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紅外理論

熱圖像分析技術

輻射知識紅外熱成像測量技術一.什么是紅外線紅外線的發現電磁波譜紅外線的分類紅外輻射的大氣穿透

紅外線的發現

--1800年WilliamHerschel1800年英國的天文學家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應。他發現，當水銀溫度計移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區的時候，溫度反而比紅光區更高。反復試驗證明，在紅光外側，確實存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。

紅外線的發現

--1800年WilliamHerschel紅外線就在我們身邊！任何溫度高于絕對零度（-273.16K）的物體都會發出紅外線。比如冰塊也會輻射紅外線。

不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。電磁輻射頻譜圖通常把波長大于紅色光線波長0.75μm，小于1000μm的這一段電磁波稱作“紅外線”，也常稱作“紅外輻射”紅外

根據紅外線的波長分為：

近紅外線--0.75μm~3μm；

中紅外線

--3μm~6μm；(中波)

遠紅外線

--6μm~15μm；(長波)

極遠紅外線--15μm~1000μm紅外線的分類

吸收分子透射率近紅外中紅外遠紅外波長053181415紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1-5μm之間，而長波窗口則是在8-14μm之間

紅外輻射的大氣穿透一般紅外線熱像儀使用的波段為:短波(3μm--5μm);長波(8μm--14μm)

物體接收的入射輻射物體發出的紅外輻射輻射率和吸收率黑體實際物體的紅外輻射二、

物體的紅外輻射物體接收的入射輻射輻射—物體向外發出自身能量吸收—物體獲得并保存來自外界的輻射反射—物體彈回來自外界的輻射透射—來自外界的輻射經過物體穿透出去入射輻射Win反射輻射W吸收輻射

W透射輻射WWа+Wρ+Wτ=Win=100%а+ρ+τ=1物體發出的紅外輻射反射輻射源反射輻射WTTTε透射輻射源透射輻射W自身輻射Wε物體發出的輻射WexWε+Wρ+Wτ=Wex=100%ε+ρ+τ=1史蒂芬-波茲曼定律W=εóT4物體自身的紅外輻射是各個方向的，輻射量取決于物體自身的溫度以及它的表面輻射率，物體溫度越高，紅外輻射越強，反之，物體溫度越低，輻射越低；輻射率也一樣，即使物體溫度一樣，高輻射率物體的輻射要比低輻射率物體的輻射要多。所以物體的溫度及表面輻射率決定著物體的輻射能力。Tε物體的輻射能力表述為輻射率(Emissivity簡寫為)

是描述物體輻射本領的參數。茶壺中裝滿熱水，茶壺右邊玻璃的表面輻射率比左邊不銹鋼的高，盡管兩部分的溫度相同，但右邊的輻射要比左邊的高，這也意味著物體右邊的熱輻射效率要比左邊的高，如果用紅外熱像儀觀看，右邊看上去要比左邊熱輻射率和吸收率

一般來說，物體接收外界輻射的能力與物體輻射自身能量的能力相等，亦即а=ε

也就是說，如果一個物體吸收輻射的能力強，那么它輻射自身能量的能力就強，反之亦然。所以一個不透明的差的吸收體是一個好的反射體，一個好的反射體同時也是一個差的輻射體。例如我們在物體表面覆上一層鋁箔來保溫，就是這個道理黑體黑體是一個理想的輻射體，真正的黑體并不存在黑體100%吸收所有的入射輻射，也就是說它既不反射也不穿透任何輻射，即

а=1

黑體100%輻射自身的能量

ε=1實際物體的紅外輻射實際測量的物體并不是黑體，但它具有我們上面所說物體的所有特性，即具有吸收、輻射、反射、穿透紅外輻射的能力。但對大多數物體來說，對紅外輻射不透明，即τ=0所以對于實際測量來說ε+ρ=1反射輻射源反射輻射WTTTε自身輻射Wε物體發出的輻射Wex實際物體的輻射由兩部分組成：自身輻射和反射環境

