红外热成像学习总结

1、20160322 红外热成像学习总结文件编号：当前版本：V1.0页数：18页发布日期：2016.3.22目录目录3第1章 概要51.1目的51.2范围5第2章 简介62.1红外线62.2辐射率82.3黑体92.4红外热成像92.4.1概念92.4.2分类10第3章 测试目标153.1外观153.2噪声等效温差（NETD）153.3准确度153.4连续稳定工作时间153.5环境影响评价163.6测温一致性163.7图像质量评价163.8最小可分辨温差173.9最小可探测温差17第4章 术语184.1工业检测型红外热像仪（industrial inspecting thermal imager）1

2、84.2视频信号的信噪比(S/N) （video signal to noise ratio）184.3噪声等效温差(NETD) （noise equivalent temperature difference）184.4空间分辨力（spatial resolution）184.5红外像元数（infrared array size）184.6测温范围 （measuring range）184.7特征测温范围（character measuring range）184.8连续稳定工作时间（consistent measurement duration）184.9环境温度影响（effect of

3、ambient temperature）184.10测温一致性（measurement uniformity）184.11采样帧速率（frame sampling rate）184.12视频输出格式（video output format）184.13视场 (field of view)184.14工作波段(working wavelength range)18第1章 概要1.1 目的随着公司的转型及发展方向的改变,目前主要产品为两大类:机器人、红外热成像。其中红外热成像是应用范围比较广的产品。而目前红外成像主要是依赖其他公司进行测试。为适应公司发展，我们需要了解红外热成像的原理及测试方法。1

4、.2 范围红外热成像中涉及的基本概念。以及个人对红外测试技术文档的简单总结。第2章 简介2.1 红外线1. 红外线是一种电磁波，高于无线电波，位于可见光红色光带之外。（普通玻璃能透过可见光，但几乎不能透过红外线，所以戴眼镜的童鞋出现在红外图片里眼镜那块是黑色的）图12. 自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度（-273）就存在分子和原子无规则运动，其表面就不断地辐射红外线。也就是说任何温度高于绝对零度的物体都会发出红外线。比如冰块也一样能够辐射红外线。图2物体温度越高，它辐射的红外线越强3. 红外辐射的三个规律基尔霍夫定律：同温度物体的红外发射能力正比于其红外吸收能力；红外平衡状态时，物

5、体吸收的红外能量恒等于它所发射的红外能量。推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体。斯蒂芬玻耳兹曼定律：物体辐射的红外能量密度W与其自身的热力学温度T的4次方成正比，并与它表面的比辐射率成正比。可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。维恩位移定律：物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长。发展前景：2.2 辐射率辐射率是描述面辐射源特性的物理量。它标示某物体的单位面积辐射的热量和黑体在相同温度、相同条件下的辐射热量之比。（也称发射率，比辐射率）=IIb试验证明：物体表面越接近于镜面（反射越强），其表面所发出的红外能量衰减越厉害

6、，所以我们就需要对不同物体的表面对红外能量的衰减情况作出补偿，也就是设置一个补偿系数，这个补偿系数就是辐射率。辐射率=实测值/标准值（标准值：用标准的接触式测温仪测出当前的标准值温度）2.3 黑体黑体是理想化了的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0.黑体在工业上主要应用于测温领域，最主要的产品是黑体炉。为了确保黑体的产品质量，通常黑体都是按温度分段设计通常我们所说的黑体为人工黑体。人工黑体的发射率接近于1，但不等于1。2.4 红外热成像2.4.1 概念红外热成像是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号

7、，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度，并通过监测器显示红外热像图。2.4.2 分类2.4.2.1 按成像原理分类红外热成像系统分为：1、光机扫描型。2、焦平面凝视型焦平面红外探测器的工作原理：依靠探测微型辐射热量的热探测器。探测器通过吸收入射的红外辐射致使自身温度上升，从而引起探测器电阻变化，在外加电压的情况下进而产生信号电压。结构简单、图像质量逐渐提高光机扫描型红外探测器的工作原理：把物体表面按一定规律分成很多个小的单元，扫描机构依次扫过各个小单元。红外探测器在此过程中的瞬间只接收物体表面一个小单元的辐射。在整个扫描过程中，探测器把空间二维分布

