題，同時還有效地提高了低溫目標測溫精度。本專利技術基于紅外熱成像測溫原理，采用真空(10_5Pa)、低溫(_190°C )的黑體腔內部的溫度可控黑體目標板對紅外熱像儀進行輻射定標，通過熱電偶測量輻射定標溫度，通過紅外熱像儀測量該溫度下對應的輻射定標灰度，最后根據輻射定標溫度及輻射定標灰度進行紅外熱像儀的溫度反演函數擬合。紅外熱像儀低溫測溫輻射定標的技術方案包括a)紅外熱像儀的低溫能量可測量能力的理論分析；b)輻射定標板黑體面源的要求與設計； c)基于紅外熱像儀的輻射定標實驗中，紅外熱像儀對輻射定標板定標溫度點的采集數據為14位原始灰度在真空、低溫環境下對紅外熱像儀進行輻射定標實驗，采集定標溫度點上(由粘貼在輻射定標板上的熱電偶給出)紅外熱像儀對輻射定標板成像的14位原始灰度，作為輻射定標灰度原始數據進行存儲；d)基于紅外熱像儀數據和定標測試數據的輻射定標灰度數據處理輻射定標灰度數據處理將上一步的原始數據進行分析、處理，消除紅外熱擾，統計出每個定標溫度點上對應的輻射定標灰度。e)紅外熱像儀測溫溫度的反演方法與溫度反演函數擬合將以上測量到的輻射定標溫度和輻射定標灰度進行函數擬合。本專利技術采用分段線性函數擬合法對紅外熱成像測溫溫度反演函數進行擬合。定標溫度點設置較為密集，可以近似認為兩個溫度定標點之間的溫度段內的溫度-灰度函數為線性關系，分別將該段高、低兩個端點的溫度值和灰度值作為該段溫度值和灰度值的最大值、最小值，進行該段內黑體目標的溫度和紅外熱像儀響應灰度的線性映射。其映射方法為假設一個溫度段的溫度為Temp，溫度范圍為，分別對應的熱像儀響應灰度為Gray，灰度范圍為，該溫度段內溫度與灰度的關系可表示為Temp= [(TempMax_ TempMin) I ^rayMax ^rayMin^ ] ^ray ^rayMin^ +TempMin(I)本專利技術的優點是I、有效地延拓紅外熱像儀的低溫測量范圍，最低可對-100°C以下的目標進行準確測溫；2、在低溫環境(_190°C )中進行輻射定標，防止背景輻射淹沒微弱的低溫目標輻射信號，并且有效減少環境輻射對輻射定標精度的影響；3、在真空環境(10_5)中進行輻射定標，可防止大氣影響微弱的低溫目標輻射信號，同時，因采用了未經過大氣影響的實際輻射量進行輻射定標，故可以提高輻射定標的精度。附圖說明圖I為輻射定標黑體板圖像。其中，中間藍色框內的均勻黑漆、無遮擋區域為輻射定標成像區域，輻射定標時調整紅外熱像儀與定標板之間的距離，使得藍色框內的均勻區域充滿紅外熱像儀視場。輻射定標區域邊緣粘貼4個熱電偶，以測量輻射定標板的實時溫度，輻射定標板邊緣粘貼8個熱電偶監測輻射定標板的熱均勻性。圖2為紅外熱像儀輻射定標溫度、灰度的測量裝置圖。其中，I為輻射定標板，2為紅外熱像儀系統，3為數據采集上位機。圖3為輻射定標板和輻射定標區域的尺寸、位置關系圖。圖4為輻射定標板上熱電偶的分布位置圖。其中I 12為12個熱電偶。具體實施例方式下面結合附圖和實例對本專利技術的工作過程做進一步說明。本專利技術首先對現有紅外熱像儀的低溫探測能力進行了認真研究和深入分析，論證了紅外焦平面探測器具有低溫目標輻射的探測能力。本專利技術通過普朗克熱輻射定律建立了紅外熱像儀在真空、低溫環境下進行紅外成像測溫的物理模型，該輻射模型由空間目標輻射模型、背景波動噪聲模型、紅外熱像儀系統電路噪聲及熱噪聲模型組成，在理論上對真空、低溫環境內的紅外熱成像測溫系統的能量探測能力進行了分析，計算得出目前采用的紅外探測器的最低可探測溫度，理論上可以滿足真空、低溫的最低溫度為-190°C，證明了紅外熱像儀在真空、低溫環境中進行低溫探測的可行性。本專利技術分析了紅外熱像儀輸出的14位未經過任何處理的信號原始數據，反演了輸出像面上每個像素點的灰度值。通過對不同目標溫度下采集到的灰度值進行比較，發現-100°C目標的熱圖像灰度與-0°c目標的熱圖像灰度相差471個灰度等級。由此，可以證明紅外熱像儀可以在物理上實現低溫目標的溫度測量。專利技術中使用的真空、低溫環境由內壁全部噴涂發射率為O. 93-0. 96黑漆的環境模擬器提供，有相關文獻證明了該環境模擬器的黑體腔特性。中國計量院2002出臺的-50°C到+90°C黑體輻射源校準規范中規定的“黑體輻射發射率大于O. 92即可利用該 黑體校準該溫度下使用的紅外熱像儀。”因此，本專利技術在環境模擬器的黑體腔內使用發射率大于O. 92的溫度可控輻射目標作為黑體面源進行輻射標定是有依據和可行的。輻射定標板的設計I)根據紅外熱像儀視場角ω及紅外熱像儀到輻射定標板之間的距離I可以計算出福射定標區域長度h = I · tanco/2 ;2)將輻射定標板的中心區域作為輻射定標區域，以保證其均勻性，輻射定標板的尺寸由輻射定標區域決定，如圖3所示其具體位置關系；3)在輻射定標板正面均勻噴涂發射率為O. 93-0. 96的黑漆；4)在輻射定標板反面粘貼一整片薄膜加熱片對輻射定標板進行控溫，保證薄膜加熱片可以完全覆蓋輻射定標板；5)在輻射定標區域四個邊的中點分別粘貼一個熱電偶進行實時溫度監控，熱電偶測量值為輻射定標溫度，在輻射定標板的四個角及四邊中點分別粘貼一個熱電偶以監測輻射定標板的溫度均勻性，輻射定標板上熱電偶分別如圖4所示，I 12為熱電偶的粘貼位置。輻射定標灰度采集為使紅外熱像儀輻射定標數據具有普適性，紅外熱像本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種紅外熱像儀低溫測溫的輻射定標方法。該輻射定標方法其特征在于：a）紅外熱像儀的低溫能量可測量能力的理論分析；b）輻射定標板黑體面源的要求與設計；c）基于紅外熱像儀的輻射定標實驗中，紅外熱像儀對輻射定標板定標溫度點的采集數據為14位原始灰度；d）基于紅外熱像儀數據和定標測試數據的輻射定標灰度數據處理；e）紅外熱像儀測溫溫度的反演方法與溫度反演函數擬合。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張羅莎，白廷柱，裴一飛，陶濤，鄭海晶，
申請(專利權)人：北京理工大學，北京衛星環境工程研究所，
類型：發明
國別省市：