热红外热像仪测量温度的误差能达到多少

发射率对红外热像仪温度测量的影响，求详述！！~

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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
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
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[ 1~ 5] :
Lm = ..Lt + ( 1- ..) Lb, ( 1)
式中Lm为到达镜头前的总辐射亮度, L t为目标的
辐射亮度, Lb为环境的辐射亮度, ..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L 与辐射出射度M 存在如下关系[ 6, 7] :
L =
M
.., ( 2)
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[ 6~ 8] :
M t = ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T t - 1
d.., ( 3)
Mb = ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T b - 1
d.., ( 4)
式中M t为目标的辐射出射度, Mb为环境的辐射出
射度, Tt为目标绝对温度, Tb为环境绝对温度, ..
为波长, c1为第一辐射常数( 3..741 8 .. 10- 16 W ..
m2 ), c2为第二辐射常数( 1..438 8 .. 10- 2 m.. K )。
将式( 2)、( 3)、(
4)代入式( 1)得:
Lm =
..
.. ..14
8
c1 ..- 5
ec2 /..Tt - 1
d..+
1 - ..
.. ..14
8
c1 ..- 5
e
c
2
/..T
b - 1
d... ( 5)
.. .. TP8型长波红外热像仪根据设置的目标表面
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L t是Tt为自变
量的函数, 记作:
L t = f (T t ) =
1
.. ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T t - 1
d.., ( 6)
则有:
T t = f
- 1
( Lt ) . ( 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:
..T t = f
- 1
(L t + ..L t ) - f
- 1
( Lt ), ( 8)
由式( 1)可得:
..Lt =
Lb - Lm
..2 .. ....-
1 - ..
..
..Lb, ( 9)
其中:
..Lb = f (Tb + ..T b ) - f (Tb ), ( 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..Tt取决于....、..、..Tb、Tb和Lm。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
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
\f
外热像仪应当避免测量目标表面发射率很小的目标温度。
图1.. 热像仪测量温度误差曲线图
F ig. 1.. Erro r curves of the rma l infrared im ager in m easuring tem pe ra ture
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
标表面发射率, 获得不同的温度值。
实验时, 红外热像仪记录的环境温度为
299..95 K, 根据式( 5) , 可以计算Lm的值。由于红
外热像仪在相同环境下测温同一目标, Lm应为固
定值。若计算的Lm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Lm如表1所示。
表1.. 目标表面发射率与总辐射亮度关系表
Table 1.. R elation be tween surface emissivity and to tal radiance lum inance
.. Tt /K Lm / (W /( sr.. m2 ) ) .. T t /K Lm /(W /( sr.. m2 ) )
0. 97 317. 75 70. 52 0. 60 327. 55 70. 51
0. 96 317. 85 70. 45 0. 58 328. 35 70. 48
0. 95 318. 05 70. 48 0. 56 337. 35 70. 48
0. 94 320. 05 70. 50 0. 54 338. 35 70. 49
0. 93 322. 05 70. 52 0. 52 339. 35 70. 48
0. 92 324. 05 70. 53 0. 50 340. 45 70. 47
0. 91 325. 05 70. 45 0. 48 341. 55 70. 42
0. 90 328. 05 70. 54 0. 46 342. 85 70. 44
154 .. .. .. .. .. 中国光学与应用光学.. .. .. .. 第3卷..
\f
续表1
.. Tt /K Lm / (W /( sr.. m2 ) ) .. T t /K Lm /(W /( sr.. m2 ) )
0. 88 319. 45 70. 54 0. 44 336. 05 70. 39
0. 86 319. 85 70. 52 0. 42 337. 55 70. 39
0. 84 320. 25 70. 50 0. 40 339. 15 70. 38
0. 82 320. 75 70. 53 0. 38 340. 95 70. 39
0. 80 321. 25 70. 55 0. 36 343. 15 70. 50
0. 78 321. 75 70. 55 0. 34 346. 15 70. 83
0. 76 322. 25 70. 53 0. 32 350. 15 71. 44
0. 74 322. 75 70. 50 0. 30 352. 85 71. 41
0. 72 323. 35 70. 51 0. 28 355. 75 71. 33
0. 70 323. 95 70. 51 0. 26 359. 05 71. 25
0. 68 324. 65 70. 55 0. 24 362. 85 71. 18
0. 66 325. 25 70. 49 0. 22 367. 15 71. 09
0. 64 325. 95 70. 48 0. 20 372. 15 70. 99
0. 62 326. 75 70. 51
.. .. 从表1 可以看到, 当目标表面发射率> 0..5
时, Lm的值基本在70..5W / ( sr.. m
2
)左右; 当目标
表面发射率< 0..5 时, 特别是目标表面发射率
< 0..36时, Lm的值偏离固定值很大。这个特性是
根据发射率选择红外靶标表面材料的依据。
图2.. 不同表面发射率材料的红外图像
Fig. 2.. In frared picture of differentm a terials w ith d ifferent
surface em issiv ities
5.. 实验结果
.. .. 为了直观地反映材料表面发射率对测温精度
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
据这个结论, 红外靶标系统选择表面发射率为
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。

