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整理红外热像测温技术综述
1.建设项目环境影响评价机构的资质管理
1.法律
3.完整性原则;
2)间接使用价值。
间接使用价值(IUV)包括从环境所提供的用来支持目前的生产和消费活动的各种功能中间接获得的效益。
(3)评价单元划分应考虑安全预评价的特点,以自然条件、基本工艺条件、危险、有害因素分布及状况便于实施评价为原则进行。
(1)安全预评价。
(5)污染防止措施能否达到要求。
8.编制安全预评价报告
(2)环境的非使用价值。
环境的非使用价值(NUV)又称内在价值,相当于生态学家所认为的某种物品的内在属性,它与人们是否使用它没有关系。
(6)环境影响评价结论的科学性。
红外热像测温技术综述
摘要
详细介绍了红外测温技术的基本原理,红外热像仪的工作原理及主要性能参数,红外热像关键技术及研究热点。
概括分析了影响红外热像仪测温精度的因素。
最后介绍了红外热像仪的广泛应用。
关键词:
红外测温,红外热像仪,红外探测器,非制冷焦平面阵
引言
红外测温技术具有非接触、快速、准确等优势,红外热像仪不仅可准确地测量物体的温度,还可以获得与被测物表面热分布场相对应的热像图。
红外热像技术在军事、安防、产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护等领域有重要的应用,其发展和应用前景广阔。
一、红外测温基本原理
1.1红外辐射
人眼能够感受的可见光的波长为:
0.38~0.78微米。
比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外,称为紫外线,比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。
红外辐射,是指波长为0.78~1000微米的电磁波。
1.2黑体辐射定律
众所周知,凡是温度高于绝对零度的物体都可以发射热辐射。
黑体是在同一温度下,热力学平衡状态下具有最大发射能力的物体。
绝对黑体被用做辐射能量的绝对标准,广泛地应用于红外设备的绝对校准、各种材料辐射特性测量、红外探测器和红外测温计定标等方面。
1.2.1普朗克辐射公式
对黑体的光谱特性进行测定,所得光谱辐射出射度随波长变化的曲线如图1-1所示。
由图可见,对应于每一温度,曲线都有一极大值,且随温度升高,辐射迅速增大,曲线极大值也逐渐移向短波侧。
普朗克提出了能量量子化和能量玻尔兹曼分布假设,得到著名的普朗克辐射公式(1-1),从理论上解释图1-1的黑体辐射实验曲线。
(1-1)
式中
C1=3.741833×10-16W•m2
为第一辐射常数,而
C2=1.438832×10-2m•K
为第二辐射常数。
图1-1黑体辐射实验曲线
对应于不同的温度,利用普朗克定律可以绘制出一族曲线。
普朗克辐射定律是关于黑体辐射光谱分布规律的定律,是所有定量计算红外辐射的基础。
1.2.2斯蒂芬-波尔兹曼定律
将式(1-1)对所有波长积分,便可得到描述单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率,即
(1-2)
式中
为黑体辐射常数,
=5.7×10-8W•m2/K4
黑体全辐射出射度和绝对温度的四次方成正比,因此,温度T微小的变化就会引起辐射出射度的较大变化。
如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率,就能确定黑体的温度。
斯蒂芬-波尔兹曼定律是黑体辐射功率随温度的变化规律,是所有红外测温技术的理论基础。
1.2.3维恩位移定律
对于一定的温度T,绝对黑体的光谱辐射出射度有一极大值
。
绝对温度越高,
值就越短。
辐射的功率就越集中于短波端。
黑体温度T与
之间有关系式
(1-3)
式中
b=2.897×10-3m•K
在一般可达到的温度下,与绝对黑体光谱辐射出射度极大值相对应的
