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红外理论

热图像分析技术

辐射知识红外热成像测量技术一.什么是红外线红外线的发现电磁波谱红外线的分类红外辐射的大气穿透

红外线的发现

--1800年WilliamHerschel1800年英国的天文学家Mr.WilliamHerschel用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。

红外线的发现

--1800年WilliamHerschel红外线就在我们身边！任何温度高于绝对零度（-273.16K）的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。

不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。电磁辐射频谱图通常把波长大于红色光线波长0.75µm，小于1000µm的这一段电磁波称作“红外线”，也常称作“红外辐射”红外

根据红外线的波长分为：

近红外线--0.75µm~3µm；

中红外线

--3µm~6µm；(中波)

远红外线

--6µm~15µm；(长波)

极远红外线--15µm~1000µm红外线的分类

吸收分子透射率近红外中红外远红外波长053181415红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为“大气窗口”。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1-5μm之间，而长波窗口则是在8-14μm之间

红外辐射的大气穿透一般红外线热像仪使用的波段为:短波(3µm--5µm);长波(8µm--14µm)

物体接收的入射辐射物体发出的红外辐射辐射率和吸收率黑体实际物体的红外辐射二、

物体的红外辐射物体接收的入射辐射辐射—物体向外发出自身能量吸收—物体获得并保存来自外界的辐射反射—物体弹回来自外界的辐射透射—来自外界的辐射经过物体穿透出去入射辐射Win反射辐射W吸收辐射

W透射辐射WWа+Wρ+Wτ=Win=100%а+ρ+τ=1物体发出的红外辐射反射辐射源反射辐射WTTTε透射辐射源透射辐射W自身辐射Wε物体发出的辐射WexWε+Wρ+Wτ=Wex=100%ε+ρ+τ=1史蒂芬-波兹曼定律W=εóT4物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量取决于物体自身的温度以及它的表面辐射率，物体温度越高，红外辐射越强，反之，物体温度越低，辐射越低；辐射率也一样，即使物体温度一样，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。Tε物体的辐射能力表述为辐射率(Emissivity简写为)

是描述物体辐射本领的参数。茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比左边的高，这也意味着物体右边的热辐射效率要比左边的高，如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热辐射率和吸收率

一般来说，物体接收外界辐射的能力与物体辐射自身能量的能力相等，亦即а=ε

也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦然。所以一个不透明的差的吸收体是一个好的反射体，一个好的反射体同时也是一个差的辐射体。例如我们在物体表面覆上一层铝箔来保温，就是这个道理黑体黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体并不存在黑体100%吸收所有的入射辐射，也就是说它既不反射也不穿透任何辐射，即

а=1

黑体100%辐射自身的能量

ε=1实际物体的红外辐射实际测量的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物体的所有特性，即具有吸收、辐射、反射、穿透红外辐射的能力。但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即τ=0所以对于实际测量来说ε+ρ=1反射辐射源反射辐射WTTTε自身辐射Wε物体发出的辐射Wex实际物体的辐射由两部分组成：自身辐射和反射环境

光滑表面的反射率较高，容易受环境影响（反光）。粗躁表面的辐射率较高

不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不同）。在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数。电力设备发射率一般在0.85-0.95之间。物体表面温度与辐射率从红外热图中看到的物体表面温度与辐射率有着密切的关系，我们要学习识别和分析红外图像因辐射率的不同而产生的不同现象，不要产生错觉胶带ε=0.95杯子ε=0.10环境温度T=25℃(1)杯中不倒水

(2)杯中倒入20℃的凉水

(3)杯中倒入60℃热水高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度,低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度25℃20℃60℃三、红外热成像技术红外热像技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸于应用的科学技术就像照相技术意味着“可见光写入”一样，热成像技术意味着“热量写入”。热成像技术生成的图片被称作“温度记录图”或“热图”。目标空气热像仪热图红外热像图和可见光图比较红外热图可见光图红外热像仪的原理红外热像仪的原理图信号处理器显示器二维焦平面列阵探测器(FPA)光学系统将不可见的红外辐射转换成可见的图像光学系统:接收目标物体发出的红外线并聚焦到红外探测器上；红外探测器：感应透过光学系统的红外线，并把信号发送给信号处理器。信号处理器：将来自于红外探测器的信号

转化成红外热图像；显示器：显示红外热图像。

通过热像仪不仅能够让我们看到热的变化，而且能够量化这些变化红外探测器

红外探测器由过去的单元探测器发展成现在的焦平面探测器（FPA）。现在工业上普遍使用320x240或160x120像素的探测器。探测器每个单元每秒钟可以积分50次，即可将接受的信号以50HZ的速率输出焦平面阵红外辐射探测器微桥CMOS输入单元FPA单元控制在室温附近的热电稳定器温度分辨率-热灵敏度(NETD)

