文章编号；１６７２—８７８５（２０１１）０２．０００１．０４ 非致冷红外焦平面成像系统辐射 测温技术研究 张艳超 赵 建 孙 强 刘建卓 曲 锋 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３） 摘 要：为了消除由非致冷红外焦平面自身温度变化造成的辐射测温偏差，提出了一 种基于Ｇ—ｔ（黑体辐射灰度一探测器工作温度）标准曲线进行辐射测温的新方法。该方法 从热辐射理论和热像仪测温原理出发，利用实验测得的Ｇ—ｔ标准温度关系曲线，并结合 灰体表面真实温度的计算公式，最终实现了非致冷红外焦平面成像系统的高精度辐射 测温。实验结果表明，当探测器的工作温度在２６℃ ３５℃、黑体温度在３５℃（３０８Ｋ） 一４５℃（３１８Ｋ）时，绝对温度偏差低于１Ｋ，有效地消除了非致冷红外焦平面自身的温度 变化对辐射测温精度的影响。 关键词：红外热像仪；非致冷红外焦平面成像系统；辐射测温；探测器温度效应 中图分类号：Ｐ４０７．６ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１１．０２，００１ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ Ｕｓｉｎｇ Ｕｎｃｏｏｌｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｙａｈ—ｃｈａｏ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ，ＳＵＮ Ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ—ｚｈｕｏ，Ｑｕ Ｆｅｎｇ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａｊ Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ，ａ ｎｅｗ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｇ＿ｔ（Ｇｒａｙ ｌｅｖｅｌ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｂｌａｃｋｂｏｄｙ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）ｃｕｒｖｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ．ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｇ－ｔ ｃｕｒｖｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ａ ｇｒａｙｂｏｄｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ２６℃ｔｏ ３５℃ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｃｋｂｏｄｙ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ３５℃（３０８Ｋ）ｔｏ ４５℃（３ １８Ｋ），ｔｈｅ ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｉｔｓ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ Ｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ ｉｔｓｅｌｆ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ；ｕｎｃｏｏｌｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 收稿日期：２０１０－０９—２９ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７７００１） 作者简介：张艳超（１９８４一），女，吉林长春人，硕士，研究实习员，主要从事红外成像系统方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ ｚｈａｎｇｙａｎｃｈａｏｍｎ￣１２６．ｃｏｍ ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３２，ＮＯ．２，ＦＥＢ ２０１１ １引言 随着近些年来非致冷红外焦平面成像技术 的不断突破和实用化【 ，非致冷红外焦平面成 像系统以其小型化、寿命长、成本低、功耗低和 可靠性强【 】等优点在红外成像及测温领域越来 越发挥出无可比拟的优越性。 将非致冷红外焦平面成像组件应用在红外 仪的透镜面积，也为定值，因此Ｋ在此式中可被 认为是一个参数常量；ｆ（Ｔ）＝ｆ Ｒ Ｌ （Ｔ）ｄＡ， 为探测器的光谱Ⅱ向应度［。。， 面的光谱辐射亮度。 对于一些非金属表面，若满足灰体近似，则 Ｅ＝ 。对于大气，认为￡。