辐射源开口尺寸在红外热像仪校准中的影响

胡蝶 岑淑琼

摘   要：通常，红外热像仪可以接收测量物体发出的辐射，并且仅可以吸收此一种。研究显示，辐射温度计的输出信息是紧密关联于周围环境的背景辐射这一因素的，同时输出信号也同目标物体的辐射能力之间有一定的联系。文章着重分析了红外热像仪校准中辐射源开口的尺寸的影响情况，以给实践工作提供有价值的指导。

关键词：红外热像仪;辐射源;开口尺寸

在理想状态下，红外热像仪只接收测量物体发出的辐射，但是在实际运作过程中，辐射温度计的输出信息与周围环境的背景辐射有着密切的联系，输出信号与目标物体的辐射能力也有很大的关联，考虑为辐射源尺寸带来的影响。对于理想辐射温度计，不存在辐射源尺寸效应，具有理想的测温系统。当被测等温目标大小完全覆盖辐射温度测温仪器的探测器时，辐射温度计的测温结果不受被测目标大小的影响。

然而在日常的实验中，多数热像仪设备在依照使用说明更改内部测温条件以后，在不同尺寸的辐射源以及不同的距离测温，其亮度温度固有误差均有差异，则考虑辐射源尺寸效应是对校准和测量结果产生重要影响的关键因素。测温应用中，被测对象尺寸与校准条件有明显差异时，或者比较两个不同大小的目标测量结果时，需要对测温结果进行修正。

用直接测量法设计一组实验，用热像仪瞄准一个具有可变窗口的均匀亮度辐射源（可变窗口通常选取用光阑改变辐射源开口大小的方式），在不同窗口记录其测温情况。为避免独立样品的特殊性，选取两个厂家的3个型号的红外热像仪作为实验对象。辐射源选用面辐射源和腔源，面辐射源选用FLUKE4181和FLUKE4180，腔源选择RQR-700和BF-50C，其中BF-50C直径为Φ60 mm，其溯源方式为直接溯源，其黑体亮度温度可直接作为标准值使用。

实验时，将4个辐射源分为两组，分别得到两个同一设置温度下热像仪测量面辐射源与腔源的误差值。

选取直径为50 mm的光阑（外径应足以遮擋面辐射源）将面辐射源的开口直径改变，再得到两组误差值。为减少反射对测量结果的影响，光阑涂有一层高吸收比的黑漆，可位置重复地插入光阑支架，使光阑的中心处于辐射源的轴线上。测量中将处于室温的光阑插入支架，尽快完成测量后取下支架，以免光阑温度因辐射源加热而明显升高。

考虑测量实验采用面辐射源，辐射源于前置光阑的相互反射会使辐射源有效辐射亮度随光阑改变，影响测量结果。光阑与辐射源之间距离越大，相互反射的影响越小。因此，进行了光阑与辐射源间距影响实验，确定可忽略相互反射影响的光阑与辐射源最小间距D。

将辐射源设定为300 ℃，选取直径50 mm光阑，测温距离L始终为390 mm，使用性能较好的TRT IV.82辐射温度计，通过改变光阑与辐射源之间的距离，找到测量结果较稳定时相对应的距离，实验结果如表1所示。

根据实验，选取光阑距辐射源200 mm。在大于或等于200 mm处，测量结果一致，表明间距大于200 mm时相互反射对辐射源有效亮度的影响可以忽略。

实验准备：将辐射源与被测热像仪放置在恒温实验室4 h以上，其中BF-50C与FLUKE4180设置为50 ℃，RQR-700和FLUKE4181设置为200 ℃，开机恒温。实验室恒温恒湿，满足热像仪校准条件，热像仪开机预热，一般为自校准15次。

Ti400和Ti200可自动调焦，将其固定在距面源1 200 mm的位置（测试距离为厂家提供），T630在仪器设置中将检测距离设置为1 m，使其在距辐射源1 m的位置清晰成像。当移动到腔源时，需考虑辐射源腔深，例如，BF-50C腔深200 mm，在测试时，试验距离选取1 200 mm时，需先在1 200 mm使热像仪清晰对焦，再将热像仪移动至距离辐射源靶口1 000 mm处（测试距离默认对靶底）。

实验流程：使用有溯源值的辐射温度计作为参考温度计（TRT IV.82），测量黑体辐射源的温度并修正，得到黑体辐射源测量值tBBi， j，实验结果如表2所示。

从测量结果中可看出，在检测距离一定时，辐射源开口大小对热像仪的温度有显著的影响。其中使用面辐射源作为参考辐射源时，热像仪Ti400和Ti200的测量值明显高于使用腔源作为参考辐射源的测量值。型号T630的热像仪有较小差异。

根据以上结果，在其他设定条件保持不变的情况下，在面辐射源前加设直径为50 mm，使两组辐射源的开口大小均为Φ50 mm。

根据以上测量结果，加设光阑后，使用面辐射源和腔源的测量值已明显接近，这时腔源的数据略高于面辐射源加光阑的结果。考虑其差异原因为，在计算测量距离时，默认算到底部，受腔源和面辐射源结构的影响，腔源恒温区的实际距离可能小于面辐射源，热像仪受距离因素的影响，使测量值略有差异。但由辐射源开口大小造成的温度差异已大幅度减小。

值得注意的是，在加光阑以后，型号Ti400和Ti200的测量数据偏低，在200 ℃时，亮度温度误差均不满足其技术指标。这一现象与其出厂检测试验有关（与厂家沟通后得知，该品牌样品均在使用面辐射源为参考辐射源的情况下，在固定距离1.2 m处测试出厂），故在选择消除测量差异的同时，要考虑设备本身条件。

在说明书（生产厂家要求）没有特别说明的情况下，使用腔源作为参考辐射源，将稳定性能较好的辐射温度计测量的结果作为参考标准是测量热像仪亮度温度的最佳组合，在使用面辐射源时，可考虑辐射源前置光阑的方法，使测温窗口与腔源保持一致，则可显著地减少辐射源开口尺寸对热像仪校准的影响。

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