（物理电子学专业论文）提高发射率测量精度的方法研究.pdf

摘要 发射率是涉及到物体红外辐射特性的一个重要参数，对其进行测量和研究是很多 领域内有重要意义的工作。本文提出了用红外热像仪测量物体发射率的方法，推导了 发射率测量公式，对影响发射率精度的环境温度、样品温度和红外热像仪测得温度加 进行了分析，用红外热像仪对样品的发射率进行了测量，说明了此方法可以明显提高 发射率的测量精度。此测量方法测试装置简单，测试程序简洁，测试结果准确。 关键词：表面发射率红外热像仪测温辐射出射度 a b s t r a c t e m i s s i v i t yi sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ei n f r a r e dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t s w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nm a n ym e a s u r i n ga n dr e s e a r c hf i e l d t h i sp a p e rh a sp r o p o s e d an e wm e t h o df o rm e a s u r i n gs u r f a c ee m i s s i v i t yo fp h i e c t ，d e d u c e dt h em e a s u r i n gf o r m u l ao f e m i s s i v i t y , a n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c hh a se f f e c to nt h ea c c u r a c yo fe m i s s i v i t y , s u c ha s a m b i e n tt e m p e r a t u r e s a m p l e st e m p e r a t u r ea n dm e a s u r e dt e m p e r a t u r eo fi n f r a r e di m a g i n g s a m p l e se m i s s i v i t ya r em e a s u r e db yi n f r a r e di m a g i n g ，i ts h o w st h a t t h i sm e t h o dc a n i m p r o v et h em e a s u r i n ga c c u r a c yo fe m i s s i v i t ys i g n i f i c a n t l y t h em e a s u r i n gd e v i c ea n dt h e p r o c e s so ft h i sm e a s u r i n gt e c h n o l o g ya l es i m p l e ，a n dt h er e s u l ti sp r e c i s e k e y w o r d s ：s u r f a c ee m i s s i v i t y i n f r a r e dc a m e r a m e a s u r i n gt e m p e r a t u r e r a d i a n t e m i t t a n c e t l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，提高发射率测量精度的方法研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：拯盔复楚翠年三月日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：缒鱼叁堡年羔月五日 指导导师签名：立月五日 1 1 论文背景 第一章绪论 发射率是目标红外辐射特性的一个重要参量。对其测量可以了解材料的红外辐射 特性，这有利于材料学科的发展，对进一步促进航空航天、国防科技事业的进步有着 重要意义【1 1 。 在红外物理中，物体的光谱发射率( e m i s s i v i t y ) 被定义为该物体在指定温度时 的辐射能与同温度黑体辐射能的比值，它是一个与测量手段无关的物性参数。材料的 红外辐射( 即热辐射) 是由温度引起的，一定温度的物体内的电子、中子、原子及分子 的振荡与跃迁释放出来的能量即为辐射能。长期以来，人们就是利用物体光谱发射率 这一经典概念来进行红外测温的，随着现代科学技术的发展，人们对材料辐射特性的 测量和研究，无论在深度还是在广度上都取得了重大进展【2 1 。 人造卫星、飞船、空间站、航天飞机、导弹和火箭等空间飞行器和运载工具，可 以说是当代几乎所有最新科技成就集中反映的产物。这些飞行器和运载工具从发射、 入轨以后的轨道飞行，直到再入过程中经受气动加热的各个阶段，都会碰到热和温度 问题，为此必须对它们采取有效的隔热和防热措施。这有赖于对其热过程进行热分析 和热设计，而材料发射率( 材料辐射特性) 参数则是热计算和热设计的关键参数，也是 研制、评价和优选所用隔热和防热材料的主要依据。