红外测温新技术

通过介绍红外辐射的一般性质和红外测量新技术说明黑体辐射定律的具体应用。     

红外测温新技术

通过介绍红外辐射的一般性质和红外测温新技术说明黑体辐射定律的具体应用     

红外测温

 一、红外测温的理论基础我们知道,自然界的一切物体都不断地辐射着红外线,它是由物质内部分子或原子的能级发生跃迁时产生的电磁辐射。随着人们对光学研究的深入,建立了基本的辐射定律,为红外科学奠定了理论基础,红外测温成为应用的一个重要方面。红外测温是辐射式测温的一种,是利用物体的热辐射来测量物体温度的。红外辐射的基本定律是斯忒藩、玻尔兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体是一种理想模型,它能吸收全部入射的辐射而没有反射,是计算热辐射理论最简单的情况。辐射定律就是根据黑体研究出来的。     

百万帧频中波红外图像传感器研究

设计了一款64×64面阵规格、片上集成存储器的超高速红外焦平面数字读出集成电路,将其与中波红外焦平面探测器芯片进行了互连,成功研制出超高速64×64中波红外图像传感器.实验结果表明,所研制超高速红外图像传感器的帧频达到1 MHz,存储深度为100帧,对黑体温度呈现近似线性响应,具有优于3.6K的温度分辨率.     

红外焦平面探测器的读出电路

红外焦平面阵列是现代红外成像系统的关键元件 ,不论是混合式还是单片式红外焦平面阵列 ,都采用读出电路来实现信号的多路传输以减少阵列输出信号线的数目。论述了读出电路在焦平面信号传输中的作用 ;讨论了用于实现红外焦平面阵列读出电路的一些实施技术 ;提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向     

288×4长波线阵红外探测器的测试

第二代热成像技术的长波红外以HgCdTe288×4扫描型焦平面阵列（FPA）为主。相对凝视系统而言,该扫描型FPA空间截止频率更高、视场更宽。针对该线阵FPA在搜索、观瞄等领域的广泛应用,设计测试方案对探测器进行测试。实验结果与探测器出厂报告基本吻合,成功实现了对288×4长波线阵红外探测器的性能检测。     

短波红外用于白天卫星探测的研究

从白天天空背景、卫星光学特性及红外波段在大气中的传输特性三方面分析了白天卫星探测的可行性。在此基础上,采用光谱滤波的方法,利用红外焦平面阵列(IRFPA),在短波红外波段进行了卫星跟踪与测量。理论分析和白天的测星实验表明,用短波红外波段能够实现白天卫星的跟踪与测量;通过与已知星等的G型光谱类型恒星测量值的比对得到了目标卫星的星等为6.34,给出了探测系统的跟踪误差。     

红外焦平面阵列非均匀性校正的精度分析

介绍了红外图像非均匀性校正的基本方法,并用基于黑体多点线性校正算法对128×128的红外焦平面阵列进行了图像校正,获得了较好的结果.多点线性校正的精度与定标点的选择和其数量有关,所以在得到探测器响应曲线的基础上,对这两个因素的选择进行了分析,并用实际的校正结果对这两个因素对校正精度的影响进行了讨论.结果表明,与理论分析符合的很好.     

环境和介质对测温结果的影响

建立了一种理论模型和实验方法, 可以有效地修正来自于环境和介质对测温结果的影响。这种修正方法通过计入测温环境对辐射体的衰减系数,可以显著改善以灰体辐射为基础的测温技术的精度和普适性。首先,利用多通道CCD图像光谱仪快速准确地获得给定辐射体在空气中的指纹光谱,并将其等效为一个标准的灰体模型;其次,将该辐射体放入未知的环境和介质中,重复测量该辐射体的辐射光谱,并建立包含待测介质对辐射体的衰减特征的灰体模型。最后,通过对比上述两种情况下的灰体模型,便可精确确定该辐射体在该环境和介质下的温度。通过对处于不同环境和介质下的相同辐射体的系统实验,检验了该测温技术和修正方法的普适性和准确性。     

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。     

基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法研究

针对两点温度定标算法在应用过程中曝露的问题,提出了基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法.该算法先对图像进行非线性压缩,转换为线性图像,再利用红外焦平面阵列探测元的响应特性与积分时间之间的关系,采用改变积分时间的方法拟合红外焦平面探测器的平均响应特性曲线,进行两点校正,然后对结果进行取指数操作,即得到原图非均匀校正后的图像.分别利用两点温度定标法和变积分法对航拍红外图像进行校正效果验证,同时进行了不同校正算法的非均匀性适应性评价实验.实验结果表明新算法计算量小,校正准确度高,反应速度快,并在一定程度上解决了大动态范围下响应非线性对校正性能的影响,具有很好的工程应用价值.     