波长
位于红外区。
例如,T=4000K时,
=0.72
,辐射峰值才落到可见光的红光部位。
通常要先根据被测目标的大致温度范围,利用维恩位移定律,以确定红外系统的工作波段。
1.2.4朗伯余弦定律
郎伯余弦定律描述了辐射的空间分布定律,如图1-2示,即黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比,表示为
。
图1-2郎伯余弦定律示意图
此定律表明,黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。
因此,实际做红外检测时,应尽可能选择在被测表面法线方向进行,如果在与法线成
角方向检测,则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的
倍。
1.3实际物体的红外辐射定律
黑体是理想化的辐射体,在自然界中理想的黑体是不存在的,大量的非黑体辐射才是自然界中的普遍现象。
实际物体的辐射出射度除了依赖于温度和波长外,还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。
引入一个衡量物体辐射性能好坏的参数—发射率ε来修正实际物体辐射的辐出度,得到公式
(1-4)
只要知道目标物体的发射率ε和全辐射出射度MT,就可以得到目标物体表面温度,这正是红外测温技术的重要理论依据。
若只根据某一个特征波段上的辐射能而测温,测得的温度称为物体的亮温度;若根据2个或多个特征波段上辐射能而测温,得到的是物体色温度;若根据所有波段范围内的总辐射而测温,得到的是物体的全辐射温度。
二、红外热像仪结构及主要性能参数
2.1红外热像仪结构
图2-1红外热像仪结构原理图
红外热像仪是能够实现热像测温的精密仪器,属于窄带光谱辐射测温系统。
红外焦平面阵列(第三章将会论述)是红外热像仪的红外辐射敏感元件和光电转换元件。
热像仪利用光学成像物镜接收被测目标的红外辐射能量分布,“成像”到红外焦平面阵列上集成的众多红外探测器像元上,热辐射能量被转换为电信号,经焦平面阵列输出,经过信号调理、A/D转换后成为数字信号,然后经过非均匀性校正及其他一些数字图像处理手段,获得灰度图像。
利用伪彩色变换技术对灰度图像进行了增强,输出彩色图像到显示屏,提高了人眼的分辨力。
这种热像图与物体表面的温度分布场相对应,再现了目标各部分的辐射起伏,包含着目标的特型。
热图像(如图5-1,图5-2示)上不同颜色代表被测物体的不同温度。
通俗地讲红外热像仪就是将物体表面不同区域发出的不可见红外能量转变为可见的相对应的热图像。
原始灰度图像中的每一个点的灰度值与被测物体上相应点发出并到达焦平面阵列上相对应像元的辐射能量相对应。
经过相应公式计算和修正,就可以从红外热像仪的图像上读出被测物体表面的每一个点的辐射温度值。
2.2红外热像仪主要性能参数
1)探测器类型:
指使用哪种红外器件。
民用领域使用的非制冷型红外探测器有热电偶型、热释电型、微热辐射计型等种类。
2)探测器像素:
焦平面阵列上像元的集成度,集成度越高,分辨率就越高,成本业越高。
目前民用产品中广泛使用640x480像素。
3)工作波段:
指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域。
一般是3~5μm或8~13μm,这两个范围也是大气透过窗口。
4)视场:
使物体能在热像仪焦平面上成像的物空间的最大张角,例如Fluke公司某型号热像仪此参数为23°x17°。
5)最小聚焦距离:
清晰地拍摄目标的最近距离。
这是由红外热像仪镜头镜头焦距,反映了可识别的距离,例如:
30cm~∞。
6)空间分辨率:
表征热像仪对目标空间形状的分辨能力,通常以mrad(毫弧度)来表示。
mrad的值越小,表明其分辨率越高。
弧度值乘以半径等于弦长,即目标的直径。