空间飞行器头部在再入大气时， 表面驻点温度可达5 0 0 0 0 ，为了解决这个“热障”问题，通常采用烧蚀防热，辐射防 热发汗、防热及吸收( 热沉) 防热等方式，而这些方式的效果在很大程度上取决于材料 的辐射特性和传热特性；兼有人造卫星、火箭和飞机三者特点的航天飞机同样与材料 辐射特性的研究密切相关i 引。美国k o r b 博士在1 9 8 4 年召开的第九届欧洲热物性大会上 指出“防热瓦是航天飞机的关键技术之一”，所以材料红外辐射特性研究具有重要意义， 是航天航空技术的基础和前提工作。 材料辐射特性的研究对能源科学及能源工业意义非常大，如近年来开始的远红外 加热技术，它的原理是研制或选择一种具有特定辐射性能的物质作为热源表面涂层， 该物质的单色发射率占随不同波长而变化，且正好与所需加热或干燥物品的选择性吸 收性能相对应，即与它的单色吸收率随波长变化的曲线相匹配。这样被加热物体的某 些红外波段的强烈吸收带，正好是热源表面红外波段单色热发射特别大的区域，因此 能获得最佳的能量利用率。周林频谱仪就是这个原理。远红外加热技术与常用的热风 加热和近红外加热方法相比，具有能源利用率高，加热速度快，质量好等优点。因而 在国内外被广泛推广使用，统计数据表明，应用远红外加热技术，一般可节约2 5 左右 的能源。而远红外加热技术研究的关键，就在于首先要解决各种物质表面单色热发射 率和单色吸收率等热物理参数的测试方法和装置问题i5 。 另外，材料红外辐射特性研究和测试又是太阳能利用研究的前提和基础，理论和 实践证明，在太阳集热器中应用光谱选择性涂层是实现最佳利用太阳能的最有效措施 之二，而光谱选择性涂层研究的主要内容之一，就是材料辐射特性测量。 材料科学离不开辐射特性测试，辐射特性测试是材料科学的基础工作之一，而且 辐射特性测试方法和装置正在成为研究材料晶体结构、显现组织变化的一个有效工具。 在微电子器件中，导热和散热问题( 有人称为计算机“热障”) 的解决，很大程度上取 决于其热特性测试工作；在地质、地热、资源探测等领域中，在农业、地面交通、建 筑设计中，在医学等领域中都需要材料辐射特性测量。 红外探测技术由于其自身的特点及优势，已被广泛应用于目标红外侦察与监视、 红外夜视、瞄准和制导诸多方面，可以对导弹武器、飞机、坦克等军事目标和地面设 施进行探测或实施打击。而这些工作的基础和前提是红外材料的辐射特性测试和研究。 白海湾战争迅速发展起来的红外制导技术，就是利用目标与背景的热辐射差异，形成 目标与周围景物图像实现制导的一种方法1 6 j 。例如：坦克在夜间发动以后，在其处于静 止状态时，除了发动机、排气管及其四周外，部分表面温度接近环境温度，而排气管 温度在2 0 0 到4 0 0 之间，发动机顶盖温度为6 0 ；行驶过程中，履带的摩擦也会发 生强烈的红外辐射，其红外辐射功率和背景差别很大，红外制导武器很容易分辨，即 使加了屏蔽可以大大的减小短波信号的幅值，但不能阻止中长波辐射。在海湾战争中， 以美国为首的多国部队在夜间对伊拉克部队的地面军事设施以有力的空中打击也主要 依靠其先进的红外制导武器。红外制导具有制导精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强和 选择攻击目标的要害部位等特点。 为了反红外探测，与之相匹配的红外隐身技术引起了世界各个强国的高度重视。 地面军事设施也应具有很好的伪装性能，即目标温度、红外光谱辐射特性与背景接近。 提供一种可同时测量发射率和真温的设备，为各种型号研制服务是十分必要的。如我 国在某型号航天的研制中对于地面的发射设备表面温度和光谱发射率均有严格的要求： 发射车的表面温度不得高于环境4 ，光谱发射率不得高于环境0 6 ，以达到良好的 隐身性。可以预计，随着技术的进步，越来越多型号上的地面设备都要提出类似的要 求。 物体发射率是利用红外辐射进行非接触温度测量的关键参数，没有准确的物体发 射率，就不可能利用红外热成像仪或辐射测温度计获得真实可靠的测量结果，然而实 际工作中，要精确测量物质的发射率是比较麻烦的，因为物质的发射率不仅取决于该 物质的内在性质，同时还与物质表面的物理状态，如物质表面光滑程度、材料粒度、 温度、辐射角等因素有关。另外，考察波长不同，物质的发射率也不相同，这些因素 无疑使发射率的测量变得复杂。因此，物体的发射率很难事先由实验的方法获得。 2 1 2 论文研究的目的及意义 发射率是利用物体的辐射进行非接触温度测量的关键参数，没有准确的发射率， 就不可能利用辐射测温度计获得真实可靠的测量结果，然而实际工作中，要精确测量 物质的发射率是比较麻烦的，因为物质的发射率不仅取决于该物质的内在性质，同时 还与物质表面的物理状态，如物质表面光滑程度、材料粒度、温度、辐射角等因素有 关。另外，考察波长不同，物质的发射率也不相同，这些因素无疑使发射率的测量变 得复杂。自从5 0 年代以来，欧美等国家竞相对这个领域投入了大量的研究，这方面的 研究得到了长足的发展和完善。 根据不同的测试原理，传统的发射率的测量方法主要有下面几种方法：量热法、 反射率法、辐射能法【7 j 1 1 0 j 。 量热法的基本原理是被测样品与其周围相关的物体共同组成一个热交换系统，根 据传热理论导出系统有关材料发射率的传热方程，再测出样品有关点的温度值，就能 确定系统的热交换状态，这种方法需要把被测试样置于一个热交换系统中。 