[发明专利]一种红外热像仪低温测温的辐射定标方法

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及对(-100℃～0℃)的低温背景及目标进行基于红外热成像的测温时的辐射定标方法及温度反演方法。 

背景技术

红外热成像测温以其非接触式测量、响应快、直观显示温度场分布、适合大面阵作业等特点，广泛应用于国防安全保障、科考研究、工业无损检测、电力、建筑漏热检测、医疗病理检测等领域。红外热像仪对高温目标响应度高、线性好，测温技术较为成熟。 

随着红外热成像测温向航天、科研等低温目标测量领域不断延伸，其低温测量范围、低温背景下的测温精度存在明显不足，如航天领域的某些环境中，待测温目标温度可达-100℃。目前，美国的FLIR、Fluke，法国的Sofradir，国内的浙江大立、武汉高德、广州飒特等所生产的红外热像仪只标称可对-20℃(部分热像仪标称-40℃)以上温度的目标进行测温。而在实际实验中，这些红外热像仪在-20℃～0℃段的测温值误差过大，甚至失去温度反演能力。 

以上两个方面的不足成为抑制红外热成像测温技术在低温范围进一步发展的瓶颈。本发明根据红外热像仪测温机理分析得出：造成以上问题的原因在于红外热像仪在低温段的辐射定标误差较大、辐射定标范围不足两个方面。基于此，本发明阐述了对红外热像仪进行低温辐射定标的关键技术、方法、步骤，以供具有低温环境及目标温度测量需求的红外热像仪辐射定标作为参考。 

发明内容

本发明针对现有红外热像仪低温目标测温范围不足、测温误差较大问题，从红外热像仪测温机理出发，提供了一套低温辐射定标装置及相应的低温辐射定标方法、温度反演函数拟合方法，可将现有红外热像仪的低温测量范围扩展到-100℃以下，在(-100℃～0℃)范围内提供以热电偶为基准、误差限制在±1℃以内的测温精度。 

本发明通过红外热像仪的低温辐射定标解决了现有红外热像仪低温目标测温范围不足问题，同时还有效地提高了低温目标测温精度。 

本发明基于红外热成像测温原理，采用真空(10^-5Pa)、低温(-190℃)的黑体腔内部的温度可控黑体目标板对红外热像仪进行辐射定标，通过热电偶测量辐射定标温度，通过红外热像仪测量该温度下对应的辐射定标灰度，最后根据辐射定标温度及辐射定标灰度进行红外热像仪的温度反演函数拟合。 

红外热像仪低温测温辐射定标的技术方案包括： 

a)红外热像仪的低温能量可测量能力的理论分析； 

b)辐射定标板黑体面源的要求与设计； 

c)基于红外热像仪的辐射定标实验中，红外热像仪对辐射定标板定标温度点的采集数据为14位原始灰度：在真空、低温环境下对红外热像仪进行辐射定标实验，采集定标温度点上(由粘贴在辐射定标板上的热电偶给出)红外热像仪对辐射定标板成像的14位原始灰度，作为辐射定标灰度原始数据进行存储； 

d)基于红外热像仪数据和定标测试数据的辐射定标灰度数据处理：辐射定标灰度数据处理：将上一步的原始数据进行分析、处理，消除红外热扰，统计出每个定标温度点上对应的辐射定标灰度。 

e)红外热像仪测温温度的反演方法与温度反演函数拟合：将以上测量到的辐射定标温度和辐射定标灰度进行函数拟合。本发明采用分段线性函数拟合法对红外热成像测温温度反演函数进行拟合。定标温度点设置较为密集，可以近似认为两个温度定标点之间的温度段内的温度-灰度函数为线性关系，分别将该段高、低两个端点的温度值和灰度值作为该段温度值和灰度值的最大值、最小值，进行该段内黑体目标的温度和红外热像仪响应灰度的线性映射。其映射方法为：假设一个温度段的温度为Temp，温度范围为[T_empMin，T_empMax]，分别对应的热像仪响应灰度为Gray，灰度范围为[G_rayMin，G_rayMax]，该温度段内温度与灰度的关系可表示为： 

Temp＝[(T_empMax-T_empMin)/(G_rayMax-G_rayMin)](G_ray-G_rayMin)+T_empMin            (1) 

本发明的优点是： 

1、有效地延拓红外热像仪的低温测量范围，最低可对-100℃以下的目标进行准确测温；