目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

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。     

非朗伯体红外测温计算研究

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,建立了红外热像仪测温的通用数学模型;基于物体表面法向发射率的特点,简化了热像仪测温的数学模型,得到了红外热像仪测温的计算公式。通过相关实验,验证了在一定的温度范围内,物体的发射率和反射率之和基本保持不变这一结论。物体的发射率与反射率之和a与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与朗伯体越接近,a越大,其值越接近于1;物体表面状况偏离朗伯体越远,表面越光滑,越小。实验表明,若物体接近朗伯体,则可将其视为朗伯体,无需进行实际物体修正;对于非朗伯体(特别是表面光滑且发射率较低的物体),需要对其红外测温进行修正,否则将增大测温误差,甚至偏离其真实温度很远。该研究表明,通过修正,可以对非朗伯体进行红外测温。     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明:在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22 ℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

一种红外光谱发射率测量装置的研制

研制了一种利用对称双光路比对法测量材料表面光谱发射率的装置,该装置采用多光谱辐射测温技术测量材料表面温度,解决了不规则材料表面温度难以精确测定的问题,实现了材料表面半球发射率和表面温度的同时测定。     

热像法研究基底材料与薄膜的发射率变化关系

介绍了镀膜技术和红外热像仪测量镀膜材料发射率的方法,并利用红外热像法分析了基底材料对薄膜发射率的影响。通过实验研究了镀膜时间与膜厚度变化导致的测量波段发射率的变化关系。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。     

基于长波红外光谱的热态锻件温度场测量方法研究

提出一种长波红外光谱的温度场测量方法。将谱色测温原理与三级Fabry-Perot(FP)型Liquid Crystal Tunable Filter(LCTF)相结合,并对测温理论模型中三组非线性相关方程组所得的解进行了优化,以进一步减小误差,使测量值更加客观、真实;然后运用液晶双折射可调谐滤光原理,制作了三级FP型LCTF滤光系统,该系统在一定的长波红外光谱范围内实现了波长的任意调谐,从而保证测温系统的响应快速、准确。该方法测温前无需知晓被测物发射率,且能有效抑制背景光辐射和环境光源对测温精度带来的影响,保证了测温结果的准确性。最后通过matlab仿真软件验证了滤光系统所得红外光谱符合系统设计要求,并通过实验验证了该测温方法的可行性,测温准确性较之传统的单波段红外热像仪得到了提高。     

Infrared technique for simultaneous determination of temperature and emissivity

This paper presents, in the context of materials dynamic behaviour study, a method for simultaneous measurement of the temperature and emissivity of a solid’s surface, by the use of infrared radiation. In contrast to existing methods, this method has no need for a pre-measurement of the surface emissivity. The emissivity and the temperature are measured simultaneously, by detecting the variations of emitted radiation and infrared radiation reflecting on the surface, at two different spectral zones. In this way, the accuracy of the measured temperature is greatly improved in cases were the surface optical properties vary during the measurement. Several experiments were carried out in order to complete the theoretical foundation of the method and to outline its accuracy and some of its limitations. There are various industrial applications of this method, for example the control of the temperature of the mechanical parts during work machining. One of them may be the measurement of the temperature of a sample during mechanical testing. An application of the method is proposed, that is easy to employ with non-sophisticated infrared and optical components. The results confirm the accuracy of the proposed method with an order of 3% of precision for temperature determination.     

