发射率对红外热像仪温度测量的影响,求详述!

发射率对红外热像仪温度测量的影响,求详述!
发射率对红外热像仪温度测量的影响,求详述!

发射率对红外热像仪温度测量的影响,求详述!
材料表面发射率较高时,测量精度高.文件较大,通过邮箱发给你PDF文件,hjm_2347_sina.con
目前, 红外成像技术已经广泛应用于军事领
域, 成为现代武器装备的重要技术.红外成像系
统的研制, 离不开靶场实验, 因此, 研究能够模拟
各种军事目标红外辐射特性的红外靶标有着极其
重要的现实意义.红外靶标系统中, 红外热像仪
负责实时监测红外靶标各区域的温度, 红外靶标
系统根据红外热像仪测量的温度, 调整各区域的
温度, 使红外靶标系统的红外辐射特性接近被模
拟目标.在红外靶标系统研制过程中, 红外靶标
系统的表面发射率对红外热像仪测温精度影响很
大, 由此直接影响红外靶标系统的精度.为了提
高红外热像仪的测温精度, 本文详细分析了红外
靶标系统的表面发射率对红外热像仪测温精度的
影响, 旨在为红外靶标系统表面材料的选择提供
依据.
2.. 红外热像仪测温原理
.. .. 本文的实验均采用TP8 型长波红外热像仪.
对于近距离探测而言, 不考虑大气衰减, 当目标表
面满足灰体模型, 到达红外热像仪镜头前的总能
量应为目标红外辐射的能量与目标反射的环境辐
射能量, 故有下式成立[ 1~ 5] :
Lm = ..Lt + ( 1- ..) Lb, ( 1)
式中Lm为到达镜头前的总辐射亮度, L t为目标的
辐射亮度, Lb为环境的辐射亮度, ..为目标表面发
射率.
由于灰体的反射和发射均是漫反射的, 因此
辐射亮度L 与辐射出射度M 存在如下关系[ 6, 7] :
L =
M
.., ( 2)
TP8型长波红外热像仪的波长范围为8~ 14 ..m,
由普朗克辐射定律, 有下式成立[ 6~ 8] :
M t = ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T t - 1
d.., ( 3)
Mb = ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T b - 1
d.., ( 4)
式中M t为目标的辐射出射度, Mb为环境的辐射出
射度, Tt为目标绝对温度, Tb为环境绝对温度, ..
为波长, c1为第一辐射常数( 3..741 8 .. 10- 16 W ..
m2 ), c2为第二辐射常数( 1..438 8 .. 10- 2 m.. K ).
将式( 2)、( 3)、(
4)代入式( 1)得:
Lm =
..
.. ..14
8
c1 ..- 5
ec2 /..Tt - 1
d..+
1 - ..
.. ..14
8
c1 ..- 5
e
c
2
/..T
b - 1
d... ( 5)
.. .. TP8型长波红外热像仪根据设置的目标表面
发射率和采集的环境温度, 结合测得的辐射亮度,
由式( 5)得出目标的温度.
3.. 目标表面发射率对测温精度的影响
.. .. 由普朗克辐射定律, 可以认为L t是Tt为自变
量的函数, 记作:
L t = f (T t ) =
1
.. ..14
8
c1 ..- 5
ec 2/..T t - 1
d.., ( 6)
则有:
T t = f
- 1
( Lt ) . ( 7)
.. .. 为便于分析和数值计算, 将影响红外热像仪
测温精度的因素用差分形式表示:
..T t = f
- 1
(L t + ..L t ) - f
- 1
( Lt ), ( 8)
由式( 1)可得:
..Lt =
Lb - Lm
..2 .. .-
1 - ..
..
..Lb, ( 9)
其中:
..Lb = f (Tb + ..T b ) - f (Tb ), ( 10)
根据式( 8)、( 9)、( 10) , 可以计算红外热像仪测温
误差.
从上述分析可以看到, 红外热像仪的测温误
差..Tt取决于.、..、..Tb、Tb和Lm.为了说明目标
表面发射率对红外热像仪测温精度的影响, 本文
假定环境温度293..15 K, 目标温度308..15 K, 对
目标表面发射率为0..95、0..7、0..5、0..3 时分别进
行理论计算, 其结果如图1所示.
分析图1可知, 红外热像仪在测量目标表面
真实温度时, 目标表面发射率越小, 红外热像仪测
温误差越大; 目标表面发射率越大, 红外热像仪测
温误差越小.此外, 红外热像仪设置的目标表面
发射率误差和采集的环境温度误差也对红外热像
仪测温误差有着很大的影响.根据以上分析, 红
第2期.. .. .. .. .. 胡剑虹, 等:目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响153

