紅外技術(shù)第十一次課詳解

1、第十一次課第四章探測(cè)系統(tǒng)4.3溫度探測(cè)系統(tǒng)一一紅外測(cè)溫儀4.3.1紅外測(cè)溫的基本原理及測(cè)溫儀的分類一、紅外測(cè)溫的基本原理依據(jù)黑體的輻射規(guī)律，黑體的光譜輻射出射度（即某一波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)單位面積向半球空間輻射的功率）由普朗克公式確定，即C2M ,T =G（e可-1）J全輻射出射度（所有波長(zhǎng)上的出射度）由斯蒂芬 -波爾茲曼定律給出，即 4Mt M ,t d - T上兩式中，T為絕對(duì)溫度。實(shí)際物體的輻出度只需在上兩式中乘以發(fā)射率；即可?？梢?jiàn)，物體的輻出度與物體的溫度以及發(fā)射率有關(guān)。只要測(cè)出物體的 輻出度，在知道物體發(fā)射率的情況下，就可以算出物體的溫度。實(shí)際上溫度 的測(cè)量都是通過(guò)輻射量的測(cè)量得到

2、的。測(cè)溫儀是按照溫度定標(biāo)的輻射計(jì)。它 與輻射計(jì)的工作原理完全相同，在輻射計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度信號(hào)處理電路即 可構(gòu)成測(cè)溫儀。二、測(cè)溫儀的分類凡是利用輻射原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的儀表，統(tǒng)稱為輻射測(cè)溫儀。輻射測(cè)溫僅 的品種繁多，分類方法也不相同。我們這里介紹的分類，是按測(cè)溫儀所使用 的波段范圍不同而劃分的類別。把利用紅外波段進(jìn)行測(cè)溫的儀表，統(tǒng)稱為紅 外測(cè)溫儀。若儀器只根據(jù)某一個(gè)特征波段上之輻射而定溫，則得到的是物體的亮溫度（Ti）;若儀器根據(jù)兩個(gè)或更多的特征波段上之輻射而定溫，則所 得到的是物體的色溫度（Ts），根據(jù)所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射而定溫，所得到 的是物體的輻射溫度(T。絕大多數(shù)的物體都不是黑體，即發(fā)

3、射率,因此測(cè)溫儀側(cè)得的輻射能 不僅與物體的溫度有關(guān)，還與發(fā)射率有關(guān)。此外物體發(fā)射出的輻射能在到 達(dá)探測(cè)器的過(guò)程中，還有各種因素造成的損失，這樣一來(lái)測(cè)溫儀接收到的 輻射能并不真正是僅由物體輻射溫度決定的輻射能。因此無(wú)論是亮溫度、色溫度或者輻射溫度，它們都不是物體表面的真實(shí)溫度，都只是些表觀溫度， 即使經(jīng)過(guò)大氣傳輸因子等修正之后，它們與物體表面的真實(shí)溫度之間仍存在 一定的差異。用輻射測(cè)溫儀直接測(cè)取真實(shí)溫度目前尚存在很多困難，多數(shù)測(cè)溫儀所能測(cè)取的溫度依然是亮溫和色溫。根據(jù)所測(cè)取的溫度不同，紅外測(cè)溫 儀可分為以下最基本的兩大類。(一)亮度測(cè)溫儀亮度測(cè)溫儀測(cè)取的溫度是亮溫度(簡(jiǎn)稱亮溫)。亮溫是根據(jù)被測(cè)對(duì)

