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红外热像仪的辐射定标和测温误差分析

作　者: 陆子凤
导　师: 刘益春；卢振武；孙强
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 辐射定标灰度级测试距离红外测温测温精度
分类号: TN215
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 989次
引　用: 3次
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内容摘要

非接触红外测温技术由于不影响和改变温度场分布、能远距离测量、测温范围宽等优点被广泛应用。但因物体的发射率一般小于1,会反射周围物体辐射、太阳辐射等进入光学系统,导致热像仪的显示温度不同于物体的真实温度,结果往往造成错误判断,给使用者带来麻烦和经济损失。因此考虑各种影响因素,消除测温误差,在应用方面有着重要的价值。本文通过对热像仪进行光谱辐射定标,实现了温度测量。对影响测温精度的因素进行了分析和探讨,提出了对测温结果进行修正的办法。利用标准面黑体源在实验室条件下对红外热像仪进行校准,建立了图像灰度均值与黑体温度之间的数学模型。分析了目标到红外系统的测试距离对测温精度的影响。利用红外热像仪探测面上照度与像方孔径角的关系,对测试距离的影响进行了理论分析；比较了不同距离处测量温度与真实温度的差别。理论分析了发射率测量误差、环境温度测量误差对测温精度的影响。得到如下结论：物体温度越高,发射率设定不准引起的测温误差越大；物体的温度升高,环境背景的温度测量不准引起的测温误差将变小。因此在测温时,如果物体的温度远高于环境温度时,则发射率的影响不容忽视,当物体温度低于或者和环境温度接近时,环境温度的影响将变大,需要对测温结果进行修正。进一步研究了红外热像仪内部温度对测温精度的影响,结果表明：探测器的工作温度不同,探测器响应状态也不同,导致测温结果不同。测温时保持探测器内部温度和校准时相同,能有效避免因两者差异导致的系统误差。为实现三波段成像,利用一个能响应三波段的探测器共用一个光学系统,实现了照相机在紫外、可见、近红外波段的成像。测定了三个不同波段滤光片的透射率,利用积分球均匀光源实现了三波段照相机的光谱辐射定标,对应不同曝光时间(0.125-8 ms有7档可调),建立了探测器输出图像灰度均值和输入辐亮度的关系,为相机适应不同波段清晰成像提供了适当曝光参数选择。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章引言  13-33
  1.1 红外测温技术的发展和应用  14-16
    1.1.1 红外测温技术的发展  14-15
    1.1.2 红外测温技术的应用  15-16
    1.1.3 红外测温技术的优点  16
  1.2 红外热辐射的基本规律和测温方法  16-23
    1.2.1 红外热辐射的基本规律  16-20
    1.2.2 红外测温的基本方法  20-23
  1.3 红外热像仪的基本结构和工作原理  23-30
    1.3.1 红外热像仪的基本结构和分类  24-25
    1.3.2 红外热成像系统组成部分的工作原理  25-26
    1.3.3 红外热成像技术的发展  26-27
    1.3.4 红外探测器的发展  27-30
  1.4 红外热像仪辐射定标的意义  30-31
  1.5 论文的结构和主要研究内容  31-33
第2章红外热像仪测温的理论模型  33-41
  2.1 红外热像仪的测温基本理论  33-37
  2.2 红外光学系统透过率对理论模型的修正  37-38
  2.3 红外热像仪的测温误差计算公式  38-40
  2.4 红外热像仪实现测温的方法  40
  2.5 本章小节  40-41
第3章红外热像仪的辐射定标  41-55
  3.1 红外热像仪辐射定标的基本原理  41-43
    3.1.1 近距离扩展源法  42
    3.1.2 远距离小源法  42-43
  3.2 红外热像仪工作波段的黑体光谱辐射度  43-45
  3.3 红外热成像系统辐射定标实验  45-47
  3.4 热像仪定标的实验结果和分析  47-53
    3.4.1 黑体热图像的灰度直方图分析  47-49
    3.4.2 像仪辐射定标的实验结果  49-53
  3.5 热像仪定标的误差分析  53-54
  3.6 本章小节  54-55
第4章测试距离和发射率不确定对测温的影响  55-67
  4.1 目标到测试系统距离对红外测温精度的影响  57-62
    4.1.1 测试距离对红外热像仪测温影响的实验研究  57-62
    4.1.2 减小测试距离对测温影响的有效方法  62
  4.2 发射率不确定对测温的影响分析  62-66
    4.2.1 发射率不确定对测温影响的解决方法  65-66
  4.3 本章小节  66-67
第5章探测器温度对非致冷型热像仪测温的影响  67-73
  5.1 探测器的响应特性和温度间的关系  67-69
  5.2 探测器温度对测温影响的实验研究  69-72
  5.3 探测器温度对测温影响的解决办法  72
  5.4 本章小节  72-73
第6章环境背景对测温的影响分析  73-85
  6.1 大气对红外辐射传输的影响  73-79
    6.1.1 大气的组成及光学特性  74-76
    6.1.2 大气透射率的计算与分析  76-79
    6.1.3 大气透射率的计算实例  79
  6.2 环境温度对红外测温的影响  79-84
    6.2.1 环境温度对测温影响的分析  80-81
    6.2.2 环境温度对测温影响的修正理论  81-82
    6.2.3 修正结果  82-83
    6.2.4 环境温度对测温影响的常用补偿方法  83-84
  6.3 本章小节  84-85
第7章三波段照相机的光谱辐射定标  85-95
  7.1 三波段照相机的基本结构  85-86
  7.2 滤光片光谱透射率的测定  86-87
    7.2.1 光学系统透过率的测量原理和方法  86-87
    7.2.2 滤光片光谱透射率的测量结果  87
  7.3 三波段照相机的光谱辐射定标  87-93
    7.3.1 照相机辐射定标的实验装置  88-89
    7.3.2 CCD照相机的辐射定标实验结果  89-93
  7.4 本章小节  93-95
第8章结论与展望  95-97
  8.1 论文的具体研究成果与创新点  95-96
  8.2 展望  96-97
参考文献  97-103
在学期间学术成果情况  103-104
指导教师及作者简介  104-106
致谢  106

红外热像仪的辐射定标和测温误差分析

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