观测距离及视角对红外热辐射检测的影响研究

周志成，魏 旭，谢天喜，唐 忠，崔昊杨



观测距离及视角对红外热辐射检测的影响研究

周志成1，魏 旭1，谢天喜1，唐 忠2，崔昊杨2

（1. 江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2. 上海电力学院，上海 200090）

观测距离和视角是影响红外热辐射检测精度的两个关键参量。为评估观测距离和视角对红外热像仪测温精度的影响，实验测量了不同观测距离和视角条件下的温度，并对测量的实验结果进行了分析。结果表明随着目标的观测距离和视角的增大，红外热像仪的测温精度均出现一定程度降低，通过对实验数据进行拟合补偿了距离和视角造成的误差。

红外热辐射；温度测量；观测距离；视角

0 引言

红外测温由于具有非接触检测、灵敏度高、测温范围宽等优势，被广泛应用于工业、农业、航天遥感、医学等领域[1-2]。特别是红外热像仪具备检测目标体的表面温度场分布信息的功能，能够将目标的热红外辐射转换成可见光，因此极大拓宽了人类的视野和视觉能力[3]。目前，在红外热像研究方面领域包括非均匀性校正、图像增强、对比度增强等红外图像处理技术[3]，以及红外热像检测过程中的精度校正技术等。其中，在红外热像检测精度校正技术，主要研究了了环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响[4]、目标距离和视场角变化对测温精度影响[5]、距离对测温精度的影响[6-7]、观测视角对测温结果影响[8]等几个方面。

尽管这些研究对于红外热像仪的精度校正均取得了一定的效果，为红外热像的理论研究及实际应用奠定了较好的基础，但是上述研究往往只是对影响热像仪测温精度的距离或视角等因素开展单独的影响研究。由于红外热像仪获取的被测目标体的表面温度决定于根据接收到的热辐射，而按照红外辐射的大气传输理论和红外辐射度学可知[9]，观测距离和观测视角都是目标体表面红外辐射检测中的关键参量，因此在实际的使用过程中，需要综合考虑观测距离或者观测视角对红外热像检测的影响，确定测温精度与目标距离、观测视角之间的关系，从而能够对测量误差进行修正或补偿。针对这一问题，本文开展了不同距离、不同观测视角条件下的红外热辐射检测研究。实验测量了距离及视角影响下的温度误差，并对其进行了补偿校正。

1 红外辐射检测基本理论

由红外热像仪检测原理可知，红外热像仪是靠接收被测表面发射的辐射来确定其温度和热图像，而红外热像仪探测器输出的电压信号则在很大程度上取决于在探测器焦平面上的辐射照度。由几何光学和红外目标辐射理论，焦平面电压输出信号与视角的关系可表达为[5]：

式中：max、d、、¢分别为探测器的最大灵敏度、探测元面积、发射率和像方孔径角；1、2是探测器探测波段范围；1、2是普朗克数项；、()为透过率和相对灵敏度。从红外目标辐射理论也可以得出输出信号随观测距离的变化关系为[6]：

式中：0为被测物体表面温度；u为环境温度。从公式(1)、(2)中可以看出，在影响红外热像仪测温结果准确性的影响因素大致有以下几个方面：观测距离、观测视角、环境温度、环境湿度。在相同条件下，改变其中任何一种因素的值，均会使红外热像仪测量结果发生改变。以往的实验和理论研究均表明：红外热像仪测量结果同测温距离、观测视角的变化呈现一定的规律性，通过建立观测距离与视角之间的对应模型，就能在实际应用中，根据环境条件对热像仪测温进行校正，这样能提高已有红外热像仪的实用性。

2 实验

实验在环境温度为30℃，相对湿度为49%的实验室内进行，图1为实验测量观测距离和视角对红外辐射影响的原理图。实验过程中选用的红外辐射检测装置为IRT513-A型红外热像仪，工作波段为8～14mm，氧化钒探测器探测像元数为320×240，像元尺寸为38mm×38mm，成像形式选择25Hz PAL制式，热像仪的温度分辨率为50mK@30℃，红外热像仪图像信号通过网线连接到计算机。被测目标即红外辐射体为Fluke红外黑体源。红外黑体源放置于旋转云台上，再固定于导轨滑块表面。通过导轨滑块的移动可以控制黑体源与红外热像仪的间距。在红外热像仪上、黑体源上分别固定激光二极管和光学反射镜，通过激光二极管发射的激光和光学反射镜反射回来激光在光路上重合，确保热像仪镜头面和黑体源辐射面处于同轴平行状态，并用作角度旋转的初始零角度。云台的旋转角度、导轨滑块的移动距离可由计算机编写的程序进行控制。旋转云台上放置高性能数显角度尺用以验证计算机控制云台旋转角度的正确性。

