双波段比色精确测温技术

非接触红外辐射测温具有响应速度快、准确、便捷等优势。为实现中低温(50~400℃)物体温度的精确测量,根据双波段比色测温原理,搭建了双波段比色测温试验系统。首先对试验系统所用的试验器件进行精确标定,得到拟合曲线,用多种插值算法对曲线进行校正。然后,用设定温度的面源黑体作为试验目标来进行试验温度数据采集。实验结果表明:搭建的双波段试验系统不需要知道目标发射率,也能较为精确地得到中低温物体的真实温度。当系统标定置信度为0.95 时,物体的标准偏差在3℃以内。验证了搭建测温系统的正确性,实验装置的搭建对中低温物体真实温度的精确测量具有重要的研究意义。     

中、长波热红外系统辐射测温精度比较

对测量用热红外系统在3～5μm和8～12μm波段的辐射测温精度进行比较分析,研究是在典型的实验室条件下进行的,并且以温度范围为270～900 K的目标作为研究对象。首先推导出了红外系统的抗干扰函数DRF,根据DRF曲线可以看出,相同大小的信号干扰对中波红外系统的温度测量精度影响要小一些。然后针对目标的物理特性和实验环境对测温精度的影响进行理论分析,基于理论公式,分析了干扰信号(发射率估计误差、大气透过率、目标反射辐射和光学系统辐射变化)对测温精度的影响。从分析结果看出,在典型的温度范围内,中波红外系统的测温精度比长波红外系统的精度高。     

双波段比色精确测温技术研究

双波段比色精确测温是红外测温的一种,可以比较精确的测量出物体的温度。本文首先介绍红外测温和双波段比色精确测温的系统结构和原理,包括温度结果的计算的过程;然后介绍了比色测温实验平台的设计和测温系统的标定方法;文章最后做了实验分析,同时对文章做了小结。     

双波段比色测温技术及实验测试

温度是自然界最重要的物理量之一,在不知道被测目标发射率的情况下,为了精确测量中低温(50～400℃)物体的真实温度,建立了双波段比色测温的实验系统。首先,根据双波段比色测温法的实验原理选择合适的实验器件,并对实验器件进行校准,用工程软件进行离散数据的曲线拟合,即对实验器件进行标定。然后,在实验器件被标定的基础上进行实验测量,即用设定温度的面源黑体(50～400℃)作为被测目标来采集数据。最后,将实验数据的计算结果(即被测物的实验真温)与设定温度进行比较,找出误差存在的原因和提出改进方法。实验结果表明:此实验系统是完全可行的,且当实验系统的标定置信度为0.95时,物体的真实温精度误差为5℃。搭建的双波段实验系统能较为精确地测量中低温物体的真实温度。     

基于红外热图像灰度修正的辐射测温

基于红外热像仪的测温精度依赖于大气温度、相对湿度、大气透射率、翻转表像温度等参数的测量精度。为了减少这种依赖性和提高测量精度,提出了一种基于红外热图像灰度修正的辐射测温方法。首先基于高精度面源黑体建立了红外热图像灰度修正模型,然后通过灰度修正模型对实测的目标灰度进行修正,最后通过基于加权最小二乘法建立的热像仪辐射定标模型等计算出修正后的目标亮度和温度。在实验室环境下,分别基于红外热像灰度修正辐射测温法和直接用热像仪测温对目标进行了测量。结果表明,在实验室环境下,前者的平均测量精度较后者提高了3.6%。该方法对实验室环境下红外测温有较好的实用价值,对外场红外测温也有一定的借鉴意义。     

基于小波分析的比色测温波段选择

基于辐射测温原理,介绍了比色测温理论,为提高钢水的测温精度,对比色测温波长进行了最佳选择。搭建实验平台,获得了不同温度下的熔融金属辐射亮度曲线,通过小波去噪方法获得信噪比较高的亮度曲线,利用Matlab软件作出了波长选择的GUI界面。当滤波片中心波长选择为λ1=580nm,λ2=590nm时,测量误差满足了测量精度要求。     

双波段比色测温技术的应用

影响辐射测温准确性的因素很多,其中周围环境干扰和物体发射率是主要影响因素,使用比色测温技术可以很大程度上减弱这两种影响。文中介绍比色测温技术的原理,详细说明在比色测温系统中双波段的选取问题,列举实际系统标定过程中出现的一些问题,结合理论知识对这些实际问题进行分析,通过误差分析得出影响实验的主要因素。实验结果表明,温度在600～1 000℃之间,拟合曲线法的最大误差为3.06%,温度越低噪声对实验精度影响越大,测温距离也是导致测量误差产生的主要因素。     

