目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

第３卷第２期　中国光学与应用光学　Ｖｏ１．３　Ｎｏ．２　２０１０年４月　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ａｐｒ．２０１０　文章编号１６７４－２９１５（２０１０）０２－０１５２－０５　目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响　胡剑虹　，－７　飞　，沈湘衡　，贺庚贤　（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；　２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）　摘要：介绍了红外热像仪测温原理，分析了影响红外热像仪测温精度的因素，计算了不同表面发射率下红外热像仪的测　温误差曲线。理论分析表明，目标表面发射率越高，红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置，计算了不　同表面发射率对应的总辐射亮度，得到ＴＰ８型长波红外热像仪能够精确测温时，目标表面发射率必须大于０．５的结果。　最后，对表面发射率分别为０．９６、０．９３和０．３的３种材料进行实际测温，结果表明，材料表面发射率较高时，红外热像仪　具有较好的测温精度。　关键词：表面发射率；红外热像仪；红外测温；测温精度　中图分类号：ＴＮ２１６　文献标识码：Ａ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｏｎ　ｍ　ｅａｓｕｒｌｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒｓ　ＨＵ　Ｊｉａｎ．ｈｏｎｇ　，ＮＩＮＧ　Ｆｅｉ　，ＳＨＥＮ　Ｘｉａｎｇ—ｈｅｎｇ　，ＨＥ　Ｇｅｎｇ—ｘｉａｎ　（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＯｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００３３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＣｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｆｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｆｎｇ　１０００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅｒｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕ—　ｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅ—　ｍｅｎｔ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｉｅｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　ｏｂｊｅｃｔ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｉｍａｇｅｒ　ｉｓ．Ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｏｔａｌ　ｒａｄｉａｎｃｅ　ｌｕｍｉｎａｎｃｅ　ｔｏ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．　Ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ＴＰ８　ｌｏｎｇ　ｗａｖｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅｒ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｉｓ　ａｂｏｖｅ　０．５．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｒｅｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｈｏｓｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓ—　ｓｉｖｉｔｙ　ｉｓ　０．９６，０．９３　ｏｒ　０．３　ａｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｌｃａｄｓ　ｔｏ　ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓ。　ｕｒｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　’　收稿日期：２０１０－０２—１４；修订日期：２０１０－０３—１３　第２期　胡剑虹，等：目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响　１５３　为波长，ｃ　为第一辐射常数（３．７４１　８×１０　ｗ・　１　引　言　目前，红外成像技术已经广泛应用于军事领　域，成为现代武器装备的重要技术。