无接触式高温物体红外测量双色热图像成像方法研究及软件实现

　　0　前言

　　在某航天体实时跟踪测试系统研发成果的基础上,我们开发出非接触式高温物体红外热图像分析仪用软件,该软件配上相应的红外摄像机后已商品化并投放市场。撰写本文的主要目的是向读者介绍目前国际市场上流行的红外摄像机软件内核数学模型构建的基本方法,介绍模型中单、双色方法的基本概念并着重介绍了双色方法的数学建模的推理过程。软件的功能设计和界面设计、软件内部结构的实现以及软硬件的接口设计都是程序设计的问题,应该由需求决定,本文不再叙述。该软件中使用的由灰度到温度的计算公式F(α,β,γ,R(T))没有明确给出,其可以通过相应的文献资料和实验数据推算出来。

　　1　温度与辐射的关系

　　任何物体在任何温度下都会发出一定的量子辐射。低温下辐射弱且辐射波中的绝大部分是肉眼不可见的红外线,高温时辐射增强且辐射波中波长的极大值λmax逐渐向可见光谱红端(0·76μm)的边缘移动,当温度达到5000~6000 K时λmax便位于可见光波段的中部。此时辐射中的全部可见光都很强,它引起人眼的感觉是亮炽的白色光芒。这个事实反映出自然界中物体温度与辐射和色泽有着恒定的内在联系。

　　量子物理中普朗克黑体辐射定律

　　给出了黑体物质量子辐射通量密度关于波长的表达式,辐射通量密度是温度T和波长λ的函数。显然物体的量子辐射随着温度T的增高其辐射波波长的极大值λmax向短波方向(即可见光波段)位移。红外摄像仪器就是利用了辐射原理实现物体的红外成像。

　　在相同的温度下,一般物体的辐射能力比黑体差一些,对于一般灰体,若红外探测仪的接收波段为λ1~λ2,则灰体的辐射能量可表达为

　　式中:ελ为平均黑度系数, 0<ελ<1。

　　同样道理式(3)给出了灰体的辐射总量。

　　根据方程式(2)或(3),非接触式温度计测仪根据灰体的辐射通量密度求解温度的方法可以分为单色法和双色法。

　　使用单色法的温度计算方式多数由方程式(3)给出。所谓单色的意思是,从物体的量子辐射波谱中取一个特定辐射波长作为温度计算的基值。由方程(3)可知,利用单色法求解特定物体正确温度的前提是必须知道该物体的ελ,能否获得正确的ελ是能否获得精确温度的关键,而被测物体总是随机的,因此单色法的辐射温度测量仪器的使用有一定的局限性。

　　早期的红外摄像仪器是根据观察空间中各物体及物体各部位热辐射的差异给出不同灰度的边界模糊的物体轮廓图像,但从图像中无法获得观察空间中某一点的确切温度。20世纪90年代开始,欧美日等国利用接收波段为λ1~λ2的红外探测仪,根据辐射通量密度求出辐射总量再计算物体的温度,并利用辐射波频率与光谱的对应关系推出了彩色红外热图像仪。这类仪器通常称为非接触式温度计测仪,根据计算温度时使用一种或两种波长,计测仪又可分为单色温度计测仪和双色温度计测仪。这类仪器可应用于监控装置和遥感装置,还可应用于物体温度的热图像分析。