＝ ＝１一 ，则 ｙ＝ ｛ ［ｃｆ（Ｔｏ）＋（１一￡），（ ）】＋（１一 ），（ ））（２） （ ）为物体表 热像仪系统中，可以检测目标伪装效果和测量 辐射温度。目前采用非致冷红外焦平面的成像 系统较为成熟，然而能准确测量目标辐射温度 的产品并不多。其主要原因是存在较多影响辐 射测温准确性的因素。以前的研究工作主要集 中在致冷型红外焦平面阵列的定标研究【３ｊ４］以 及非致冷红外焦平面成像系统的非均匀矫正［５１６］ 上，而有关非致冷红外焦平面成像系统绝对定 标的研究成果却很少。虽然文献［７］研究了探测 器工作温度效应对辐射定标的影响，但未给出 探测器在不同工作环境温度下应用于红外测温 的具体方法。本文针对电阻微测辐射热计型非 致冷红外焦平面成像系统，从热辐射理论和红外 热像仪的测温原理出发，结合实验数据结果，分 析目标辐射温度 、目标检测灰度Ｇ以及探测 器工作温度ｔ三者之间的关系模型，以实现探测 器在不同工作温度下的高精度辐射测温。 ２红外测温原理 ２．１黑体检测灰度Ｇ与表面辐射温度 的关系 模型 根据热辐射理论和红外测温原理，文献『８］ 推导出了热像仪测温通用的基本公式： ｙ＝ ｛ 【ｅｆ（Ｔｏ）＋（１一 ）ｔ厂（ ）］＋￡。ｔ厂（Ｔ））（１） 式中， 为与辐射功率相对应的信号电压； 为 大气光谱透射率；ｅ为目标表面发射率；＆为目 标光谱吸收率； 为目标表面温度； 为目标 环境温度； 为大气温度； 。为大气发射率； Ｋ＝Ａ Ａ。ｄ＿。，Ａ 为热像仪最小空间张角所对 应的目标可视面积，ｄ为该目标到测量仪的距离 （通常在一定条件下，Ａ ｄ 为常值），Ａ 为热像 ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶｏＬ．３２，ＮＯ．２，ＦＥＢ ２０１１ 在近距离进行测量时，可以忽略大气吸收， 即 一１，则 ＝Ｋ［ｅｆ（Ｔｏ）十（１一 ），（ ）】 （３） 当被测表面为标准辐射源黑体时，发射率 ￡＝１，则由式（３）可进一步得到： ＝Ｋｆ（Ｔｏ） （４） 由普朗克辐射定律【１０］可知 ， ｆ（Ｔ）＝／Ｒ Ｌ （Ｔ）ｄＡ Ｊ △＝－／ Ａ－５［ｅｘｐ（ ）＿１］ ｄ （５） 式中，ｃ ＝３．７４１８×１０＿。。Ｗ・ａｍ 为第一辐射常 数，ｃ。＝１．４３８８ｃｍ・Ｋ为第二辐射常数。 对于响应波段为８ １３￣．ｍ的ＨｇＣｄＴｅ探 测器，由式（５）积分可得【１１］： ｆ（Ｔ）≈ＣＴ （６） 式中， 为比例常数。 将式（６）代入式（４），得到： ＝Ｋｅｆ（Ｔｏ）＝ＫＣＴ ４ （７） 对于本文使用的探测器，辐射功率相对应 的信号电压 与检测灰度Ｇ成线性关系，则根 据式（７）得到的检测灰度Ｇ与黑体辐射温度 的关系式，可进一步得出： Ｇ＝０ ＋ｂ （８） 也就是说，对于８ｐ．ｍ ｌ３ 的ＨｇＣｄＴｅ探 测器，黑体检测灰度与黑体辐射温度的四次方 ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ．ａｃ．ｃｎ／ｈｗ 成线性关系。实验表明，在不同环境温度下，参 数ａ和ｂ的值不相同。若要使探测器在不同的工 作环境温度下准确地测量温度，首先需要确定 不同环境温度下相应的参数ａ和ｂ的值。 ２．２红外测温算法 为了计算不同工作温度下相应的参数ａ和 ｂ的值，本文采取如下方法： （１）将黑体温度分别设为Ｔ ＝３５℃（３０８Ｋ）和 ＝４５℃（３１８Ｋ）。在每个设定温度下，利用高低 温实验箱连续改变探测器的工作温度ｔ，并记录 下每个温度ｔ所对应的黑体检测灰度Ｇ。如此分 别在每个设定黑体温度下将探测器温度ｔ的变 化过程重复五次，并对测得的数据求平均值， 再利用最小二乘法对其进行拟合，最终得到以 下一组关系式： Ｇ１＝ｍ１ｔ＋．ｎ１ Ｇ ＝ｍ。ｔ＋札 （１０） 其中，式（９）为黑体温度Ｔ１＝３５℃（３０８Ｋ）时的 Ｇ ｔ关系式，式（１０）为 ＝４５℃（３１８Ｋ）时的Ｇ—ｔ 关系式，ｍ 、ｎ 、ｍ。、ｎ 分别为拟合参数。 （２）将探测器工作温度的实时检测值ｔ。代 入式（９）和式（１０），求得该温度下的两个标准点 （ ，Ｇ ）和（ ，Ｇ ）。将此两点代入式（８），进而 求出探测器工作温度ｔ＝ｔ 时参数ａ和ｂ的值。 （３）将ｔ＝ｔ。时的检测目标灰度值Ｇ。代入式 （８），求出此时所对应的黑体辐射温度值 。 （４）对于非黑体检测目标，由于其发射率￡ 不等于１，可将上一步计算得到的温度值 代 入式（１１），即可进一步求得检测目标的表面真 实温度［引。 ＝ ＿（１ （１１） ３红外测温的实现步骤 （１）设定探测器的增益； （２）读取测温时探测器的工作温度ｔ。及测试 目标灰度Ｇ ； （３）将ｔ。代入 、 标准Ｇ＿ｔ曲线，得到 两个标准点（ ，Ｇ ）和（ ，Ｇ。）； （４）将步骤（３）中的两个标准点代入式（８）， 计算出此探测温度下的参数ａ和ｂ，进而求解出 此探测器温度下的Ｇ一 表达式； （５）将步骤（２）中测得的灰度Ｇ。代入上式， 计算出此时的标准黑体温度 ； （６）将 、环境温度 以及检测目标的发 射率 代入式（１１），最终计算出待检测目标的 真实表面辐射温度Ｔ。 ４数据分析 图ｌ为黑体温度设为Ｔ１－－３５℃（３０８Ｋ）时 的Ｇ ｔ数据点阵及其一次拟合曲线图，此时 ｍ ＝－－１５．７３，ｎ ＝６０４．９。图２为黑体温度 设为Ｔ２＝４５℃（３１８Ｋ）时的Ｇ—ｔ数据点阵及其一 次拟合曲线图，此时ｍ。＝一１６．