如1.3mrad的分辨率意味着可以在100m的距离上分辨出1.3x10-3x100=0.13(m),即13厘米的物体。
7)温度量程:
指在一定精度要求下,能够测量被测物温度的范围。
例如:
-20~500℃。
8)温度分辨率:
可以简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确地分辨出目标辐射的最小温度差。
例如:
0.02℃。
9)帧频:
热像仪每秒钟产生完整图像的画面数,单位为Hz。
10)显示方式:
指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示。
11)探测距离、识别距离和辨认距离:
这里只给出大致形象的定义[1]:
探测距离是能将目标与背景及一些能引起注意的目标清晰分别开来的最大临界距离;识别距离是将探测的目标能大致分出种类(如是车辆还是船舰)的临界距离;辨认距离是在分别出种类的基础上的细分(如车辆是坦克还是汽车)的临界距离。
三、关键技术及研究热点
围绕着如何测准来自目标(被测物体)的能量和如何将测得的能量转换成被测物体的真实温度这两点,红外热像技术研究和发展一直在不断深入。
3.1红外探测器技术
红外探测器是现代红外检测系统的关键元件,红外探测器技术的发展是沿着两条途径进行的,其一是采用制冷方式低温工作的光量子型红外探测器及其阵列技术;其二是非制冷室温工作的热型红外探测器及其阵列技术[2]。
光量子型红外探测器有光子型、光电导型、光伏型、光电子发射探测器等类型。
非制冷热型红外探测器有热电偶型、热释电型、微热辐射计型等种类。
各种形式的高性能红外探测器的研制是一个研究热点[3]。
光量子型红外焦平面阵列要求低温制冷工作,通常要制冷到77K,需要昂贵的低温制冷器,使热像仪制造成本偏高,同时整机工作寿命短,体积、质量、功耗都偏大,但噪声极低,精度高,因此主要用于军事领域。
与光量子型红外焦平面阵列技术不同,非制冷工作的红外焦平面阵列可实现室温工作,可实现较低成本、低功耗、高集成度的阵列。
3.2非制冷红外焦平面阵列技术
红外焦平面阵列是红外系统热成像的关键部件,它是将众多红外探测器元集成到单片集成电路上(目前已有报道集成度达到2048×2048元),形成一个面阵,称为红外焦平面阵列(IRFPA-infraredfocalplanearray)。
其中每个探测器单元与景物(目标)的一个微面元相对应,景物(目标)通过红外光学系统“成像”于红外焦平面阵列上。
IRFPA即具有红外辐射探测能力,又有信号处理的能力,实现了高密度、高性能、集成化、高可靠性、小型化红外探测器。
红外焦平面阵列技术集众多高尖技术与一体,包括MEMS技术、集成电路制造技术、封装技术、材料科学技术、电子技术等。
其发展方向为实现更高像元集成度、更小像元尺寸、更高均匀性的像元阵列、多色工作(多波段探测)等等。
红外焦平面阵列技术的发展对实现小型化、低成本、高空间分辩率、快速、大面积的红外图象采集起到极大推动作用。
有关研究参阅文献[4]。
3.3光学读出非制冷红外焦平面阵列技术
非致冷红外探测器阵列的研制大致可以归为两类:
一是电学读出焦平面阵列技术,二是光学读出焦平面阵列技术。
与电学读出系统比较,光学读出系统由于采用全光系统,不需要复杂而庞大的读出电路,可大大降低焦平面阵列制备的复杂度及成本,已成为新的研发热点[4]。
有报道[5],采用微机械F-P腔阵列作为核心结构,利用多光束干涉原理读取红外信号的设计。
包括三部分:
红外光学系统;法布里-泊罗微腔红外探测器阵列(由固定镜面、可动微镜列阵、硅框架、滤波片构成,可动微镜列阵和固定镜面构成m×n的F-P微腔列阵,可动微镜镜面由固定在硅基片上的双层材料弯折梁支撑);可见光读出部分(由激光器、半透镜和CCD构成)。
其工作原理为:
探测目标的红外辐射进入F-P微腔列阵,其热效应导致双层材料弯折梁发生弯曲形变,使得可动微镜发生位移,引起入射可见光被反射后光程差改变,从而由CCD探测到多光束干涉成像。