3 实验结果与讨论

实验过程中将黑体源的温度设定为100℃，利用红外热像仪分别测量了黑体源与热像仪在不同的间距、不同观测视角条件下的温度，每组测量重复3次取平均值以降低实验测量误差。观测距离（红外热像仪与红外黑体源间距）的间距步长为1m，最远观测距离为30m。观测视角（红外热像仪探测平面与红外黑体源辐射平面）范围为－80°～80°，测量角度间隔为10°。图2为不同观测距离和视角条件下测量到的温度值曲线，从中可以看出，在相同测量距离下，随着观测视角的变大，测量温度值将出现下降趋势，这同以往文献报道[8, 10]的结论相一致。这表明黑体或漫辐射物体在辐射表面法线方向的辐射最强，如果与法线成一定角度的视角去检测，红外辐射信号将出现衰减趋势，且随视角增大而大幅减小。另一方面，当测量距离增大时，实验测量值也将出现下降趋势，如当观测距离达到30m时，即使在黑体辐射法线方向测量到的温度值也只有80℃左右，相对误差为20%，测量绝对误差较大，无法达到测温精度要求。这种误差的产生可以归因为随着距离的增大导致的大气透过率减小，以及由于距离增大时，目标尺寸相对于瞬时视场面积减小导致的输出信号降低所致[6]。

图1 观测距离及视角对红外辐射检测影响实验测量装置图

图2 不同观测距离和视角条件下测量到的温度值及拟合曲线

从上述实验结果以及分析可知，利用红外热像仪监测目标物体的红外辐射时，观测距离、观测视角对于结果均存在较大的影响，这就有必要找出距离、视角与红外辐射检测之间的关系，并以此对上述误差进行校正。对于观测视角而言，当考虑红外热像成像系统不存在斜光束渐晕时，观测视角为的像面照度与法线方向上的像面照度¢关系可以写为[5]：＝¢cos4；对于观测距离而言，可采用多项式的形式进行拟合[6]。考虑到观测距离及观测的视角对红外辐射检测均存在一定的影响，由此得到距离、视角与测温结果之间的关系式：

(,)＝0cos－－2(3)

式中：0为红外辐射体表面真实温度；为观测视角即热像仪镜头法线与黑体源辐射面法线夹角；为热像仪镜头与黑体源辐射面的间距；是观测角余旋幂指数系数；、分别是观测距离一次项和二次项的系数。将、、作为拟合系数对实验数据进行拟合，拟合结果如图2所示。可以看出，当距离的较小时，实验数据得到了较好的拟合结果，但在大观测角度时，拟合结果与实验结果出现偏差，误差随着观测视角的增大而增大。如在2m的观测距离下，在(－60°, 60°)范围内，实验数据得到很好的拟合，但在±60°以外，误差逐渐增大。随着观测距离的增加，实验数据与拟合结果的最大符合视角逐渐减小，在30m观测距离下，最大符合视角只有±30°左右。

利用公式(3)对实验数据的拟合可以得到夹角余旋幂指数系数为4.5，观测距离一次项系数为0.3205、二次项系数取值为0.01103。在利用公式(3)以及上述参数的基础上，对观测距离为2m时不同观测视角下实验温度数据进行了校正，得到了校正后的数据曲线，如图3所示。可以看出，在实验检测允许的误差范围内（±2℃），经过校正后的数据使得最大允许观测视角达到了±65 ，而实验直接测量时的最大允许观测视角范围只有约±30 。这说明采用上述理论公式可以在一定程度上扩展实验观测视角，降低了由于视角带来的误差。另一方面，受到红外热像仪性能的影响以及实际环境因素的影响，可以看出距离、视角与测温结果之间的实际公式大体上与理论公式还存在一定的误差。从公式(1)中可知，焦平面输出信号与视角在理论上成余旋4次方关系，但对实际测量数据的拟合得到的值为4.5次方。这可以归结为当观测距离和视角越大时，被测物体发射率变化导致热像仪接受到的热辐射越少，从而产生了热像仪表观温度值与理论值之间的误差。而对于输出信号与距离的变化关系，实验测得的数据与理论公式也存在一定的误差值，这可以归因为随着距离的增大，大气透过率减小以及热像仪的瞬时视场角面积增大而导致的热辐射衰减。通过本文建立的观测距离与视角之间的对应模型，可根据环境条件对热像仪测温进行一定的校正，以此提高了已有红外热像仪的实用性。