－热灵敏度是指红外热像仪的温度探测灵敏度(NETD)。简单讲就是仪器可分 辨两点之间的温度差 别的能力 （例如：0.08℃）

四、热像仪重要的技术指标：测温精度

－仪器测量温度的精确性（例如:±２度）成像速度

50祯/秒（50Hz)30Hz50Hz空间分辨率(IFOV=InstantaneousFieldofView)是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数（仪器可分辨物体大小的能力）。以毫弧度表示。空间分辨率=丌/180x镜头度数

÷像素数

P30:3.14/180x24˚÷320=1.3mrd

HV24°18°空间分辨率和镜头的视场角有关，和探测器像元数有关视场角竖直视场角水平视场角FOV空间分辨率及目标尺寸FOVIFOV视场和空间分辨率ObjectIFOV左边被探测目标完全覆盖了热像仪的IFOV，因此，像素接受的辐射只来自目标。我们能准确测量它的温度。然而，右边的像素不只看到目标，而且吸收目标旁边的和背后的辐射。我们不可能测得这么小目标的正确温度。

在实际测量中,好的热像仪中通常以十字光标之间的空白处来指示3x3个像素的大小，有助于使用者来判断是否能测到正确温度。不能正确测量能正确测量根据当前的FPA探测器技术，目标在探测器上最少要有3x3个像素才能确保能够准确测量，这要求检测时尽量靠近目标或选用望远镜头.如果目标成像小于3x3个像素，则热像仪显示的温度读数是目标的温度值与也成像在这3x3个像素的目标周围物体（环境）的平均值。焦平面阵像素目标点

“有效”的检测距离？

-与仪器空间分辨率、检测目标大 小、目标温度等因素有关。

-

例如:1.3毫弧度(mrad)代表仪器 在10米远可分辨出26mm的目标。不同镜头检测效果示意热图12度镜头7度镜头24度镜头检测距离--60米12度镜头7度镜头不同镜头检测效果示意热图检测距离--60米

不同镜头检测效果示意热图（60米）

12度镜头7度镜头五、影响测量结果的几组参数1.热像仪参数设置对测量结果的影响：——辐射率：当被测物体温度高于环境温度时，辐射率设置约高，测量结果约低。当被测物体温度低于环境温度时，辐射率设置约高，测量结果约高。——环境温度：设置值越高，测量结果越低；——大气温度：设置值越高，测量结果越低；——相对湿度：设置值越高，测量结果越高；——距离参数：设置值越高，测量结果越高；总体来说，以上各参数的设置均对结果有影响，但影响力不同，影响程度依次降低。其中辐射率影响最为明显，其余均在1℃以内。2.外部环境对测量结果的影响：——负荷的影响：对于电流致热型设备来说，根据其公式P=I²*R故：满负荷温升T满=（I满/I当前）2*T当前但通过实验发现，公式中的系数“2”可能不准确，应为“1.5—1.8”。从而得出如下经验公式：满负荷最小温升T满=（I满/I当前）1.5*T当前满负荷最大温升T满=（I满/I当前）1.8*T当前——太阳照射的影响：1）由于太阳的加热作用，产生附加温升，将对电压致热型等小温升设备的检测带来困难；2）由于太阳辐射在短波段（3.6μm以下）很强，应尽量避免使用短波热像仪，通常使用的长波热像仪无影响。——风速的影响：风对物体的散热有影响，风力越大，对设备的冷却效果约显著。《导则》上指明应尽量在风速小于0.5m/s时进行测量。定量检测时，可按以下公式进行修正：1）风速小于1.5m/s时：T0=Tv*exp（v/W）其中：T0——无风时的温升；

TV——风速为V时的温升；

V——风速，m/s；

W——衰减系数，迎风为1.3，背风为0.9.2）风速大于1.5m/s时：T01=T02*（V2/V1）0.448其中：T01——风速为V1时的温升；

T02——风速为V2时的温升；

六、红外热像仪的标定前面曾提到过史蒂芬-波兹曼定律，它给出了黑体的辐射能量与其温度的关系，即

W=óT4

式中ó=5.67×10-8w/m².k4,T为绝对温度,单位为K

红外热像仪的标定正是基于这一理论基础,在设定的环境条件下,用一定数量已知温度的黑体进行标定

多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的台子上，并与标定系统的自动控制中心相连

黑体标定系统T1T2T3T4T5T6

S6S5S4S3S2S1SBBTBB

热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度对热像仪进行简单的标定校验，通常需要多点校验，最起码两个校准点。

1）使用黑体2）其它方法（使用已知辐射率的物体作为参照体）环境因素影响的补偿Wtot=

WObj+(1-)WAmb+(1-)WAtm目标物体大气