反射率法是根据能量守恒定律及基尔霍夫定律，将己知强度的辐射能投射到被测的 不透明样品表面上，并用反射计测出表面反射能量，即可求得样品的反射率并进而计 算出发射率。反射率法需把试样置于反射计腔内。 辐射能法的基本原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克或斯蒂芬一玻尔兹 曼定律和发射率定义计算出样品表面发射率。一般均采用能量比较法，即在同一温度 下用同一探测器分别测量绝对黑体及样品的辐射功率，两者之比就是材料的发射率值。 这种方法需要参考黑体作辅助设备。 多光谱辐射测量法是近年来发展起来的测量真实温度和光谱发射率的方法，这种 测量方法是利用目标多个光谱的辐射信息来分离出真实温度和发射率的方法。一个简 单的n 通道多光谱辐射测量包含n 个等式，n + 1 个未知数( n 个发射率，一个温度) 。欲 求得其中的未知数必须构造一个新的方程，使n + 1 个未知数具有n + 1 个方程。目前， 国内外都是基于经验公式或从处理问题方面的角度出发而设计第n + 1 个方程。 1 3 国内外研究现状 关于发射率测量技术的研究可以追溯n - 十世纪3 0 年代，七十多年来，各国学者提 出各种发射率测量方法和装置，对各种物质的辐射特性作了大量测定工作，有关数据已 经汇编成册供使用者查阅。但是由于材料发射率与材料组份、表面状况及所处的温度 和考察的波长有关，所以建立完备的发射率数据库是不可能的，而且测量的精度和重复 性都不尽人意。特别是军事、国防、材料科学及能源领域的快速发展，现有的数据库无 法满足需求，迫切需要建立精确快速的发射率测量装置，对这些材料进行测量。在测量 方法和装置方面，国外起步的比较早，但其方法也并不是尽善尽美，美国n i s t 最近研 制的集成式热辐射性能测试系统。系统可以对各种黑体源和材料的光谱发射率进行测 试评价，系统所覆盖的光谱范围为1 - 2 0 a m 、测量温度范围为6 0 0 1 4 0 0 k ，主要对透明材 料进行测量，今后将实现对半透明材料及具有镜面反射和漫反射特性在内的各种材料 的测量，测量波长将进一步提高，测量温度下限也要达到2 9 0 k ，测量角度0 7 5 0 。此外国 内由于设备造价高、去除背景热噪声等误差精度理论还不成熟等原因，这方面的研究人 员不多，测量精度也无法进一步提高，国内在这方面的研究更是很少有人问津i l l j 【1 5 j 。 2 0 0 5 年王北新等采用傅里叶光谱仪研制成功了粒子辐射测量装置，装置中采用了日本 j a s c 0 的刚i r 6 6 0 型光谱仪，光谱范围0 6 6 2 0 # m ，温度范围1 0 0 1 5 0 0 ，可以测量 粒子的发射率和粒子透过率等参数。 1 4 论文研究的主要内容 本文利用红外热像仪测量材料表面发射率，对不同辐射测温方法的原理和特性加 以介绍，并介绍了热像仪的工作原理、组成部分和技术参数。推导了发射率测量公式， 对影响发射率精度的环境温度、样品温度和红外热像仪测得温度加以分析，提出提高 精度的解决办法。最后通过验证可以看出此测量方法测试装置简单，测试程序简洁， 测试结果准确。 4 第二章红外热像仪的工作原理及测温的基本理论 2 1 红外辐射定律 2 1 1 红外辐射源 红外辐射俗称红外线，它的波长范围0 7 6 1 0 0 0 , u m 。红外线和所有电磁波一样， 是以波的形式进行直线传播的。红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热的物体向外 辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的【1 6 】。物体的温度越高，辐射出的红外线越 多，辐射的能量就越强。严格的说，凡处于绝对零度以上的物体，都发出热辐射。人 们主要研究能被物体吸收的、并能重新转变为热能的波长o 8 4 0 , u r n 的红外线。 发射红外电磁波的物体或器件，皆称为红外辐射源。它通常分类如下： 标准辐射源，包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等； 工程用辐射源，包括碳弧灯、钨灯、氙灯、电发光辐射器、电加热的杆状和面状 辐射器、气体加热辐射器等； 自然红外辐射源，包括太阳、月球、恒星、行星、地球表面、大气和云层等； 还有发光二极管和半导体激光器；固体、气体激光器等。 红外装置或系统需要探测的辐射源，包括飞机发动机、机壳或尾喷管的辐射，弹 道火箭、航天飞机、人造地球卫星、机动车辆和人体等。通常，自然辐射源常使用术 语“背景”一词，而将需要探测的辐射源称作“目标”。 在红外工程技术和研究方面，对辐射源的研究是极其重要的。就目标的探测来说， 不必说应该对目标本身的辐射特性有所了解，其他不论是对物质材料的光学特性的测 量，还是鉴定红外探测器的性能参数以及其他方面的应用等，对所使用辐射源的光谱 特性，空间辐射特性等的了解都是不可缺少的。 有关辐射源的选择，因实验目的不同，对辐射源的要求也不相同。有时要选用黑 体或灰体，有时则要选用相干源，以获得较大功率的单色辐射。