3.4非均匀性校正
由于红外图像来源于焦平面阵列这种多元面阵探测器的输出信号,而因材料和加工工艺影响,红外探测器不同单元的响应不可避免地存在较大差异,从而使红外图像产生空间不均匀。
因此对高像质的红外热像仪系统来说,非均匀性校正技术是最为关键的图像处理技术之一,同时也是和红外热像仪结合最为紧密的图像处理技术。
目前已开发出多种非均匀性校正算法,各有优缺点,神经网络非均匀性校正算法是未来发展的方向之一。
有关研究参看文献[6]。
3.5红外图像与可见光图像配准问题
图像配准是个极富挑战性的研究领域,所谓图像配准是指依据一些相似性度量决定图像间的变换参数,使从不同传感器、不同视角、不同时间获取的同一场景的两幅或多幅图像,变换到同一坐标系下,在像素层上得到最佳匹配的过程。
红外反映目标的辐射信息,红外热像图与目标表面的温度场分布相对应,而可见光反映目标的反射信息。
实际上被测目标物体各部分红外辐射的形成的热像分布图由于信号非常弱,与可见光相比缺少层次和立体感,二者输出的图像具有不同的灰度特征,这些信息正好互为补充,可以融合在一起用于目标识别。
红外图像可在场景内定位具有较高温度的物体,而可见光图像则提供背景信息。
目前大多数现有图像配准方法用于红外与可见光图像上的效果并不太好,仍需要进行深入研究。
图像配准是图像处理的一个基本问题,其研究也是计算机视觉中最困难、最重要的任务之一。
目前研究红外与可见光图像的快速、鲁棒、高精度、自动配准方法是图像配准领域的难点与热点[8]。
3.6盲元问题
盲元,也称无效像元,是指红外焦平面阵列器件中响应过高或过低的探测器单元。
它是由制造材料、工艺等因素的影响(如材料的不均匀性、掩模误差、缺陷等)而引起的,它与非均匀性问题一样是红外焦平阵列器件存在的一个不可避免的问题,如果不经过处理,也会大大降低成像信号的输出信噪比,因此有必要对其进行深入的研究。
有关研究参看文献[6]。
3.7校准技术
测温受多种因素影响,必须认真解决温度测量结果的标定。
红外热像仪的一些重要参数,如最小可分辨温差、最小可探测温差、信号传递函数等都需要进行测试和校准。
校准必须建立在标准装置上,解决溯源和量值传递问题。
文献[9]介绍的一种校准方法为:
用国际通用的标准凝固点黑体对一级标准黑体进行校准,然后用校准过的一级标准黑体校准傅立叶红外光谱辐射计(FT-IR),最后用校准过的FT-IR对某“红外热像仪主要参数校准装置”进行校准的标准辐射源法。
高精度、快捷、方便的校准方法与校准技术是目前研究的热点之一。
四、影响测温精度的因素
4.1探测器性能的影响
探测性能是多个因素的复杂函数。
红外探测器(这里指非制冷红外焦平面阵列)本身的精度、性能也是影响测温准确性的重要因素。
对于非致冷微测辐射热计型红外焦平面阵列,由于其工作在环境温度下,探测器的温度会随着吸收红外辐射的增加而升高,这将对测温产生一定的影响。
为了提高测温精度,需要分析探测器温度对测温的影响并进行修正。
这方面的研究请参考文献[7][10]。
4.2距离的影响
热像仪与目标距离越远,测温误差越大,可从两方面解释:
一是大气衰减影响增大,输出信号变小,测温误差增大;二是热像仪视场面积增大,目标尺寸相对视场面积的倍数必然要减少,目标不能充满视场,输出信号降低,导致误差增大[1]。
有关研究参阅文献[13]。
4.3环境温度的影响
热像仪所测为目标与环境光谱辐照度的综合效果,环境背景辐射影响程度取决于目标表面的光谱反射与背景辐射的对比度。
许多人工和天然材料都是灰体,反射率较低(0.1~0.2)。
当反射在总的出射辐射中所占的比例较小,可不计背景辐射影响[1]。
例如在炼钢厂测钢水温度情况下,可忽略环境背景影响。
4.4大气衰减的影响
红外辐射在大气中的传输也是人们一直关注和研究的问题。
大气对红外辐射测量的影响有三方面的原因:
大气分子的吸收作用;悬浮微粒的吸收作用;大气中的分子和各种悬浮微粒的散射作用[1]。
4.5目标发射率的影响