外热像仪应当避免测量目标表面发射率很小的目标温度.
图1.. 热像仪测量温度误差曲线图
F ig. 1.. Erro r curves of the rma l infrared im ager in m easuring tem pe ra ture
4.. 红外靶标表面发射率范围的确定
.. .. 为了确定TP8型长波红外热像仪能够精确
测温的目标表面发射率的范围, 为红外靶标系统
设计提供依据, 本文对红外热像仪采集的图像的
某一点(图像中温度最高点) , 通过设置不同的目
标表面发射率, 获得不同的温度值.
实验时, 红外热像仪记录的环境温度为
299..95 K, 根据式( 5) , 可以计算Lm的值.由于红
外热像仪在相同环境下测温同一目标, Lm应为固
定值.若计算的Lm偏离这个固定值, 则可认为设
置的目标表面发射率超出红外热像仪能够精确测
温的目标表面发射率的范围.
本文设置的目标表面发射率从0..2 ~ 0..97,
对应的测量温度和Lm如表1所示.
表1.. 目标表面发射率与总辐射亮度关系表
Table 1.. R elation be tween surface emissivity and to tal radiance lum inance
.. Tt /K Lm / (W /( sr.. m2 ) ) .. T t /K Lm /(W /( sr.. m2 ) )
0. 97 317. 75 70. 52 0. 60 327. 55 70. 51
0. 96 317. 85 70. 45 0. 58 328. 35 70. 48
0. 95 318. 05 70. 48 0. 56 337. 35 70. 48
0. 94 320. 05 70. 50 0. 54 338. 35 70. 49
0. 93 322. 05 70. 52 0. 52 339. 35 70. 48
0. 92 324. 05 70. 53 0. 50 340. 45 70. 47
0. 91 325. 05 70. 45 0. 48 341. 55 70. 42
0. 90 328. 05 70. 54 0. 46 342. 85 70. 44
154 .. .. .. .. .. 中国光学与应用光学.. .. .. .. 第3卷..

续表1
.. Tt /K Lm / (W /( sr.. m2 ) ) .. T t /K Lm /(W /( sr.. m2 ) )
0. 88 319. 45 70. 54 0. 44 336. 05 70. 39
0. 86 319. 85 70. 52 0. 42 337. 55 70. 39
0. 84 320. 25 70. 50 0. 40 339. 15 70. 38
0. 82 320. 75 70. 53 0. 38 340. 95 70. 39
0. 80 321. 25 70. 55 0. 36 343. 15 70. 50
0. 78 321. 75 70. 55 0. 34 346. 15 70. 83
0. 76 322. 25 70. 53 0. 32 350. 15 71. 44
0. 74 322. 75 70. 50 0. 30 352. 85 71. 41
0. 72 323. 35 70. 51 0. 28 355. 75 71. 33
0. 70 323. 95 70. 51 0. 26 359. 05 71. 25
0. 68 324. 65 70. 55 0. 24 362. 85 71. 18
0. 66 325. 25 70. 49 0. 22 367. 15 71. 09
0. 64 325. 95 70. 48 0. 20 372. 15 70. 99
0. 62 326. 75 70. 51
.. .. 从表1 可以看到, 当目标表面发射率> 0..5
时, Lm的值基本在70..5W / ( sr.. m
2
)左右; 当目标
表面发射率< 0..5 时, 特别是目标表面发射率
< 0..36时, Lm的值偏离固定值很大.这个特性是
根据发射率选择红外靶标表面材料的依据.
图2.. 不同表面发射率材料的红外图像
Fig. 2.. In frared picture of differentm a terials w ith d ifferent
surface em issiv ities
5.. 实验结果
.. .. 为了直观地反映材料表面发射率对测温精度
的影响, 本文在环境温度为302..65 K 时, 用TP8
型长波红外热像仪对表面发射率为0..96( R3 )、
0..93( R1)和0..3(R2)的3种材料进行测温, 其结
果如图2所示.
本文采用测温精度为0..2 K 的手持式测温仪
测温, 材料温度约为303..15 K.结果表明, 红外
热像仪对低表面发射率材料的测温精度很低.
6.. 结.. 论
.. .. 本文分析了目标表面发射率对红外热像仪测
温精度的影响, 并通过实验验证了只有较高的表
面发射率才能保证红外热像仪测温点的结论.根
据这个结论, 红外靶标系统选择表面发射率为
0..94的碳纤维布作为红外靶标的表面材料, 保证
了红外靶标系统的精度.