具体的说，要考虑以 下几个方面： ( 1 ) 要有足够的辐射功率，以使测试系统有足够的信噪比； ( 2 ) 它的光谱分布能满足实验的要求； ( 3 ) 辐射特性要稳定； ( 4 ) 尽可能不要求苛刻的使用条件； ( 5 ) 辐射源的寿命要长，价格要低，体积宜小，重量求轻等。 2 1 2 黑体辐射定律 众所周知，凡是温度高于绝对零度的物体都可以发射热辐射。黑体是在同温度下， 热力学平衡中具有最大发射能力的物体，因此绝对黑体被用做辐射能量的绝对标准， 广泛地应用于红外设备的绝对校准，各种材料辐射特性测量，红外探测器和红外温度 计定标等方面。可见，对黑体辐射定律及其意义的彻底了解，乃是进行辐射测量的基 础。下面仅就辐射测量的需要来讨论黑体辐射理论中的几个基本定律，其中最基本的 是普朗克辐射定律。 绝对黑体是一个理想化的物理模型，是不存在的1 1 7 j 。1 8 6 0 年基尔霍夫指出，一个 等温密闭空腔开一个小孔o ，从小孔发出的辐射就是模拟黑体辐射。因为当光进入小 孔后，在空腔内经多次反射，如图2 1 所示，很快就被吸收而衰减，再从小孔射出的只 占入射辐射极小的比例。于是，小孔o 对于入射的辐射来说，就宛如一个黑体的表面， 可以认为它的吸收比例等于1 。 图2 1 绝对黑体模型 反过来，如果我们对图2 1 所示的空腔加热，空腔便通过小孔发出热辐射。按基尔 霍夫定律口( a ，r ) = e ( a ，r ) = 1 ，即绝对黑体是辐射本领最大的物体。 对黑体的光谱特性进行测定，所得光谱辐射出射度随波长变化的曲线如图2 2 所 示。由图可见，对应于每一温度都有一极大值，且随温度升高，黑体辐射迅速增大， 曲线极大值也逐渐移向短波侧。 ( 1 ) 辐射的光谱分布定律普朗克辐射公式 1 9 0 0 年普朗克为了从理论上解释图2 2 的黑体实验曲线，提出了能量量子化的假 设。普朗克认为，当把上述空腔的热辐射看成是一群振荡偶极子，简称振子的电磁辐 射时，振子的能量不能处于能量为任意值的状态，即频率为，的振子，有一个最小的 6 图2 2 黑体辐射曲线 能量单位枷。而振子只能处于某些特定的状态，在这些状态中，振子的能量只能取值 n h v ，( n = o ，1 ，2 ，) 。h 为普朗克常数，h = 6 6 2 6 2 x 1 0 瑚s ) 。h v 称为能量子。 同时普朗克认为振子处于各能量状态的几率，按波尔兹曼分布，即振子处于能量为n h v 状态的几率正比于e x p f 型1 。其中k 为波尔兹曼常数，k ：1 3 8 0 6 1 0 一玛缈s k 一- ) 。 ik rj 、 t 为绝对温度，在这两个假设的基础上，便可得到著名的普朗克辐射公式 ， c 2 、一1 m = 鲁ie 盯一1i c m l a m 。1 ) ( 2 1 ) 其中m ，为黑体的光谱辐射出射度；c 1 为第一辐射常数， c 1 = 2 s r c 2 h = 3 7 4 1 5 x 1 0 。1 8 ( m 2 ) ；c 为光速，c = 2 9 9 7 9 x 1 0 8 ( 历s _ 1 ) ；c 2 为第二辐射 常数，c ，；竺；1 4 3 8 8 x 1 0 。2 ( 肌k ) 。对应于不同的温度，普朗克定律可以绘制出一族 一 k 曲线。由任何一个普朗克曲线可以看出，波长为零时光谱出射度都为1 ，在峰值波长处 迅速增到最大值，波长非常大时再次趋近于零。温度越高，光谱出射度达到峰值的波 长越短。普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 ( 2 ) 辐射功率随温度的变化规律斯蒂芬波尔兹曼定律 1 8 7 9 年斯蒂芬观察到黑体全辐射出射度和黑体绝对温度的四次方成正比。不久， 波尔兹曼应用麦克斯韦理论，推导了这个关系。将式( 2 1 ) 对所有波长积分，便可得到 描述单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率，即： 7 m b2 f om 彬2 f o r 。1 p 。 ( 2 2 ) 这就是斯蒂芬波尔兹曼定律，其中仃一5 6 7 0 x 1 0 胡( m - k - 4 ) 成为斯蒂芬波尔 兹曼常数，o r 的值与实验数据相符。斯蒂芬波尔兹曼定律表明，黑体全辐射出射度和 绝对温度的四次方成正比，因此，温度t 微小的变化，就会引起辐射出射度的甚大变 化。 实际上，温度为t 的绝对黑体单位面积辐射的总功率就等于图2 2 相应曲线下的 面积。可以看出，a o ，k 内的辐射出射量仅占总出射量的2 5 ，这就体现出了太 阳辐射的大部分都集中在可见光谱区。不难想象，如果能探测到黑体的单位表面积发 射的总辐射功率，就能确定黑体的温度。因此，斯蒂芬波尔兹曼定律是所有红外测温 的基础。 一个站在3 0 0 k ，大约2 平方米的表面上的人，用斯蒂芬波尔兹曼公式计算他的辐 射能，得到1 。要是不补偿周围表面的辐射吸收，这个能量损失就不能持续。在室温下 测量与人体温度下( 即使加上衣服) 测量相差不会很大。 ( 3 ) 维恩( w i e n ) 位移定律 由图2 2 实验曲线可知，对于一定的温度，绝对黑体的光谱辐射出射度有一极大值， 相应于这个极大值的波长，我们用丸来表示。由图2 2 我们还看到，绝对温度越高， 九值就越短。辐射的功率就越集中于短波端。例如，加热金属时，先是发出人眼看不 见的波长很长的红外辐射，随着温度的升高，辐射波长也就越来越短，渐渐地由可见 光中的暗红而红、橙、蓝、紫，最后变成白光。 