１３，ｎ。＝７０９。 我们用红外成像测温系统分别对不同探测 器温度及不同黑体温度下的２０组数据进行了采 样测量。表ｌ列出了在不同黑体温度 和不同 探测器工作温度ｔ下得到的温度计算值 和温 度偏差值 。 从表ｌ中可以看出，当探测器工作温度在 ２６℃ ３５℃、黑体温度在３５℃（３０８Ｋ）一４５℃ （３１８Ｋ）时，绝对温度偏差低于０．７Ｋ。 探测器温度ｔ（℃） 图１ Ｔ１＝３５℃（３０８Ｋ）时的Ｇ＿ｔ一次拟合 曲线图 ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３２，Ｎｏ．２，ＦＥＢ ２０１１ ０ 探测器温度ｔ（℃） 图２ ＝４５℃（３１８Ｋ）时的Ｇ ｔ一次拟合曲线图 表１在不同 和不同ｔ情况下得到的 和 值 ５结论 通过理论推导和实验数据拟合，提出了一 种新的红外测温方法。该方法可以有效地消除非 致冷红外焦平面的工作温度变化对测温结果的 ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３２，ＮＯ．２，ＦＥＢ ２０１１ 影响，并最终实现对检测目标的高精度测温。它 对于进一步提高红外测温用非致冷红外焦平面 成像系统对工作环境的适应性，具有一定的指 导意义。 参考文献 ［１】隋修宝．非制冷凝视热像仪成像理论以及关键技术 研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００９． 『２１李国华，吴立新，吴淼，等．红外热像技术及其应 用的研究进展【ｃ］＿红外与激光工程，２００４，３３（３）： ２２７－２３０． ［３］Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ Ｐ，Ｄａｎ Ｉｅｌｔｐ．Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｎｇｗａｖｅ ＦＰＡ Ｃａｍｅｒａ ｆｏｒ ＩＲ Ｓｃｅｎｅ［ｃ】．ＳＰＩＥ， ２００６，６２０８：１－１２． ［４］Ｐ Ｄｅｌｉｏｔ，Ｊ Ｄｕｆｆａｕｔ，Ａ Ｌａｃａｎ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｉｒ－ ｂｏｒｎｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃａｍｅｒａ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００６，６０３１：１－１０． ［５】张天序，石岩，曹治国．红外焦平面非均匀性噪声 的空间频率特性及空间自适应非均匀性校正方法 改进［Ｊ】．红外与毫米波学报，２００５，２４（４）：２５５－２６０． ［６］Ａ Ａｖｅｒｂｕｃｈ，Ｇ Ｌｉｒｏｎ，Ｂ Ｚ Ｂｏｂｒｏｖｓｋｙ．Ｓｃｅｎｅ Ｂａｓｅｄ Ｎｏｎ—－ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｍａｇｅｓ Ｕｓ—－ ｉｎｇ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．Ｉｍａｇｅ ａｎｄ Ｖｉｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ， ２００７（２５）：８３３—８５１． 『７＿孙学金，刘剑，赵世军，等．非致冷红外焦平面阵 列的辐射定标模型［Ｊ］．理工大学学报（自然 科学版），２００８，９（４）：３９９—４０３． ［８】杨立．红外热像仪测温计算与误差分析［Ｊ】．红外技 术，１９９９，２１（４）：２０～２４． ［９】刘景生． 红外物理［Ｍ］．北京ｔ兵器工业出版社， １９９２． ［１ ｏ］Ｅ Ｍ斯・帕罗，Ｒ Ｄ塞斯．辐射传热［Ｍ】．北京， 高等教育出版社，１９８２． 【１ １］Ｉｎａｇａｋｉ Ｔ，Ｏｋａｍｏｔｏ Ｙ．Ｓｕｒｆｃａｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａ－ ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｎｅａｒ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂａｎｄｓ ｂｙ Ａｐ＿ ｐｌｙｉｎｇ ａ Ｇｒａｙ—ｂｏｄｙ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ－Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｖｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｆｏｒ Ｎｏｎｍｅｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ】．Ｊ．ｏｆ ＮＤＴ＆Ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９６，２９（６）：３６３—３６９． ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｓｉｔｐ，ａｃ．ｃｎ／ｈｗ