图3 观测距离为2m时不同视角下的实验数据、拟合线和校正后结果

为进一步体现观测距离和观测视角对目标体表面红外辐射检测的影响，利用公式(3)及拟合获取到的数据仿真了不同观测距离和不同观测视角条件下相对温度的空间分布，如图4所示。其中横坐标分别为观测距离和观测视角。图4的仿真结果同样表明，随着观测距离的增大，相对温度值呈现下降趋势，如图5(a)所示。而随着观测视角的增大，相对温度值也同样呈现下降趋势，如图5(b)所示。上述结果表明，为准确获取红外辐射体表面温度，观测距离越远，可选择的观测视角应越小。这主要是由于在较远的观测距离和较大观测视角条件下，目标尺寸相对于瞬时视场面积减小导致，距离越远，观测视角越大，目标尺寸在瞬时视场中的面积越小，红外辐射信号也就越小，相应地检测到的温度值越低。当观测视角达到一定程度后，目标尺寸的有效面积在瞬时视场中已经较难分辨，造成测温结果可靠性急剧下降。在更大的观测距离和观测视角条件下，检测到的温度值将接近于环境温度值，红外热像仪对于辐射源的分辨能力也将进一步降低。

图4 不同观测距离和视角条件下相对温度空间分布

4 结论

观测距离及观测的视角对红外辐射检测均存在一定的影响。实验结果和理论仿真结果均表明：随着观测距离的增加，红外辐射在大气中的透过率将减小，同时随着观测距离增大，目标尺寸相对于瞬时视场面积将减小，从而导致的输出信号降低，红外热像仪探测到的温度值将偏小。另一方面，随着红外热像仪检测像面法线与黑体源辐射表面法线夹角的增大，目标尺寸相对于瞬时视场面积也将减小，同样导致红外热像仪探测到的温度值偏低。此外，随着观测距离的增大，允许的最大观测视角并非是固定值，而是出现逐渐减小的趋势。在红外热辐射的检测过程中，检测距离不应该超过允许的范围，同时应尽量选择在被测目标体表面的法线方向检测。本研究能够对红外热像随目标观测距离和视角影响造成的误差进行较好的补偿，从而对于红外热辐射检测具有现实的意义。

图5 不同距离及不同视角下的温度分布曲线

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Influence of Observation Distance and Angle of View on the Detection Accuracy of Infrared Thermal Radiation

ZHOU Zhicheng1，WEI Xu1，XIE Tianxi1，TANG Zhong2，CUI Haoyang2

(1.,211103,; 2.,200090,)

Observation distance and the angle of view are the key parameters influencing the detection accuracy of infrared thermal radiation. In order to evaluate the effects of the observation distance and the angle of view on the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager, the temperature had been measured at different observation distances and the angles of view, and the experimental data were analyzed. The results show that the temperature measurement accuracy of the infrared thermal imager is reduced with the increase of the observation distance and the angle of view. The measurement error caused by distance and angle of view had been compensated.

infrared thermal radiation，temperature measurement，observation distance，angle of view

TN215, TN219

A

1001-8891(2017)01-0086-05

2016-03-02；

2016-12-07.

周志成（1977-），男，博士，高级工程师，主要从事防雷与接地，过电压分析、输变电设备状态诊断、输电线路技术研究及管理等方面的研究，E-mail：simencola@sohu.com。

崔昊杨（1978-），男，教授，博士，从事红外检测研究，E-mail：cuihy@shiep.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目（61107081），上海市科委地方院校能力建设项目资助课题（15110500900, 14110500900）。