4、象在某 一波段內(nèi)的輻射亮度來(lái)定義的：溫度為 Ti的黑體，在某一波段位圍(內(nèi) 的輻射亮度L?Jl與被測(cè)對(duì)象在同一波段內(nèi)的輻射亮度 即L八丁相等，即(4- 1)；丄 1，T = Li，T式中為i波段范圍內(nèi)的平均發(fā)射率；T為真實(shí)溫度；Ti為亮溫度。被測(cè)對(duì)象一般看作朗伯體，其輻射出射度M與輻射亮度之間僅差一常數(shù)二。因此(4 3)式又可以表示成下式(42)因此，亮度測(cè)溫儀實(shí)際上是通過(guò)到量被測(cè)物體一段波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射亮度或輻 射出射度來(lái)測(cè)溫的。由式(4 1)和(4 2)可見(jiàn)，亮溫總是小于真實(shí)溫度，通 常要通過(guò)；修正，來(lái)使亮溫接近真實(shí)溫度。全輻射測(cè)溫儀是亮度側(cè)溫儀的極端情況，它根據(jù)被測(cè)對(duì)象在從0 二全部波長(zhǎng)范

5、圍的輻射亮度的大小來(lái)確定其溫度。在數(shù)學(xué)上它完全遵從斯蒂芬波爾茲曼四次方定律。測(cè)得的輻射溫度 Tr可按下式定義(4-3)顯然Tr : T。實(shí)際上由于測(cè)溫儀總是具有對(duì)波長(zhǎng)呈選擇性的元器件，如光學(xué) 零件中的透鏡、窗口、濾光片等因此探測(cè)器上并不能接收從0二全部波長(zhǎng)的輻射。但這一點(diǎn)并不重要因?yàn)閷?duì)一定的測(cè)溫范圍，只要選取一定的波 長(zhǎng)范圍就可以了。如果所選取的工作波段范圍包含了全部輻射能量的96%,根據(jù)開(kāi)四次方的關(guān)系所形成的測(cè)溫誤差也只有 1 %。因此一般的亮度測(cè)溫儀 都是選取有限的波長(zhǎng)范圍，按四次方關(guān)系計(jì)算溫度。（二）比色測(cè)溫儀比色調(diào)溫儀測(cè)取的溫度是色溫。色溫是指這樣的黑體溫度Ts ,黑體在此溫度下，其窄

6、波段i和2內(nèi)的輻射亮度之比與被測(cè)物體在這兩波段內(nèi)的輻射亮度之比相等，即:LL11，T1 ,T s(4-4)-丄2，丁Ts也口表示為1TTs(4 一 5)；2 M 2 ,TM 2,Ts式中，r和；.2分別是被測(cè)物體在1和2范圍內(nèi)的平均發(fā)射率。比色測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量物體兩個(gè)（或三個(gè)）波段上的輻射亮度并根據(jù)它 們的比值來(lái)確定其溫度的。它的工作原理與亮度測(cè)溫儀截然不同。 使用兩個(gè) 工作波段的比色測(cè)溫儀又稱為雙色測(cè)溫儀或二色測(cè)溫儀.使用三個(gè)工作波段的稱為三色測(cè)溫儀。比色測(cè)溫儀與亮度測(cè)溫儀相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是：1）亮 度測(cè)溫儀和全輻射測(cè)溫儀往往在被測(cè)物體的發(fā)射率已知的情況下才能使用而比色測(cè)溫儀則不然只要物體的

7、發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化相緩慢（一般物體多是這樣）就可以用色溫度來(lái)逼近物體表面的真實(shí)溫度。持別是對(duì)于灰體， 式（4-5）中的、二；電二（常數(shù)），則色溫Ts就準(zhǔn)確地反映了物體的真實(shí)溫 度T o 2）由于亮度測(cè)溫儀是通過(guò)測(cè)量物體的輻射來(lái)測(cè)溫的，在測(cè)量時(shí)輻射功 率的部分損失（例如光學(xué)系統(tǒng)效率、被測(cè)物體與儀器之間介質(zhì)吸收率的變化 等）以及電子線路中放大倍數(shù)的變化等，都直接影響亮溫度和輻射溫度的測(cè) 量，而上述因素對(duì)比色測(cè)溫儀的色溫測(cè)量則沒(méi)有影響，或影響很微弱，這是 由于比色測(cè)溫儀的溫度測(cè)量是取決于輻射功率之比的緣故。4.3.2對(duì)測(cè)溫儀的要求一，精度測(cè)溫儀同許多測(cè)量?jī)x器一樣其測(cè)量精度是重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)測(cè)溫儀而