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。     

Non-uniformity correction algorithm for IRFPA based on motion controllable micro-scanning and perimeter diaphragm strips

Non-uniformity correction is the key issue for the image quality improvement of infrared focal panel array (IRFPA) imaging. A non-uniformity correction (NUC) algorithm for IRFPA based on motion controllable micro-scanning platform and perimeter diaphragm strips is presented. We initially execute one-point calibration to the perimeter detectors, then based on controllable motion of adjacent frames, a special algebraic algorithm is proposed to transport the calibration of the perimeter detectors to those interior un-corrected ones. In this way, the bias parameter of the whole field of view (FOV) is calculated. The algorithm can be easily combined with sub-pixel imaging, thereby improving the quality of thermal imaging system (image spatial resolution and uniformity). All calculations are algebraic, with a low computation load. The algorithm can realize adaptive one point calibration without covering the central FOV rapidly. Experiments on simulated infrared data demonstrate that this algorithm requires only dozens of frames to obtain high quality corrections.     

高温黑体性能评定和温度测量

中国计量科学研究院引进了高温黑体BB3500M作为新的光谱辐射照度基准光源。黑体BB3500M包括辐射腔体和温度反馈系统。辐射腔体由一系列高温热解石墨环组成,可以加热至3 500 K。在光谱辐照度测量中,高温黑体的性能参数和温度测量至关重要。对于黑体的性能参数,着重考察了黑体温度的稳定性和腔底温度的均匀性。在将高温黑体的光谱辐射照度传递给工作标准灯时,黑体的温度可能发生改变。实验观测了一小时内黑体的温度漂移情况。当高温黑体加热至3 016 K时,采用温度反馈系统的BB3500M稳定在0.3 K。实验光路中设置了限制光栏,用于屏蔽来自黑体腔壁的辐射。黑体腔底辐射环的温度均匀性优于0.2 K。在温度测量中,2 473 K以下的温度可以直接溯源到中国计量科学研究院热工处,对于更高温度的测量需要进行温度延伸。文中从普朗克公式出发,通过多波长亮度比较法进行了温度延伸。实验先在低温区进行延伸证实了方法的可能性,然后进行了高温区的温度延伸。     

基于红外辐射特性系统实现对面目标测量

地基红外经纬仪是测量空间军事和科学目标红外数据的重要手段之一。随着现代武器技术在隐身上方面的快速发展,面源体测量越显重要,而辐射亮度是面源红外作战的关键性指标。因此研究可靠的面积分析方法和辐射亮度计算方法对测试航空目标的隐身性能以及研制面源红外假目标具有重要的意义。本文提出一种简单可靠的面目标的提取方法,并利用该面源提取方法在某600 mm口径的红外经纬仪上进行辐射测量,测量数据经大气修正后将与标准亮度值进行比较。实验结果表明,利用本文提出的方法反演的辐射亮度的最大误差为11.38%,均方根误差为7.36%。     

Multi-sampling and filtering technology of IRFPA

In order to overcome the drawbacks of low SNR of IR (infrared) images and resolve the problem that widely used 2D-TDI (two dimensional time delay integration) algorithm could only be applied to static or slow-moving targets, the application of multi-sampling and filtering technology is discussed in this paper. The technology adopted the method of sampling the same pixel repeatedly in one image which ensured that it could be applied to fast-moving targets and lowered random noise of IR images in the meantime. Both the images effects and the experimental data show that multi-sampling and filtering technology of infrared focal plane array (IRFPA) have the same ability of improving SNR (signal noise ratio) of IR images as the 2D-TDI algorithm which can raise the SNR of IR images to times of the original ones (m equals to the sampling times at the same pixel), and the experimental result also proves that the technology can be applied to all moving targets.     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。     

一种基于双波长的光声测温技术

光声测温是一种利用光声效应来进行温度监控的新方法,具有非侵入式、高灵敏度和探测深度较深等优点.但现有的单波长光声测温方法极易受到系统及测量环境干扰而导致测量精度降低.为了解决这一问题,本文提出了一种双波长光声温度测量方法.在光声测温理论的基础上,分析推导了双波长光声测温的基本原理,并进行了仿体及离体组织样品的双波长光声测温实验.实验结果显示,与传统单波长模式相比,双波长模式下的光声温度测量误差明显减小,测量精度平均提高35%以上.研究结果表明双波长光声测温方法能够有效提高光声温度测量的精度和稳定性,可作为一种更精准的光声温度监控方法应用于医疗手术等领域.     

一种基于控温黑体的红外实时校正技术

二代扫描型热像仪的非均匀性校正(NUC)通常采用定点两点温度校正法或定点多点温度校正法,采用定点校正无法适应时间或环境的变化对探测器带来的影响,造成校正偏离,空间噪声增大。通过在成像光路中设置2个可控温的黑体完成探测器的实时校正,保证在不同时刻以及不同应用环境下,黑体的温度始终实时地跟随场景温度,校正系数实时更新,使非均匀性校正的输出误差有效降低。通过实际多个场景对比试验,采用传统定点校正,非均匀性噪声约为4.0,而该方法的噪声不大于2,有效降低50%。     

红外测温过程中灰度值漂移的修正

对基于中波红外焦平面探测器实现目标的表面温度测量进行了理论及实验研究。介绍了红外测温系统的组成和测量原理,建立了红外探测器测温模型。分析了标定过程中出现的红外探测器灰度值漂移现象,通过4种不同的实验方法总结了红外探测器灰度值漂移的规律,根据这些漂移规律提出了漂移补偿的方法。最后,以黑体为目标进行了测温实验。结果显示,漂移补偿前后的测温误差分别为1．965℃和0．335℃,表明测温精度得到了很大的改善。