从普朗克辐射公式( 2 1 ) 出发，已证明，黑体温度t 与九之间有关系式 丸t = b( 2 3 ) 此即维恩位移定律。其中b = 2 8 9 7 x 1 0 。沏k ) 也与实验数值相符。 在一般可达到的温度下，与绝对黑体光谱辐射出射度极大值相对应的波长位于红 外区。例如，t 一4 0 0 0 k 时，九一0 7 2 【l m ，辐射峰值才落到可见光的红光部位。 由被测目标的温度，利用维恩位移定律，我们可以选择红外系统的工作波段。 ( 4 ) 辐射的空间分布定律朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表 面法线夹角的余弦成正比，如图2 3 所示。 i 口= j o c o s 0 ( 2 4 ) 8 图2 3 朗伯余弦定律 i oc o s0 此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时， 应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成口角方向检测，则接收到的 红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的c o s o 倍。 2 1 3 实际物体的红外辐射定律 黑体是理想化的辐射体。然而，在自然界中理想的黑体是不存在的，大量的非黑 体辐射才是自然界中的普遍现象。显然，不能把黑体辐射的定律直接用于实际物体。 那么非黑体辐射与黑体辐射有没有关系呢? 基尔霍夫定律：物体的辐射出射度m 仃) 和吸收本领口的比值m ( r ) a 与物体的性 质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度m 仃) 。这表明，吸收本领大的物体，其发 射本领也大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。 该定律还把黑体辐射和非黑体辐射联系了起来，从而为研究实际物体的辐射工作提供 了方便【1 8 j1 19 1 。 实验表明，实际物体的辐射出射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的 材料性质及表面状态等因素有关。这里，引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射 系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体【2 1 l 。这个辐射系数，就是常说的发射 率，或称之为比辐射率，是衡量一个物体辐射性能好坏的一个重要物理参数，常用表 示。 黑体是发射率最大的物体。如果把黑体的发射率定为1 ，实际物体的发射率定义为 实际物体与同温度黑体辐射性能之比，其数学表达式为 物体的全辐射量 m ( a ，丁) ，、。、 弘哥哥磊下甄磊歪丽2 瓦m 而 【乙5 ) 同一温度下黑体的全辐射量。( a ，丁) ”一7 而根据基尔霍夫定律的关系式可知竺m 专兰果t 一口，因此 。( a ，) 9 = 口 ( 2 6 ) 同样，对物体辐射出的每一单色分量( 即分谱) ，有 ；( 2 7 ) 表明：任何物体( 材料) 在一定温度下，其发射率等于同一温度下的吸收率。吸 收率越大，其发射率也越大。 这样一来，对于自然界中的任何一个物体，只要知道它在一定温度下的发射率， 那么，这一物体在该温度下的辐射特性就可引用有关黑体辐射定律进行研究和计算， 并用该物体的发射率s 进行修正。这样对非黑体辐射的研究就较为简单了。 在引入发射率s 后，对实际物体辐射的辐出度就可以进行修正，将普朗克公式改 写为 m ( a ，t ) = e m b ( a ，t ) 1 唧( 南) 一1 ( 2 8 ) m ( a ，t ) = 鲁_ 旦弋 ( 2 9 ) 刀唧p 1 ) 一 式中m ( a ，t ) 为实际物体的光谱辐出度。 根据斯蒂芬波尔兹曼定律，实际物体辐射的辐出度就改写为 m ( 尢t ) = s o - t 4 ( 2 1 0 ) 这样一来，只要知道物体的发射率，就可以很容易地算出它在某一温度下的辐出度值。 式( 2 1 0 ) 正是红外测温技术的理论依据【1 3 1 。 2 2 红外测温法 上一节中我们讨论了辐射测温的有关定律，根据这些基本定律可以制成各种各样的 测温仪，比如全辐射测温仪，亮度测温仪和比色测温仪等，这些测温仪都以黑体为参 考源，仪器经标定后对目标进行测量，得出物体温度的读数。但实际的物体并不是黑 体，因此一般的测温仪得到的都不是物体的真实温度。为此引入一个发射率的物理量 来描述实际物体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力的接近程度。任何辐射测温方法 都不能回避物体发射率这个问题，它是影响测温精度的重要因素。辐射测温方法是根 据工作时使用的光谱参量的不同来分类的，通常可以分为全辐射测温法、亮度测温法、 双波长( 比色) 测温法以及多波长( 多光谱) 测温法等，本节将对不同辐射测温方法 的原理加以介绍。 1 0 2 2 1 全辐射测温法 全辐射测温法是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围内物体的总辐射功率，用 黑体定标的仪器来确定物体的温度。