模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定

基于月球样品反射光谱的月表矿物识别和成分反演能力受到月球环境的严重影响,仅限于月球表面5％的成熟度较低的区域。相比之下,包含大量硅酸盐矿物的月球样品发射光谱不仅光谱特征明显,而且受月表大气、温差和真空等环境的影响较小,是研究月表成分和物理特性的新途径。因此,对于嫦娥五号月球探测器采集的月球实地样品的发射光谱测量不仅可用于月表硅酸盐类矿物的成分分析,而且可以作为遥感研究中可见光-近红外光谱的有效补充。但是,实验室发射光谱测量中最大的难题是寻找最佳的实验方法和仪器,以便获得准确可靠的光谱数据。研究以模拟月壤样品为测量对象,分别在实验室大气、氮气冷背景和模拟真空环境中,利用TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器,设计和实施了傅里叶光谱法、独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验,并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱对实验获得的发射率光谱进行了精度分析与评定。发现在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前,密闭实验室环境中的反射率法发射率光谱特征最明显,测量精度最高,可以作为目前月球样品发射率光谱测量的最佳选择。研究希望能为嫦娥五号采集的月球样品发射率光谱测量实验提供理论基础和技术参数。     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

Error Analysis of Surface Temperature Measurement by Infrared Sensor

The general mathematical model for the surface temperature measurement based on infrared radiation is proposed. Measurement error function is derived and analyzed. The results of analyze are presented and conditions of measurement for better measurement accuracy are determined.     

非制冷热像仪内部温升对测温精度的影响修正

随着非制冷型热像仪工作时间的增长,其内部器件、机械结构所积累的热量越来越多,其温升所导致的热辐射势必会对热像仪的测温精度产生严重影响。因此,要实现热像仪的准确测温,必须对其内部的各温升影响因素进行相应的修正。本文通过对影响测温精度的镜筒辐射温度、探测器靶面温度以及热像仪工作累积时间三个因素进行评估和建模,并对其相互关系进行评价,根据数据模型对热像仪辐射测温值进行修正。结果表明,在实验室条件下,经过修正,非制冷型红外热像仪测温精度可控制在±1℃以内,其稳定性可控制在±0.5℃以内。修正后的温度结果基本不受内部温升的影响,有效的提高了非制冷测温型热像仪的稳定性、可重复性以及测温精度。     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

Non-contact charge temperature measurement on industrial continuous furnaces and steel charge emissivity analysis

Continuous furnaces are commonly used for steel billet reheating before a rolling operation. It is necessary to perform a number of measurements to set-up and operate the optimization system of the furnaces correctly. A charge temperature measurement using infrared detectors can be one of the usable measurement techniques. This non-contact measurement method is based on the detection of infrared radiation emitted from a measured surface. The radiation intensity depends on the surface temperature and emissivity, which is one of the most important parameters for infrared measurements. Advantages of the non-contact temperature measurement, as well as some problems regarding the surface emissivity, are presented. The direct steel billet temperature measurement procedure using infra-red detectors, emissivity determination procedures, and example results are introduced. It is shown that steel emissivity can vary from approx. 0.17 to 0.8, depending on the surface state, scale formation, and wavelength interval. These problems are critical for the charge temperature measurement using the infra-red detectors, and are discussed in this paper.     

A3铁、304钢和201钢光谱发射率

随着科学技术日新月异的发展,红外测量技术在遥感、辐射测温、红外隐身、农业、医疗等领域都展现出了重要的应用前景。在花样众多的辐射测量中,材料的发射率是重要的参数之一。为满足材料发射率数据的需求,根据一套自主研制的光谱发射率测量装置对A3铁、304钢以及201钢在不同温度下的光谱发射率进行了精确的测量,并对影响发射率的几个因素做了深入的探究。结果显示：这三种钢材的发射率随温度升高而变大,同等温度下A3铁的发射率要高于304钢和201钢,且材料中的铬含量会降低材料的发射率值。采用XRD分析了三种材料表面氧化后的成分,并探讨了表面成分变化对发射率的影响。结果表明：A3铁氧化后生成不稳定的四氧化三铁Fe₃O₄和氧化亚铁FeO,各种成分的相互转变会导致光谱发射率发生较大的变化,而304钢和201钢表面氧化后主要生成氧化铬,因而光谱发射率也相对比较稳定。另外使用辐射光叠加原理和Christiansen效应成功解释了三种材料的发射率在大约10 μm处出现极大值的现象。该研究极大地丰富了三种材料的光谱发射率数据,为辐射测量技术在三种材料中的应用提供了强有力的数据支撑。