目标距离和视场角变化对红外热像仪测温精度影响的理论分析

　　红外热像仪既可以得到目标的红外图像，同时也能测量目标的温度。其测温原理是：被测目标辐射的红外线被光学系统聚焦在红外探测器靶面上，将光信号转化为电信号，在显示器上显示目标图像，图像的灰度值就可以反映电信号的大小，也反映了目标辐射的红外线能量，根据普朗克公式，可以计算出目标的辐射温度[1]。一般情况下，在红外热像仪测温之前，需要通过大量的黑体定标实验，得到图像灰度值与黑体辐射温度之间的拟合公式。在测温时，利用拟合公式，由灰度值来计算目标辐射温度值。

　　红外热像仪测温具有以下优点：非接触、可以在图像中选取被测目标、可以远距离测量、灵敏度高、速度快、测温范围广等[2-3]。目前，该技术已经广泛应用于国防军事和工业生产中，例如：夜间军事目标的辨别、变电站中的电气设备状态监测、炼钢厂的炉温测量等。

　　虽然红外热像仪测温技术与传统的测温技术相比有很多优点，但是有许多因素影响红外测温的精度。其中的一些主要因素有：目标辐射率、大气传输损耗、环境辐射、目标距离和视场角等[4-6]。本文以几何光学和红外目标辐射理论为基础，结合设计的一套红外热像仪参数，分析了目标距离和视场角变化对红外热像仪测温精度的影响，提出了减小目标距离和视场角变化对测温精度影响的方法。

　　1 探测器输出与目标距离和视场角关系

　　由几何光学和红外目标辐射理论，推导出红外热像仪探测器输出与目标距离和视场角之间的关系式，由此关系式便可得到测温误差的表达式。

　　1.1 轴上点光照度

　　假设目标为朗伯体，物平面轴上目标物点A，在波长 处、温度为 T 时的辐亮度为 ， ，且在各方向上的光亮度相同，如图 1 所示，可以得到光轴周围微小面积范围内的像面光照度[7]

　　式中： 为光学系统透过率，n为物空间折射率，n' 为像空间折射率， 为像方孔径角。

　　在物空间和像空间折射率相等的情况下，n'=n，得

　　由图 1 可以得到

　　由几何光学的牛顿公式可得

　　式中，D为光学系统入瞳直径，l为物距，f 为物方焦距，l'为像距， 为像方焦距。

　　将式(3)和(4)代入(2)中得

　　从式(5)可以看出，当光学系统加工完成之后，系统透过率 是定值，对于相同条件下的目标，辐亮度 ， 也是定值，在不改变光学系统光圈和焦距的情况下，像面轴上点照度由物距决定。

　　1.2 轴外点光照度