8、言，精度就是指溫度的測(cè)量值對(duì)溫度標(biāo)準(zhǔn)值（國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)） 的誤差.因此精度又常常被稱為允許誤差。測(cè)溫儀的測(cè)量誤差由溫度靈敏度、 隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差來(lái)決定.測(cè)溫儀的溫度靈敏度受探測(cè)器噪聲的限制（認(rèn)為電子線路的噪聲可以忽略），噪聲等效溫差（NETD）即為測(cè)溫儀的極限靈敏度。噪聲等效溫差的定義 為：信噪比等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)景物與環(huán)境的溫差。 根據(jù)NETD的定義可 以推導(dǎo)出其表達(dá)式為(4-6)NETD（丄）（丄）2（ f）1/2兀乩人臨叫中。八D，VAd7其中，厶L2為在工作波段12范圍內(nèi)每單位溫度變化所引起的黑體輻射 亮度的變化；為被探測(cè)物體的發(fā)射率；a為在1 2范圍內(nèi)大曲平均透 過(guò)率；0為1 2范

9、圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)平均透過(guò)率；:為考慮到光調(diào)制及信號(hào) 處理過(guò)程中光能損失的系數(shù)；D*為探測(cè)器的比探測(cè)度；f為光學(xué)系統(tǒng)焦距； D為測(cè)溫儀接收口徑；f為電子線路帶寬；Ad為探測(cè)器面積。從上式可以 看出，測(cè)溫儀的靈敏度與目標(biāo)特性（也）、大氣傳輸（）、光學(xué)系統(tǒng) 參數(shù)（、f/D ）、探測(cè)器參數(shù)（D*、Ad）以及電子線路參數(shù)（Af ）有 關(guān)。隨機(jī)誤差是由一些隨機(jī)干擾因素造成的。系統(tǒng)誤差是指由環(huán)境溫度變化，被測(cè)物體發(fā)射率變化、探測(cè)距離變化等所引起的測(cè)量誤差，以及顯示機(jī)構(gòu)誤差的總和。可以采取不同的方法來(lái)補(bǔ)償和校正系統(tǒng)誤差。溫度靈敏度、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的總和決定了測(cè)溫儀的測(cè)量誤差，即精度。二、距離系數(shù)測(cè)溫儀到被測(cè)物

10、體的距離丨與被測(cè)物體最小允許直徑 之比定義為測(cè)溫儀的距離系數(shù)Ki，即K 丨=1/（4-7）式中的是指被測(cè)物體在垂直于測(cè)溫儀光抽方向投影面積的最小允許直徑。距離系數(shù)是表明探測(cè)距離對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的系數(shù)，只有在I ： K的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果與距離無(wú)關(guān)。Ki的值可從幾十到幾百。距離系數(shù)大，會(huì)給測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)制作帶來(lái)一定的困難。433測(cè)溫儀的基本工作原理及其組成輻射測(cè)溫儀通常是用于對(duì)面目標(biāo)（擴(kuò)展源）進(jìn)行測(cè)溫，即通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的 輻射亮度進(jìn)行測(cè)溫。若輻射測(cè)溫儀用于對(duì)點(diǎn)源目標(biāo)測(cè)溫. 則探測(cè)距離會(huì)對(duì)測(cè) 量結(jié)果帶來(lái)影響，因而要根據(jù)不同的探測(cè)距離對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦拚?。測(cè)溫儀由以下四大部分組成，即光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信