红外成像系　统的研制，离不开靶场实验，因此，研究能够模拟　ｍ　），Ｃ２为第二辐射常数（１．４３８　８×１０～ｍ・Ｋ）。　将式（２）、（３）、（４）代人式（１）得：　＝詈　Ｈ　鲁ｄＡ＋　Ｊ８　２　一鲁ｂ　　…１　ｄＡ．‘　’ｅｃ　ＴＨ　各种军事目标红外辐射特性的红外靶标有着极其　重要的现实意义。红外靶标系统中，红外热像仪　－ｇｒ　（５）　ＴＰ８型长波红外热像仪根据设置的目标表面　负责实时监测红外靶标各区域的温度，红外靶标　系统根据红外热像仪测量的温度，调整各区域的　温度，使红外靶标系统的红外辐射特性接近被模　拟目标。在红外靶标系统研制过程中，红外靶标　系统的表面发射率对红外热像仪测温精度影响很　大，由此直接影响红外靶标系统的精度。为了提　高红外热像仪的测温精度，本文详细分析了红外　靶标系统的表面发射率对红外热像仪测温精度的　影响，旨在为红外靶标系统表面材料的选择提供　依据。　２红外热像仪测温原理　本文的实验均采用ＴＰ８型长波红外热像仪。　对于近距离探测而言，不考虑大气衰减，当目标表　面满足灰体模型，到达红外热像仪镜头前的总能　量应为目标红外辐射的能量与目标反射的环境辐　射能量，故有下式成立¨　Ｊ：　Ｌ　＝６Ｌ　＋（１一　）Ｌｂ，　（１）　式中　为到达镜头前的总辐射　度，厶为目标的　辐射亮度，　为环境的辐射　ｊ，ｙ，　为目标表面发　射率。　由于灰体的反射和发射均是漫反射的，因此　辐射亮度　与辐射出射度　存在如下关系　］：　＝　．　（２）　１『　ＴＰ８型长波红外热像仪的波长范围为８～１４　ｍ，　由普朗克辐射定律，有下式成立　娟］：　Ｍ　＝　篙　（３）　ｒＪ８南　ｄＡ，　（４）　式中Ｍ　为目标的辐射出射度，Ｍ　为环境的辐射出　射度，　为目标绝对温度，　为环境绝对温度，Ａ　发射率和采集的环境温度，结合测得的辐射亮度，　由式（５）得出目标的温度。　３　目标表面发射率对测温精度的影响　由普朗克辐射定律，可以认为　是　为自变　量的函数，记作：　¨　＝　）＝—　Ｊ订　ｆ８ｅ　…一一ｌ　ｄＡ，（６）　则有：　＝厂　（Ｌ　）．　（７）　为便于分析和数值计算，将影响红外热像仪　测温精度的因素用差分形式表示：　Ａｔ，＝厂　（Ｌ　＋△　）一厂　（￡　），　（８）　由式（１）可得：　△　：　．△　一　ＡＬ　，（９）　￡　若　其中：　ＡＬ　＝　Ｔｂ＋△　）一　），　（１０）　根据式（８）、（９）、（１０），可以计算红外热像仪测温　误差。　从上述分析可以看到，红外热像仪的测温误　差△　取决于Ａｅ、　、ＡＴｂ、　和　。为了说明目标　表面发射率对红外热像仪测温精度的影响，本文　假定环境温度２９３．１５　Ｋ，目标温度３０８．１５　Ｋ，对　目标表面发射率为０．９５、０．７、０．５、０．３时分别进　行理论计算，其结果如图１所示。　分析图１可知，红外热像仪在测量目标表面　真实温度时，目标表面发射率越小，红外热像仪测　温误差越大；目标表面发射率越大，红外热像仪测　温误差越小。此外，红外热像仪设置的目标表面　发射率误差和采集的环境温度误差也对红外热像　仪测温误差有着很大的影响。根据以上分析，红　中国光学与应用光学　外热像仪应当避免测量目标表面发射率很小的目　标温度。　第３卷　图１热像仪测量温度误差曲线罔　Ｆｉｇ．１　Ｅｒｒｏｒ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅｒ　ｉｎ　ｍｅａｓｕ　ｉ　ｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　实验时，红外热像仪记录的环境温度为　４红外靶标表面发射率范围的确定　为了确定ＴＰ８型长波红外热像仪能够精确　测温的目标表面发射率的范围，为红外靶标系统　设计提供依据，本文对红外热像仪采集的图像的　某一点（图像中温度最高点），通过设置不同的目　２９９．９５　Ｋ，根据式（５），可以计算　的值。由于红　外热像仪在相同环境下测温同一目标，　应为固　定值。若计算的，Ｊ　偏离这个固定值，则可认为设　置的目标表面发射率超出红外热像仪能够精确测　温的目标表面发射率的范围。　本文设置的目标表面发射率从０．２～０．９７，　对应的测量温度和，Ｊ　如表１所示。　标表面发射率，获得不同的温度值。　表１　目标表面发射率与总辐射亮度关系表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｒａｄｉａｎｃｅ　ｌｕｍｉｎａｎｃｅ　第２期　胡剑虹，等：目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响　１５５　从表１可以看到，当目标表面发射率＞０．５　时，　的值基本在７０．５　Ｗ／（ｓｒ・ｍ　）左右；当目标　５　实验结果　表面发射率＜０．５时，特别是目标表面发射率　＜０．３６时，　的值偏离固定值很大。这个特性是　为了直观地反映材料表面发射率对测温精度　根据发射率选择红外靶标表面材料的依据。　的影响，本文在环境温度为３０２．６５　Ｋ时，用ＴＰ８　型长波红外热像仪对表面发射率为０．９６（Ｒ３）、　０．９３（Ｒ１）和０．３（Ｒ２）的３种材料进行测温，其结　果如图２所示。　本文采用测温精度为０．２　Ｋ的手持式测温仪　测温，材料温度约为３０３．１５　Ｋ。结果表明，红外　热像仪对低表面发射率材料的测温精度很低。　６　结论　本文分析了目标表面发射率对红外热像仪测　温精度的影响，并通过实验验证了只有较高的表　面发射率才能保证红外热像仪测温点的结论。