目前市面上的热像仪并没有完善解决目标发射率影响这一问题。
必须针对不同的测量对象特征、环境特性进行研究,设计适合的环境接口和发射率补偿方案,以进行精确测温[11]。
五、红外热像仪的应用
红外热像仪的应用非常广泛,最早且最重要的应用是在军事领域。
随着经济的稳定发展,还在不断有新的行业、新的应用产生。
其中最传统的应用是电力行业、工业预维护行业。
所有的工厂里都有电机、控制柜、管道等,这些都会不可避免发生故障,而用红外热像仪检验发热来判断是最有效的安全防范方法。
安防、消防、石化、钢铁行业、科研机构、高等学府等的应用也在不断加强中[12]。
图5-1和图5-2分别展示了红外热像仪在检测电机和管道方面的应用。
图5-1图5-2
5.1在电力行业上的应用
红外热像仪可以用来探测变压器、电动机、发电机等电气设备的不良接触,以及过热的机械部件,以免引起严重短路和火灾。
1980年至1983年四年中,我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查,发现不正常发热点500多处,严重过热为100处,由于及时处理,未发生火灾事故。
5.2在森林防火上的应用
在大面积的森林中,火灾往往是由不明显的隐火引发的。
用飞机巡逻,采用红外热成像仪,则可以快速有效地发现这些隐火,把火灾消灭在最初阶段。
5.3在医学上的应用
自从1957年第一次使用红外热成像技术探测乳腺癌,其医学领域的应用已经有50多年。
医用红外热成像技术已经成为一种新的诊断手段,正逐步发展成为一门独立的学科,即红外影像学。
计算机技术的进步和二次处理软件的应用,极大地拓宽了红外热像图的应用范围。
1997年初美国贝亿公司完成世界上第一台具有热断层功能的热扫描成像系统,人类预测医学时代的到来。
借助于红外热像技术,中医经络、穴位理论得到了证实。
但红外成像诊断水平的提高还依赖于广泛的临床试验和研究。
结束语:
热成像系统是现代半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程的产物。
近年来,红外热像仪的生产每年都有相当比例的增加,已经形成了较大的产业群,应用也涵盖了几乎所有的领域。
未来人们要致力解决的问题有如下几个方面[11]:
①红外热像仪测温技术,包含理论、仪器和应用研究;②高精度标定设备及标定方法;③特殊对象的温度(场)测量,④新原理热像仪的研制,等等。
参考文献
[1]陈丙瑞,红外热像仪在医学中的应用与测量误差的研究,燕山大学硕士学位论文,2009.
[2]聂伟珍,基于OMAP的非制冷焦平面红外热像仪设计,浙江大学硕士学位论文,2006.
[3]魏东,基于FPGA与DSP的红外焦平面阵列非均匀性校正,大连理工大学硕士学位论文,2006,p9-p13.
[4]何伟,焦斌斌等,非制冷红外焦平面阵列进展,电子工业专用设备,2008,vol.37,No.5.
[5]
[6]赵桂芳,红外焦平面阵列探测器关键技术研究,西北工业大学硕士学位论文,2007.
[7]探测器温度对非致冷型微测辐射热计热像仪测温的影响与修正,红外,2008,vol.29,No.10.
[8]苑津莎,红外与可见光图像配准研究现状与展望,激光与红外,2008,vol.39,No.7.
[9]王学新,红外热像仪主要参数测试装置的校准问题,中国计量测试学光辐射计量学术研讨会.2006.
[10]影响红外热像仪测量精度的因素分析,华工技术,2008,vol.30,No.11.
[11]孙晓刚,红外热像仪测温技术发展综述,激光与红外,2008vol.38,No.2.
[12]卢祁,我们为用户提供的不仅是产品--访美国FLIR公司热像事业部中国区总经理李明先生,中国仪器仪表,2009,vol.12.
[13]陆子凤,目标到测试系统距离对红外测温精度的影响,红外技术,2008,vol.30,No.5.
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