11、號(hào)處理電路和顯 示機(jī)構(gòu)。下面結(jié)合各組成部分來(lái)說(shuō)明測(cè)溫儀的基本工作原理。光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)的輻射能并將它聚焦在探測(cè)器上 （探測(cè)器置于光學(xué) 系統(tǒng)的像平面上）。它可以是透射式、反射式或折反式的光學(xué)系統(tǒng)。為了消 除探測(cè)距離對(duì)測(cè)溫的影響，使被測(cè)目標(biāo)始終充滿光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)， 對(duì)于被測(cè) 目標(biāo)較小、探測(cè)距離又是變化的情況下，測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)通常是可調(diào)焦式 的。探測(cè)器類型的選擇與測(cè)溫儀的工作波段有關(guān)。選擇工作波段的原則是： 在所選工作波段內(nèi)目標(biāo)輻射功率大、發(fā)射率較高、大氣吸收小、有合適的高 靈敏度的探測(cè)器等。一般用于高溫測(cè)量（800C以上）時(shí)，選擇波長(zhǎng)短、光 譜帶寬很窄的波段范圍，這就是亮度測(cè)溫儀，低于 800

12、r的目標(biāo)，則選波長(zhǎng) 較長(zhǎng)，光譜帶寬很寬的工作波段，通常稱寬波段的測(cè)溫儀為部分輻射測(cè)溫儀。 亮度測(cè)溫儀可選擇光電探測(cè)器；部分輻射測(cè)溫儀和全輻射測(cè)溫儀可采用熱電 探測(cè)器或光電探測(cè)器。在探測(cè)器的前面放置調(diào)制盤(pán)或調(diào)制片，通過(guò)它的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)對(duì)輻射起斬 光作用。這樣從深測(cè)器輸出的將是交變電壓信號(hào)， 這個(gè)電信正比于目標(biāo)輻射 與調(diào)制片輻射之差。信號(hào)處理電路對(duì)來(lái)自探測(cè)器的目標(biāo)溫度信號(hào)進(jìn)一步放大、變換和校正。 部分輻射測(cè)溫儀的電路組成方塊圖如下圖所示。 其中前置放大器和主放大器 作用是對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)一步放大。帶通濾波器對(duì)目標(biāo)信進(jìn)行選頻放大， 并濾除 十?dāng)_噪聲。目標(biāo)信號(hào)經(jīng)移相后運(yùn)入相敏檢波器。由一個(gè)多諧振蕩器產(chǎn)生方波

13、信號(hào)，分別帶動(dòng)振子和作為相敏恢波器的基準(zhǔn)信號(hào)，則基準(zhǔn)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)同頻率?；鶞?zhǔn)信號(hào)對(duì)相敏檢波器起開(kāi)關(guān)作用， 相敏檢波器對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行同 步檢波，使相敏檢波器輸出的直流信號(hào)最大。積分器把系統(tǒng)帶寬進(jìn)一步壓縮， 削弱了附加噪聲和干擾的影響，由積分器輸出的直流電壓Vs正比于目標(biāo)輻射和調(diào)制片輻射之差。調(diào)制片的輻射即為環(huán)境況度的輻射， 在調(diào)制片附近放 一個(gè)環(huán)境溫度敏感元件 D用于檢測(cè)環(huán)境溫度，D得到的電信號(hào)經(jīng)直流放大 器進(jìn)一步放大后，作為環(huán)境溫度補(bǔ)償電壓輸入加法器中與積分輸出電壓Vs相加，此時(shí)由加法器輸出的直流電壓就正比于目標(biāo)輻射。此電壓與目標(biāo)溫度成指數(shù)關(guān)系，用這一電壓來(lái)指示目標(biāo)溫度，表頭是不均勻刻度，這