其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系 是由斯蒂芬一玻尔兹曼定律来描述的【2 0 1 。 当温度为丁的待测物体与温度为殆的绝对黑体在整个光谱范围内总的辐射通量相 等时，这时黑体的温度死就定义为待测物体的辐射温度。根据斯蒂芬一玻耳兹曼公式， 黑体在温度珏下的总辐出度为 m 6 一o r ； ( 2 1 1 ) 而待测物体在温度丁下的总辐出度为 m 一占( 丁) 仃丁4( 2 1 2 ) 根据辐射温度的定义有 m m 6( 2 1 3 ) 故可得到被测物体的温度为 下 t = 坠( 2 1 4 ) 仃) 、。 由于发射率总是小于l 的实数，因此物体的真实温度丁必然高于它的辐射温度殆。 实际上用全辐射测温法测量时，由于没有对所有波段都响应的探测器，测温仪不可 能探测所有光谱的辐射能量，因此测量的是部分波段内的辐出度，即 m f 乜m ( a ，t ) a ；t ( 2 1 5 ) 一1 故实际上使用的是部分辐射测温法，即测量高温物体光谱辐出度在一定光谱范围内的 积分，同时计算出有相同辐出度积分的黑体温度并作为被测物体的辐射温度即 r e = o - v 4 而 ( 2 1 6 ) 最后根据辐射温度和真实温度之间的关系式( 2 1 4 ) ，求出被测物体的真实温度。要得到 被测物体的真实温度必须知道在测量波段内的发射系数。物体发射率越低，测量得到 的辐射温度与真实温度的误差就越大。例如，钨在2 5 0 0 k 时e = 0 3 1 ，这时的辐射温度 瓦；1 8 7 0 k ，真实温度与辐射温度相差约3 0 ，因此用部分辐射法测物体真温时应知 道待测物体的发射率信息或者用待测物体作为参考源进行标定。另外，用此方法测温 时，背景光和光路中烟雾灰尘以及大气吸收会对测量带来较大的测量误型矧。 图2 4 是一种典型的全辐射测温仪结构示意图。被测物体的光辐射经光学系统聚焦 并经调制盘( 斩光器) 调制后照射到探测器上，探测器将交变光辐射转换成电信号，再经 过前置放大器和选频放大器后输出幅度与被测物体温度相对应的信号，检波器将此信 号变为直流信号送到显示器指示。该系统的测温精度受环境温度的变化、不同目标的 不同发射率、测距大小等因素的影响较大，需要再进行相应的补偿处理。 图2 4 全辐射测量仪结构示意图 1 、集光棱镜2 、调制盘3 、物镜4 、探测器5 、前置放大器6 、选频放大器7 、检波器8 、指示仪表 由以上讨论可知，从实际测量的角度看，全辐射测温法的结构简单，成本较低， 但测量误差大，精度不高。 2 2 2 亮度测温法 物体的亮度温度是在给定波长附近一窄光谱范围，用与它有相同辐射功率的黑体的 温度所表示的温度【2 1 】。【2 4 1 。 根据维恩近似，亮度测温仪的输出信号可以表示为 一鱼 v k ( a ，t ) x e 盯( 2 1 7 ) 式中，k ；为只与波长有关而与温度无关的仪表常数，它与该波长下探测器的光谱响应 率、光学元件透过率、几何尺寸以及第一辐射常数有关。 用此仪器测量温度为死的与被测物体有相同辐射功率的黑体温度，仪器的输出信 号为 一旦 圪= k a a , e a r t 根据亮度温度的定义，可知物体亮度温度死和真实温度丁的关系为 ! 。土+ 立伽 r 瓦c 2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 以上公式是用波长a 的单色光谱推导出来的，实际测量时滤光片有一定的带宽， 因此是在一个很窄的光谱范围内进行的，测温仪分别测出物体和标准光源在该波段的 辐出度，得物体的亮温死，再由亮温得出物体的真实温度。要得到物体的真实温度， 必须要知道物体在工作波长附近的发射率，并对系统进行修正。若该波长处的发射率 不可知，就将亮度温度近似为真实温度，从( 2 1 9 ) 式看出，这样近似有一定的误差，但 误差比全辐射测温法要小。例如，钨在2 5 0 0 k 时，= 0 4 2 5 ，1 = 1 ：t ( 2 1 9 ) 式计算得到的亮 温为2 2 7 5 k ，误差约为9 。亮度测温法在仪器结构上与全辐射测温法类似，只需多 加一块窄带滤光片即可，它通常工作在短波区，适用于高温测量。 2 2 3 双波长测温法 在上面两小节中，我们对全辐射和亮度测温方法进行了讨论，它们共同存在一个主 要的问题就是测温的精度受物体发射率的影响很大，为了减少物体发射率的影响，人 们提出了双波长测温方法。它是根据测量两个给定波长 和九的辐射功率之比，用黑 体定标的仪器来确定物体的温度，这时测得的温度称为色温【2 5 1 。 双波长测温仪有两个通道，分别输出两个波长对应的辐射信号，两个通道的输出信 号可分别表示为 一鱼 k = k 占1 厶一e 丁( 2 2 0 ) 一鱼 k = k 2 e 2 如。5 e 矽( 2 2 1 ) 式中，局和恐分别为两通道的仪表常数。 两个通道的信号的比值尺为 c 2 尺；丘。堕丛：! 篓 k ：矿e 一苦 ，九一 掣e 桀唧 掣掣】 ( 2 2 2 ) 由上式可知，物体温度丁与比值r 成单值关系，只要测出尺就可得出物体的温度， 因此这种测温法也称为比色测温法。 当用此测温仪测量温度为五的黑体时，两通道的比值为 一旦 咒；孓。