根　图２不同表面发射率材料的红外图像　据这个结论，红外靶标系统选择表面发射率为　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒ—　ｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｉｅｓ　０．９４的碳纤维布作为红外靶标的表面材料，保证　了红外靶标系统的精度。　参考文献：　［１］　宋江涛，沈湘衡，黄龙祥．建筑物目标红外辐射特征的外场模拟［Ｊ］．光电子技术，２００８，２８（３）：１８９—１９２．　ＳＯＮＧ　Ｊ　Ｔ，ＳＨＥＮ　Ｘ　Ｈ，ＨＵＡＮＧ　Ｌ　ｘ．Ｏｕｔｄｏｏｒｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｆｎｒａｒｅｄ　ｉｍａｇｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎ—　ｏ１．，２００８，２８（３）：１８９—１９２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　ｌ５６　中国光学与应用光学　第３卷　２００９，３９（２）：１５９—１６１．　［２］　黄龙祥，沈湘衡，宋江涛．基于热像仪的物体波段发射率的测量［Ｊ］．激光与红外，ＨＵＡＮＧ　Ｌ　Ｘ，ＳＨＥＮ　Ｘ　Ｈ，ＳＯＮＧ　Ｊ　Ｔ．Ｍｅａｓｕｒｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ，２００９，　３９（２）：１５９—１６１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　２００２，３２（１）：４３－４５．　［３］　杨立，寇蔚，刘慧开，等．热像仪测量物体表面辐射率及误差分析［Ｊ］．激光与红外，ＹＡＮＧ　Ｌ，ＫＯＵ　Ｗ，ＬＩＵ　Ｈ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．．Ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．　Ｌａｓｅｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ，２００２，３２（１）：４３４５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　原桂彬．红外热像仪精确测温技术［Ｊ］．光学精密工程，２００７，１５（９）：１３３６・１３４１．　［４］　李云红，孙晓刚，ＬＩ　Ｙ　Ｈ．ＳＵＮ　Ｘ　Ｇ．ＹＵＡＮ　Ｇ　Ｂ．Ａｃｃｕｒａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒ［Ｊ］．ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇ．，　２００７，１５（９）：１３３６一】３４１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［５］　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．　ＹＡＮＧ　Ｌ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏ１．，１９９９，　２１（４）：２０—２４．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　科学出版社，２００４．　［６］　皮茨，西索姆．传热学［Ｍ］．北京：ＤＯＮＡＬＤ　Ｐ，ＬＥＩＧＨＴＯＮ　Ｓ．Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐｒｅｓｓ，２００４．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［７］　杨世铭．传热学［Ｍ］．２版．北京：高等教育出版社，１９８０．　ＹＡＮＧ　ＳＨ　Ｍ．Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ［Ｍ］．２ｎｄ　ｅｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｈｉｇｈｅｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，１９８０．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　大连理工大学出版社，２００５．　［８］　胡家升．光学工程导论［Ｍ］．２版．大连：ＨＵ　Ｊ　ＳＨ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．２ｎｄ　ｅｄ．Ｄａｌｉａｎ：Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００５．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　作者简介：胡剑虹（１９８４一），男，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事红外目标模拟的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｕｈｊｈ＠１２６．ｃｏｒｎ