红外人体测温精度补偿方法研究

针对现有人体测温方案测量精度低,使用条件受限等问题,研究了基于红外热成像的无接触人体测温精度补偿方法。综合考虑测温器件,测温环境对测量精度的影响,为解决常规测量方法存在的红外相机输出值随时间发生漂移,红外相机存在周期性斩波信号,温度测量距离不断变化,温度输出值存在频域噪声等多种问题,提出了综合性的温度测量精度补偿方法,有效降低了温度测量的误差。实验表明,通过本文的精度补偿方法,在不同距离下的人体温度测量误差不超过±0.2℃,可以实现人体温度的精确测量。     

基于大气程辐射比例修正的红外辐射特性测量

大气程辐射是影响目标红外辐射特性测量精度的重要因素之一。本文利用大气程辐射修正因子修正大气程辐射值以提高其测量精度。首先,给出目标红外辐射特性测量模型,然后,提出利用大气程辐射修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将一定距离下实际测量的大气程辐射和MODTRAN计算的大气程辐射之比定义为大气程辐射修正因子,最后利用该修正因子对其他距离的MODTRAN计算的大气程辐射进行修正并进行目标的辐射反演,获得目标辐射特性。本文利用中波红外摄像机和小面源黑体开展目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,本文方法较传统方法可以在一定程度上提高目标辐射特性测量精度,将精度提高2%左右。     

比色测温中外界环境误差的减小方法研究

基于比色测温原理,论述了对比色测温测量精度影响较大的外界环境因素。通过理论研究,提出从比色测温双波段采集到的信息中除掉外界环境干扰因素的思路,并通过对大量实验数据的处理分析,得出最佳的校正模型,提高了比色测温的测量精度。     

3～5μm红外探测器的辐射定标

在对目标进行红外跟踪测量时,为了得到目标空间位置的同时,获得其红外辐射特性数据,设计了一套红外焦平面阵列探测器的实验室辐射定标系统。以高精度的面源黑体为标准辐射源,对成像范围为3～5μm的中波红外探测器进行了响应度的标定。首先建立定标数学模型,确定定标流程;然后使用线性回归统计模型对响应度曲线进行拟合并评估,针对一般线性最小二乘法对局外点(outlier)敏感的缺点,提出Robust优化算法;最后,在外场对温度和特性已知的目标进行测量,通过实验室得到的响应度曲线和大气透过率参数进行红外辐射特性数据的反演,得到实际测量值与理论值的相对误差小于2%。结果表明,Robust优化算法能有效改善红外焦平面阵列响应度非线性引起的反演不确定度。     

Method of Calculating the Radiance of Point-Source Target in Infrared Image

In traditional method of obtaining the radiance of target in infrared image, a target is often considered as an extended source. In that way, we only need the atmosphere transmittance, path radiance, and target apparent temperature to calculate the blackbody equivalent temperature of the target. However, in real infrared system imaging process, the target may be so far from the sensor that the target should be taken as a point source. In that case, the traditional data analysis method is not applicable anymore. A new method of calculating the radiance of small target is presented, which is based on the infrared system imaging theory. And the parameter needed to be input in this method is easily obtained. This method is tested by three different imaging systems. They are Thermal Vision AGEMA 900, AGEMA 1000, and Airborne Surveillance Pod Imaging System. The method is programmed into software, IRIDAS (Infrared Radiation Image Data Analysis Software) version 1.0. This software includes infrared imaging system calibration, atmosphere modification calculation, target and background selection and radiance calculation. This method can be used in infrared data anaylsis, infrared system evaluation and testing, target and background characteristics obtaining.     