娑 ( 2 2 3 ) 2 缸九p 弛 根据色温的定义可以得出色温而和物体真实温度丁的关系 1 1 一l n e 2 - l n e l 昌一 r 瓦c 2 ( 疋一 ) 九 ( 2 2 4 ) 从( 2 2 4 ) 式可知，如果待测物体的光谱发射率不随波长变化，即s ，一：，则被测物 体的色温砖就等于该物体的真实温度l 因此对灰体目标温度的测量采用双波长测温 法就非常精确。而在测量非灰体目标时，由( 2 2 2 ) 式可知，随着 和厶间距的加大，尺 的变化也大，有利于测试，但相对误差也随之增大陋j ，另外随着凡和九间距的加大， 和，的差距也越大，因此通常选用比较接近的测量波长，只要发射率的变化不太大， 就可以用测出的色温来代替真实温度。仍以温度为2 5 0 0 k 的钨为例，当选择工作波长 为6 5 5 n m 和7 5 5 n m 时，对应的发射率分别是= 0 4 2 5 ，= 0 4 6 0 。由上式计算得到的 色温为2 5 5 4 k ，误差为2 ，小于亮度测温法的原理误差。 实际测量的并不是凡和九两个单色波长处的值，而是两个窄波段内的值，因而两 1 3 通道的比值尺应为 r 一 + 眠2 一呐2 屯+ 啦2 l 屯一吡2 k 1 m ( a ，丁) d a k z m ( a ，r ) d a ( 2 2 5 ) 式中，双和乩分别为两波长处的测量带宽。 由上式可知，比值r 与温度及参数 、龃和凡、以有关，因此测温时应当选择 合适的工作波长。 双波长测温系统通常可以分为四个部分：光分路接收部分、滤波片、探测器件和 信号处理及控制部分，相比前面所述的两种测温方法，双波长测温法在结构上最大的 特点是其光学系统，它需要有一个光分路接收系统，即要将收集的光辐射分成两路分 别进行光电转换以进行比值运算。 具体使用的分光方法有如下几种【冽： ( 1 ) 光学分光，即利用一个半透半反镜将入射光辐射分为两束，这种方法比较简单 而且性能稳定可靠，但所占体积较大。 ( 2 ) 分叉光纤系统，该系统借用了光通讯中的分路器件，体积较小，可以在一些特 殊的探测环境中使用，但分叉连接头易受到各种干扰因素的影响，需要进行一些另外 的技术处理。 ( 3 ) 棱镜分光系统，由色散棱镜展开成连续光谱而选择双通道单光路系统，取消了 窄带滤光片，使得仪器的抗老化能力加强，受环境温度影响小，性能稳定，精确度高， 但光学系统复杂，调校色散与波长关系时要尽量保持为线性关系，需要的谱线要有一 定的成像质量，同时为了保证分光系统有足够大的色散角，从而使仪器体积很大。 ( 4 ) 双色调制盘，由电机带动双色调制盘转动，光电探测器交替接收两个波段的辐 射，产生两种信号，克服了使用两个探测器因温漂与时漂不一致而产生的误差。但这 两个波段的测量是分时的，因此信号处理速度不会很快，响应时间要长一些。对运动 或温度变化快的高温物体误差会很大。 2 2 4 多光谱测温法 在以上讨论的测温方法中所得到的温度不是测量目标的真实温度，用多光谱( 多波 长) 辐射测温法则可以测出物体的真实温度，同时还可以得到目标的光谱发射率【2 7 j i 捌。 多光谱辐射测温法是利用多个光谱下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物 体的真实温度及光谱发射率【3 0 l 。 1 4 2 3 红外热像仪的工作原理和技术参数 2 3 1 热像仪的工作原理 目前，热成像系统有两种分法：光机扫描型和非扫描型；制冷型和非制冷型。本 文主要介绍一下制冷型和非制冷型焦平面热像仪的工作原副3 1 1 。 背景存储 噪 声 消 除 非 均 匀 性 校 正 读写控制 帧 存 储 器 微 处 理 器 图2 5 制冷型焦平面热像仪的原理框图 2 3 2 热像仪的基本组成部分 伪 彩 色 碣 一般的红外搜索跟踪系统要获取目标的方位信息，并对目标进行跟踪。通常情况 下是将目标当作点源进行处理的，热成像系统则要求对景物成像，根据热像的特征进 而确定景物的某些特征，因此热成像系统所观察到的景物为面辐射源，这是两者的基 本区别。需要特别注意，这是进一步分析热成像系统的基础1 3 引。 整个热成像系统包括四个组成部分：光学系统，红外探测器及制冷器，电子信号 处理系统和显示系统。 ( 1 ) 热成像光学系统 红外光学系统的作用是会聚被测目标的红外辐射，经过光学和空间滤波，将景物 的辐射热图聚焦到探测元件的焦平面上。由于探测器的尺寸很小，所以系统的瞬时视 场也很小，一般为毫弧度数量级。为了对径向几十度、纬向几十度的物面成像，需借 助于扫描器以瞬时视场为单位，由探测器连续地分解图像的方法，移动光学系统，从 而实现大视场成像。 热成像光学系统的设计中，除需考虑上述一般红外光学系统的特点外，还应考虑 热成像系统的特点。为了对空间目标进行扫描成像，对扫描器的安置位置应特别注意。 倭 一 一红外辐射 对于物面扫描方式，扫描器安置在成像系统之前，这时系统尺寸大，功率消耗大，对 光学系统的成像质量影响较小。如扫描器位于会聚光路中则系统尺寸小，功率消耗小， 但影响光学系统的成像质量。此外，由于衍射极限的限制，热像仪的分辨率较低，因 此，必须有大的孔径，而这又会使整个系统重量加大，成本增高。 ( 2 ) 热像仪用红外探测器 红外探测器是热像仪的核心部件。在现代热成像装置中广泛应用了基于窄禁带半 导体材料的光子探测器，其中，h g c d t e 器件占大多数。