光滑表面的反射率較高，容易受環境影響（反光）。粗躁表面的輻射率較高

不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發出的紅外輻射強度都不同（輻射率不同）。在檢測過程中，由于輻射率對測溫影響很大，因此必須選擇正確的輻射系數。電力設備發射率一般在0.85-0.95之間。物體表面溫度與輻射率從紅外熱圖中看到的物體表面溫度與輻射率有著密切的關系，我們要學習識別和分析紅外圖像因輻射率的不同而產生的不同現象，不要產生錯覺膠帶ε=0.95杯子ε=0.10環境溫度T=25℃(1)杯中不倒水

(2)杯中倒入20℃的涼水

(3)杯中倒入60℃熱水高輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近它的真實溫度,低輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近環境溫度25℃20℃60℃三、紅外熱成像技術紅外熱像技術是研究紅外輻射的產生、傳輸、轉換、探測并付諸于應用的科學技術就像照相技術意味著“可見光寫入”一樣，熱成像技術意味著“熱量寫入”。熱成像技術生成的圖片被稱作“溫度記錄圖”或“熱圖”。目標空氣熱像儀熱圖紅外熱像圖和可見光圖比較紅外熱圖可見光圖紅外熱像儀的原理紅外熱像儀的原理圖信號處理器顯示器二維焦平面列陣探測器(FPA)光學系統將不可見的紅外輻射轉換成可見的圖像光學系統:接收目標物體發出的紅外線并聚焦到紅外探測器上；紅外探測器：感應透過光學系統的紅外線，并把信號發送給信號處理器。信號處理器：將來自于紅外探測器的信號

轉化成紅外熱圖像；顯示器：顯示紅外熱圖像。

通過熱像儀不僅能夠讓我們看到熱的變化，而且能夠量化這些變化紅外探測器

紅外探測器由過去的單元探測器發展成現在的焦平面探測器（FPA）。現在工業上普遍使用320x240或160x120像素的探測器。探測器每個單元每秒鐘可以積分50次，即可將接受的信號以50HZ的速率輸出焦平面陣紅外輻射探測器微橋CMOS輸入單元FPA單元控制在室溫附近的熱電穩定器溫度分辨率-熱靈敏度(NETD)

－熱靈敏度是指紅外熱像儀的溫度探測靈敏度(NETD)。簡單講就是儀器可分 辨兩點之間的溫度差 別的能力 （例如：0.08℃）

四、熱像儀重要的技術指標：測溫精度

－儀器測量溫度的精確性（例如:±２度）成像速度

50禎/秒（50Hz)30Hz50Hz空間分辨率(IFOV=InstantaneousFieldofView)是紅外測溫儀器分辨空間尺寸能力的技術參數（儀器可分辨物體大小的能力）。以毫弧度表示。空間分辨率=丌/180x鏡頭度數

÷像素數

P30:3.14/180x24?÷320=1.3mrd

HV24°18°空間分辨率和鏡頭的視場角有關，和探測器像元數有關視場角豎直視場角水平視場角FOV空間分辨率及目標尺寸FOVIFOV視場和空間分辨率ObjectIFOV左邊被探測目標完全覆蓋了熱像儀的IFOV，因此，像素接受的輻射只來自目標。我們能準確測量它的溫度。然而，右邊的像素不只看到目標，而且吸收目標旁邊的和背后的輻射。我們不可能測得這么小目標的正確溫度。

在實際測量中,好的熱像儀中通常以十字光標之間的空白處來指示3x3個像素的大小，有助于使用者來判斷是否能測到正確溫度。不能正確測量能正確測量根據當前的FPA探測器技術，目標在探測器上最少要有3x3個像素才能確保能夠準確測量，這要求檢測時盡量靠近目標或選用望遠鏡頭.如果目標成像小于3x3個像素，則熱像儀顯示的溫度讀數是目標的溫度值與也成像在這3x3個像素的目標周圍物體（環境）的平均值。焦平面陣像素目標點