一般常用的红外热成像仪是通过对 9~14 μm 波段的电磁波来进行成像和探测实现的。根据黑体辐射原理，任何物体都在向外辐射电磁波，温度越高，辐射的电磁波波长越短。太阳的温度很高(高达5700 K左右)，所以太阳辐射的电磁波峰在500 nm左右。而对于常温(27℃)的物体，其辐射峰值约在10 μm左右，并且辐射功率与温度正相关。所以如果有一种类似相机的设备，能够探测 9~14 μm 的电磁波，将能够利用物体自身的辐射来进行成像，而不需要外部的照明光源。由于辐射的强弱与温度正相关，因此，成像的亮度也与物体的温度正相关：温度越高，辐射功率越高，探测到的信号越强，对应的成像也就越亮。因此，这种成像设备能够用来测试物体表面的温度分布。由于是利用物体自身的辐射进行成像，不需要额外的照明光源，所以在夜晚等环境下也能够成像，实现类似夜视仪的效果。
自然界中除了人眼看得见的光（通常称为可见光），还有紫外线、 红外线等非可见光。自然界中温度高于绝对零度(-273℃)的任何物体，随时都向外辐射出电磁波（红外线），因此红外线是自然界中存在最广泛的电磁波，并且热红外线不会被大气烟云所吸收。随着科技的日新月异，利用红外线这一特性，采用应用电子技术和计算机软件与红外线技术的结合，用来检测和测量热辐射。物体表面对外辐射热量的大小，热敏感传感器获取不同热量差，通过电子技术和软件技术的处理，呈现出明暗或色差各不相同的图像，也就是我们通常说的红外线热成像；将辐射源表面热量通过热辐射算法运算转换后，实现了热像与温度之间的换算。

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京口区18577324008： 为什么我的热成像仪会测温不准?我是按照红外热像仪使用说明书正确操... - ？
骆虹天宁： 当测温不准时,可首先检查是否是不正确的操作引起的.1) 是否对焦准确: 红外可见光融合模式中的画中画,为准确调焦提供了方便的判断依据.准确调焦,红外与可见光部分完全吻合.未准确调焦,红外与可见光部分有错位现象.2)是否正确设置热像仪参数:发射率;背景温度补偿;透射率.我司用的福禄克,高精确的测温是必须的,不然也不会用他们的.

京口区18577324008： 红外测温仪和热像仪测温哪个更准 - ？
骆虹天宁： 通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像.热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度.通过查看热图像,可以观察到被测目标的整体温度分布状况,研究目标的发热情况,为工作和研究提供判断依据.我们...

京口区18577324008： 红外测温仪 技术指标? - ？
骆虹天宁： 1,温度段的确定 2,被测物体大小(直径)的确定 3,测量距离(距离系数比,被测目标和测温探头的距离)要求 4,测量精度的要求,允许误差是多少 5,重复性精度(这个参数主要是看产品的使用稳定性) 6,对反应时间的要求,一般情况下红外测温仪都能满足要求 7,对输入输出的要求,是否要连接其他设备 8,瞄准方式(目视和激光) 上面这些基本上是红外测温仪的主要技术参数了,像还有关于探测器类型、响应波长、工作环境温度等也是在选择的时候要注意的问题. 关于技术指标的话你也可以参考百度百科的＂红外测温仪＂相关词条!

京口区18577324008： 有没有精度在正负1%的手持红外测温仪 - ？
骆虹天宁： 其实精度的大小对实验结果影响很小,关键是测量参数设定的准不准确,参数不够精确的话,你精度再高,也保证不了测量的真实性.如果参数设定够精确的话,精度为±2℃或±2%的热像仪测量结果与实际的误差也是很小的,可能只有0.5℃的差距,所以测量精度这个参数并不是很关键的参数.还有不明白的可与我留言.

京口区18577324008： 如何确保红外测温仪测温精度? - ？
骆虹天宁： 取决于选择的型号、测量的目标和发射率共同作用的结果.不能一概而论. 1、型号的精度最高可达0.1%. 2、对不同的测量目标,发射率调整到正确的测量目标的发射率(如铜,如果波长为8~14微米,调整到0.8最佳;不同波长的红外测温仪对不同的物体有不同的发射率,不能一概而论).所以红外测温仪的精度要取决于选型正确与否,发射率调整是否正确;不能一概而论.

京口区18577324008： 红外线测温仪的测温范围一般是多少 - ？
骆虹天宁： 要看目标大小和测温仪的距离系数,测量距离=目标最小直径*距离系数,还要注意最小测量距离的规定. 红外测温仪册的就是表面的温度,不过在测量是要了解被测目标的发射率,然后再测温仪菜单里进行设置.如果环境温度很高 加个空气吹...