这种器件之所以受到重视，主 要是因为它具有高的探测率和较合适的工作温度，而且其工作波段可以通过改变材料 中c d t e 和h g t e 的组分配比加以调整。 原则上，选择高探测率的探测器最好，而对探测器的响应时间也有一定要求，它 不应低于瞬时视场在探测器上的驻留时间，同时还要求探测器的输出阻抗与紧接在后 面的电路参数相匹配，这样才能获得较好的传输效率。此外，在致冷方面，要求工作 温度不能太低，致冷量不能太大。总之，热像仪的性能、维修的方便性以及外型尺寸 决定了采用探测器及致冷系统的类型1 3 引。 热像仪可用于研究很宽温度范围的物体，其中包括t 一3 0 0 k 的目标。一般来说， 研究低温目标( t 3 1 0 k 3 2 0 k ) 使用h g c d t e 探测器最有利，但是随着目标温度的 增加，使用砌曲探测器可能更为有利。例如在t 一1 0 1 型b a r n e s b o f o r s 热像仪上， 魄c d 死探测器在k 一1 2 a m 时具有谚一一1 5 x 1 0 1 0 c m h z v 2 w ，而砌勋探测器在 k = 5 6 i m 时，硝一z 2 1 0 1 1 c m h z v 2 w 。在2 9 c - - , 3 8 c 度范围内，两种探测器 能保持大约相同的信噪比。当目标温度超过3 8 以后，砌曲探测器将更为有效，而在 温度低于2 9 时则选用h g c d r e 探测器最好。 ( 3 ) 信号的处理 在热像仪中，红外探测器输出的信号非常微弱，只有通过充分放大和处理后才能 加以显示，因此信号放大和处理电路是热成像装置中的重要组成部分。通常热像仪利 用隔直流电路将探测器信号耦合到放大电路中，这样既可以抑制背景，又可消除探测 器上的直流偏置电位，还能把探测器的1 厂噪声的干扰减至最小。此外，在设计电路时， 必须考虑信号电平及各级所需增益。一般探测器噪声电平可达数十微伏，而显示器需 要几十伏甚至一百伏以上的输入，因此净增益约需1 0 7 倍以上。有时，也会遇到高信号 电平的情况，故要求信号处理电路能提供大的动态范围，这需要采用自动增益控制技 术。 通常，探测器所处空间有限，并且还可能处于运动机构上，所以在探测器上进行 信号处理十分困难。为此常在靠近探测器的地方放置小型前置探测器，使弱信号经过 适当放大后，通过低阻抗屏蔽式电缆，传输到信号处理电路上。可以说，前置放大器 是整个信号处理系统中最关键的部分，它的噪声指数必须很低，其动态范围也不宜过 大，因它受到输入端探测器噪声电平和允许的最大输出的限制，而且前置放大器应具 1 6 有低输出阻抗，这样就可保证电缆电容不衰减信号的高频分量。 前置放大器后的信号处理一般包括进一步的放大、带宽的限制、检波、控制及终 端输出显示等，其中，最佳带宽的确定十分重要，它取决于信号和噪声二者的频谱特 性。在大多数系统中，输出信号的峰值功率与带宽的平方成正比，随着带宽的增加， 响应时间减小，输出信号的峰值功率很快达到某一与带宽无关的常数值；另一方面， 又由于输出的噪声功率随带宽线性的增加，因而存在一最佳带宽，这时脉冲峰值功率 与噪声功率之比达到最大值。 当热成像系统使用多元探测器阵列时，原则上应有与阵列元数相等的信号通道数， 但从成本、尺寸和重量考虑，这是难于实现的，一种可行的办法是使用时间分配多路 传输器。近年来，新的固态开关技术的开发，已用于光电导探测器的低电平开关系统 中。一种更好的方法是使用电荷耦合器件( c c d ) 实现多路传输。 在c c d 传输中，红外探测器与扫描装置相关联，对目标同时取样，并注入到c c d 移位寄存器，各c c d 单元的电荷量正比于对应的探测器取样信号，然后由一快速时钟 脉冲将c c d 各单元中的电荷移出，经输出电路形成一组串行的与取样信号对应的视频 信号。 ( 4 ) 显示方法 热像仪的图像显示有如下两种方法： a 无源显示法 视频信号经放大与处理后，其输出信号直接驱动发光二极管、等离子显示板或辉 光放电管等光源，使之显示出目标表面红外辐射能量分布情况。这种显示方法的优点 是可以得到亮度较高的图像，但图像清晰度不太好。 b 电视屏幕显示法 这种方法使用较为普遍。它是把经放大和处理的信号输入到电视显像管中，在荧 光屏上显示出目标的红外图像。对于黑白显像管，将显示出明暗不同的黑白图像，所 呈现的不同灰度等级，代表着不同的温度。对于彩色显像管，视频信号经分层和编码 处理后，输入到管中，其荧光屏上便显示出目标的彩色图像。必须指出，这时的彩色 图像并不代表目标的真实颜色，而只反映不同温度的分布，称为假彩色热像。通常用 红、黄等暖色表示较高的温度，而用紫、蓝等颜色表示较低的温度。 2 3 3 热像仪的基本技术参数【3 4 1 ( 1 ) 光学系统的通光孔径哦和焦距厂 f f 数；l d 0 它们是决定热像仪性能和体积的关键因素。 ( 2 ) 瞬时视场口、卢 1 7 瞬时视场是由单元探测器尺寸a 、b 及光学系统焦距厂决定的，大小通常表示热像 仪空间分辨率的高低。 口 口2 一 卢= 7 b 口、卢通常以m r a d 为单位。 ( 3 ) 总视场a b ( 盯) ，即热像仪的观察范围 总视场由所需观察的景物空间的大小和光学系统的焦距决定。 ( 4 ) 帧时t 和帧速f 扫描器扫出一幅图像所需的时间为帧时l ；完成一帧图像的