14、對(duì)儀器的 分檔和讀數(shù)帶來(lái)不便，還會(huì)產(chǎn)生較大約測(cè)量誤差，同時(shí)也不能配合數(shù)字式儀 表進(jìn)行顯示，為此線性化電路使加法器輸出的電壓線性化。由線性化電路輸 出的線性化信號(hào)就可以送入顯示機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度顯示。顯示機(jī)構(gòu)用來(lái)指示目標(biāo)溫度，線性化的信號(hào)可直接送入表頭進(jìn)行顯示,也可用直流數(shù)字儀表進(jìn)行顯示，后者的顯示精度高于前者。_反宙鏡SI度咳林元塚器通I1.f1V-H0以上所述為亮度測(cè)溫儀與部分輻射測(cè)溫儀的基本工作原理。雙色測(cè)溫儀的工作原理與亮度測(cè)溫儀和部分輻射測(cè)溫儀不同。 下圖為不同溫度下黑體的光譜輻出度曲線,1010410 10a10_1 Ai 2Aa 4 B 10 1520A (Um)從中可以看出，兩個(gè)窄波段

15、i和工內(nèi)的黑體輻射功率的比值隨溫度不同 而不同，因此不同的比值就代表被測(cè)物體的不同的溫度。根據(jù)這一原理，雙 色測(cè)溫儀要分別接收兩個(gè)窄波段 i和2處的目標(biāo)輻射功率，這一點(diǎn)和兩臺(tái)窄 波段部分輻射測(cè)溫儀相同。由兩個(gè)波段輻射功率產(chǎn)生的輸出信號(hào)， 通過(guò)電路 系統(tǒng)取它們的比值，這個(gè)比值即表示了被測(cè)目際的溫度。 下圖為雙色測(cè)溫儀 組成原理方塊圖。為了分別測(cè)出i和2波段的輻射功率，設(shè)置調(diào)制盤(pán)花紋如 圖，黑色表示不透光部分，外圍的白色為透光部分，內(nèi)圈的白色和斜線分別 表示透射1和鼻波段的濾光片。調(diào)制盤(pán)旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)輻射中的1波段和工波 段交替射入探測(cè)器。調(diào)制盤(pán)外圍花紋通過(guò)光電方法產(chǎn)生方波基準(zhǔn)信號(hào)Vj，這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)

16、與探測(cè)器輸出的對(duì)應(yīng) 1和2的雙色信號(hào)V，V2同步，波形圖 如下。利用同步信號(hào)把雙色信號(hào)分離成對(duì)應(yīng) 1和2的兩路信號(hào)U1和U2，對(duì) 它們分別進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償后，在除法器中求出它們的比值，比值與溫度的 關(guān)系不是線性的，通過(guò)一非線性放大器（如折線放大器）變成線性關(guān)系即可送入顯示機(jī)構(gòu)顯示目標(biāo)溫度434影響測(cè)量誤差的因素及其補(bǔ)償方法一、環(huán)境溫度變化的影響及其補(bǔ)償方法（一）、環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量誤差的影響 探測(cè)器接收到的能量可表示為(4-8)44P =k(T2 -Ti )式中，k為與目標(biāo)特性、大氣傳輸特性、光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、探測(cè)器參數(shù)相關(guān)的 系數(shù)，丁2為目標(biāo)溫度，Ti為環(huán)境溫度，也就是調(diào)制片溫度。探測(cè)器輸出電壓

17、為44Vs 二 RP 二 Rk(T2 -T1 )( 4-9)式中，R為探測(cè)器響應(yīng)度。可見(jiàn)，若響應(yīng)度為常數(shù)，則探測(cè)器的輸出不僅與 目標(biāo)溫度有關(guān)，也與環(huán)境溫度有關(guān)，即使目標(biāo)溫度不變，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí), 探測(cè)器輸出也是變化的，不能用此時(shí)的探測(cè)器輸出表示目標(biāo)溫度。為了消除上述測(cè)量誤差，通常采用電氣補(bǔ)償法，即外加一個(gè)電信號(hào)(與 背景溫度有關(guān))，抵消背景溫度對(duì)探測(cè)器輸出的影響，參見(jiàn)部分輻射測(cè)溫儀 方塊圖，由環(huán)境溫度敏感元件感受環(huán)境溫度 Ti，得到的電信號(hào)經(jīng)放大器放大 后作為補(bǔ)償電壓加入加法器中。設(shè)放大器和相敏檢波電了的總增益為 G,則由相敏檢波器輸出的電壓為4444Vs 二 GVs 二 GRk(T2 -T