“有效”的檢測距離？

-與儀器空間分辨率、檢測目標大 小、目標溫度等因素有關。

-

例如:1.3毫弧度(mrad)代表儀器 在10米遠可分辨出26mm的目標。不同鏡頭檢測效果示意熱圖12度鏡頭7度鏡頭24度鏡頭檢測距離--60米12度鏡頭7度鏡頭不同鏡頭檢測效果示意熱圖檢測距離--60米

不同鏡頭檢測效果示意熱圖（60米）

12度鏡頭7度鏡頭五、影響測量結果的幾組參數1.熱像儀參數設置對測量結果的影響：——輻射率：當被測物體溫度高于環境溫度時，輻射率設置約高，測量結果約低。當被測物體溫度低于環境溫度時，輻射率設置約高，測量結果約高。——環境溫度：設置值越高，測量結果越低；——大氣溫度：設置值越高，測量結果越低；——相對濕度：設置值越高，測量結果越高；——距離參數：設置值越高，測量結果越高；總體來說，以上各參數的設置均對結果有影響，但影響力不同，影響程度依次降低。其中輻射率影響最為明顯，其余均在1℃以內。2.外部環境對測量結果的影響：——負荷的影響：對于電流致熱型設備來說，根據其公式P=I2*R故：滿負荷溫升T滿=（I滿/I當前）2*T當前但通過實驗發現，公式中的系數“2”可能不準確，應為“1.5—1.8”。從而得出如下經驗公式：滿負荷最小溫升T滿=（I滿/I當前）1.5*T當前滿負荷最大溫升T滿=（I滿/I當前）1.8*T當前——太陽照射的影響：1）由于太陽的加熱作用，產生附加溫升，將對電壓致熱型等小溫升設備的檢測帶來困難；2）由于太陽輻射在短波段（3.6μm以下）很強，應盡量避免使用短波熱像儀，通常使用的長波熱像儀無影響。——風速的影響：風對物體的散熱有影響，風力越大，對設備的冷卻效果約顯著。《導則》上指明應盡量在風速小于0.5m/s時進行測量。定量檢測時，可按以下公式進行修正：1）風速小于1.5m/s時：T0=Tv*exp（v/W）其中：T0——無風時的溫升；

TV——風速為V時的溫升；

V——風速，m/s；

W——衰減系數，迎風為1.3，背風為0.9.2）風速大于1.5m/s時：T01=T02*（V2/V1）0.448其中：T01——風速為V1時的溫升；

T02——風速為V2時的溫升；

六、紅外熱像儀的標定前面曾提到過史蒂芬-波茲曼定律，它給出了黑體的輻射能量與其溫度的關系，即

W=óT4

式中ó=5.67×10-8w/m2.k4,T為絕對溫度,單位為K

紅外熱像儀的標定正是基于這一理論基礎,在設定的環境條件下,用一定數量已知溫度的黑體進行標定

多個黑體放置成半圓形，熱像儀放在中心能轉動的臺子上，并與標定系統的自動控制中心相連

黑體標定系統T1T2T3T4T5T6

S6S5S4S3S2S1SBBTBB

熱像儀依次對準各黑體，每個黑體都會在熱像儀中產生一個輻射信號，標定系統將此信號與其溫度對應起來將每對信號與溫度對應起來，并將各點擬合成一條曲線，這就是標定曲線，此曲線將被存在熱像儀的內存里，用來對應物體輻射與溫度的關系，所以如果熱像儀的探測器接收到物體的輻射信號，此標定曲線將會把信號轉換成對應的溫度對熱像儀進行簡單的標定校驗，通常需要多點校驗，最起碼兩個校準點。

1）使用黑體2）其它方法（使用已知輻射率的物體作為參照體）環境因素影響的補償Wtot=

WObj+(1-)WAmb+(1-)WAtm目標物體大氣