红外目标光谱辐射亮度测试技术

红外目标光谱辐射亮度对于武器光电系统的搜索、跟踪及目标识别都具有重要的应用。以红外辐射理论为基础,在同温度、同波长下采用红外傅里叶分光法并与标准黑体相比较的方法对红外目标光谱辐射亮度进行了测试技术研究,建立了红外目标光谱辐射亮度计量测试装置。根据实验结果分析,该装置在波长范围2.5～14 m,1 000 ℃、3 000 ℃、5 000 ℃、7 000 ℃四个温度点条件下,测量误差为1%,在5 000 ℃、7 000 ℃时,测量误差小于0.1%。分析讨论了对测量结果产生影响的因素,得出当标准黑体温度与被测红外目标温度不一致时,会给测量带来较大误差;在3.0～5.4 m范围内,分别选用InSb和MCT两种探测器,产生的偏差为0.5%。     

基于波段处理而引起的热像仪辐射测量误差计算

如果热像仪采用直流耦合，电路增益和背景电平稳定，则通过定标后可以进行红外辐射测量。热像仪用于辐射测量时一般基于波段内总辐射量进行定标和数据处理，而不考虑光谱特性。由于热像仪响应、大气衰减以及有些目标辐射明显的光谱选择性，基于波段处理会带来测量误差。本文给出热像仪测量方程和由基于波段处理而引起的测量误差计算公式，并进行示例计算，对计算结果进行分析和讨论。     

3~5μm红外天空亮度测量的多元定标模型

传统一元定标法测量红外天空亮度,面临诸多困难,如测量易受环境温度变化影响、仪器动态范围不足等。提出增加积分时间为自变量的二元定标模型,解决了仪器动态范围不足的问题;然后通过改变环境温度的系列实验,掌握了二元定标模型中仪器辐射随环境温度变化的规律;基于此,提出再增加环境温度为自变量的三元定标模型。实验数据表明,三元模型与实测数据拟合程度很高,相关系数为1.000,模型参数a、b、d,95%置信度的相对不确定度均小于0.82%,当环境保持某一温度不变时,三元模型退化为二元模型,各模型参数稳定,其相对偏差小于0.6%。最后,通过红外天空亮度实测,验证并比较了三元和二元定标模型;结果表明,三元模型定标测量法使用条件宽泛,既扩大了仪器动态范围,又不受环境温度变化影响;更重要的是,不再需要现场定标,提高了测量精度和测试效率。     

基于图像灰度的大范围辐射温度反演

为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。     

热红外遥感中大气透过率的研究(二): 大气透过率模式的应用

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。针对前文构建的大气透过率模式, 以我国环境灾害卫星HJ-1B红外相机IRS第4通道的大气透过率模式为例, 利用辐射传输模型MODTRAN模拟水体辐亮度, 对模式中的变量引入不同的误差, 将模拟的辐亮度反演水温, 分析不同气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角对反演水温的敏感性。并将该大气透过率模式用于HJ-1B/IRS热红外图像中, 反演了2009年4月17日、21日、22日和25日太湖水温。研究结果表明: 同一波段、不同气溶胶模型的大气透过率模式在反演温度时会产生不同的误差, 以气溶胶模型为平流雾的最大、对流型的最小;大气透过率模式中3个变量的误差与温度反演的误差呈线性关系, 即变量的误差越大, 温度反演的误差也越大;以水汽量对温度反演最敏感, 观测天顶角其次, 能见度最弱。该大气透过率模式用于4天遥感图像反演中, 除4月17日反演的误差稍高, 均方根误差和平均相对误差分别为1.127 ℃和5.75%, 其他3天的均方根误差都小于1 ℃、平均相对误差在5%以下, 说明所建的大气透过率模式在热红外遥感中具有较高的应用精度。     

喷气发动机红外辐射成像测试、处理与评估

航空喷气发动机的红外辐射特性是对发动机进行隐身设计与反隐身探测的重要依据。首先,针对发动机高温部件及燃气温度范围宽、梯度大而超出红外热像仪响应范围的问题,提出了多积分时间组合测试方法,实现了不失真测试;其次,通过多帧时间平均方法分析了各积分时间对应的测温范围,并采用逐像素辐亮度值替代方法,获得了代表发动机全部辐射信息的合成图像;最后,根据合成图像计算了发动机红外辐射强度,并与相同测点的红外光谱辐射仪测试结果进行对比,最大误差不超过10%。结果表明:基于红外热像仪的多积分时间组合测试方法及其数据处理方法是合理有效的。     

红外辐射测量的大气修正

大气中目标辐射特性的测量必然受到大气的影响,为了得到目标本征的辐射特性,必须对大气进行修正.介绍了红外目标辐射测量中的大气透过率修正原理和必要性,给出了几种获得外场大气透过率的方法,并对其大气修正精度进行了讨论.