18、1 ) = KT2 - KT1(4 - 10)若補(bǔ)償電壓為則補(bǔ)償后的電壓為Vs 二Vs 乂二 KT24(4- 11)Vs僅與目標(biāo)溫度有關(guān)，與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)，從而消除了環(huán)境溫度的影響。(二)探測(cè)器響應(yīng)率R隨環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及補(bǔ)償方法大多數(shù)探測(cè)器的響應(yīng)率R都隨環(huán)境溫度變化而變化，如熱敏電阻，T1升 高時(shí)，R降低，具有負(fù)溫度系數(shù)。如果放大器的增益 G不變，則式410) 中的K值就要隨T1而變化，使Vs值也隨T1而變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差。補(bǔ)償方法可采用在R隨Ti變化的同時(shí)，使放大器總增益 G也隨Ti而變 化，結(jié)果使總的G R乘積不變，則K不變，使消除了 T1對(duì)R影響而帶來(lái)的測(cè) 量誤差。參見(jiàn)部分輻

19、射測(cè)溫儀方塊圖，在主放大器的反饋回路中，接入一個(gè) 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻.使放大器的增益隨Ti的升高而升高，即保證了響應(yīng) 率R與增益G的乘積不變，這樣經(jīng)放大器放大后的信號(hào)就和響應(yīng)率隨環(huán)境溫 度的變化無(wú)關(guān)了。這種方法不減小信噪比，溫度補(bǔ)償范圍也寬。二、發(fā)射率；的影響及校正由式(4 8)可知，式中的k值與目標(biāo)發(fā)射率；有關(guān)，因此；不同直接影響 Vs的值，影響到測(cè)量誤差。校正時(shí)取 1(黑體)為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)；減小時(shí)，使放 大器增益G變大，即應(yīng)使發(fā)射率與放大器增益；G保持不變，從而使放大后 的信號(hào)保持不變。部分輻射測(cè)溫儀方塊圖所示的測(cè)溫儀是在主放大器的反饋回路中，設(shè)置 丁一組可變電阻.這些可變電阻的值分別對(duì)應(yīng)不

20、同的；值，接入不同的電阻值放大器有不同的放大倍數(shù)，由測(cè)溫儀面板上的旋鈕調(diào)節(jié)。測(cè)量時(shí)，按被 測(cè)目標(biāo)查附表，找到相對(duì)應(yīng)的發(fā)射率值，然后按發(fā)射率值把旋鈕調(diào)到對(duì)應(yīng)的 刻度上。這樣測(cè)量結(jié)果就和測(cè)量同溫度的黑體時(shí)結(jié)果一致了。三、探測(cè)距離的影響及校正方法 如下圖，當(dāng)目標(biāo)直徑 、探測(cè)器直徑d、距離I、焦距f四者之間滿足關(guān)系式丨丄d時(shí)，目標(biāo)的像恰好蓋滿探測(cè)器的面積，則光學(xué)系統(tǒng)所接收的能量全部落到探 測(cè)器上。設(shè)目標(biāo)輻射亮度是均勻的，則當(dāng)丨：丄時(shí)，系統(tǒng)接收的能量不變，d測(cè)量結(jié)果和距離無(wú)關(guān)。在這種情況下，我們把K| =/ = f/d定義為距離系 數(shù)。當(dāng)不變，若匸，則接收能量發(fā)生變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差。可見(jiàn)，距d離系數(shù)表明在滿足一定測(cè)量誤差條件下的探測(cè)距離限制，它也是一部測(cè)溫儀的主要參數(shù)之一。在光學(xué)系統(tǒng)成像為理想的條件下，距離系數(shù)由 K