8、的红外辐射信息变为一维的时序电信号，此后再经放大，与同步信号合成，最终就组合成为整个物体的表面热图像。图像质量好、结构复杂、成本高2.4.2.2 按工作温度我们所知道的热成像仪,无非就是制冷型或是非制冷型红外热成像仪。简单来说，热成像仪就是一种将物理实物通过光电转换、电信号处理而转为视频图像的红外辐射设备。所谓的制冷型和非制冷型原理差不多，但本质还是有区别的。相较于常见的制冷型红外热成像仪来说，非制冷型在使用寿命、体积、价格和功耗更加具有优势，使用范围也更加广泛一、 使用寿命制冷型红外热成像仪的使用寿命与其自身的的制冷器有这密切的关系，制冷器的工作时间直接关系到红外热成像仪的使用寿命，相对来说

9、非制冷型红外热成像仪的使用寿命会更长，但是由于部件老化，测量精度也会降低二、 价格一般来说，制冷型红外热成像仪价格高昂，而非制冷型红外热成像仪价格则相对较低三、 体积由于制冷型红外热成像仪需要制冷机协同工作，使得制冷型红外热成像仪比非制冷型红外热像仪体积更大四、 功耗制冷型红外热成像仪工作时需要制冷机工作降温，因此会消耗更多的能量，相对非制冷型红外热成像仪来说功耗更大五、 灵敏度、精度、误差制冷型红外热成像仪工作时，制冷机先进行工作来降低自身的温度，这样在检测其他物体时灵敏度更高，精度更高，误差更小，检测温度范围更广。而非制冷型红外热成像仪这些方面都是不及的，特别是非制冷红外焦平面阵列的非均匀

10、性对测量误差的影响较大六、 可靠性制冷型红外热成像仪由于其精度高、误差小、灵敏度高，使得其检测结果更加可靠。七、 应用对于应用范围，军事领域中，相对于传统的成像系统，非制冷型红外成像仪的结构要相对简单很多，成本要低，并提高了成像仪的分辨率、探测灵敏度及可靠性。而在商业和民用方面，工业、公安、消防、医学上都有运用非制冷红外热成像，因为制冷型的价格昂贵而无法进入行业领域，它主要的应用是在军事和科研领域。制冷器为了消除背景噪音和提高探测器的灵敏度，探测器要求配置制冷装置，不同的探测器要求制冷温度也不同，如对锑化铟、碲镉汞探测器要求的制冷温度为77K，活得制冷的方法主要有：（1） 把探测器置于杜瓦瓶内

11、，然后向瓶内直接灌液氮（2） 使用高纯压缩空气或氮气，通过毛细管口突然膨胀降温而变成液体，再将此液体倒入杜瓦瓶中（3） 利用半导体制冷或脉管制冷、热声制冷等新型的微型制冷装置目前我们使用非制冷型。非制冷型焦平面红外第3章 测试目标3.1 外观1. 主机及其各种配件的壳体不应出现明显的划伤、凹陷、变形、脱漆。壳体应清洁无污迹。2. 主机壳体外贴装饰件不应缺少、错装、倒装，应与主体平贴粘紧。装饰件文字、数字、符号标志应正确、易辨、清晰，颜色应无异常色斑、色晕、色点。图案文字丝印精细。对于在线型热像仪还应进行外形及安装尺寸的检查。（工业）3.2 噪声等效温差（NETD）环境温度在23士50C,50m

12、 m焦距，相对孔径为1时，NETD宜小于0.1 5K .（工业）在观察低空间频率的标准四杆靶的情况下，当其视频信号的信噪比（S/N）为1时，观察人员可以分辨的最小目标即目标与背景之间的等效温差。（带电）NETD是红外成像系统不同于可见光成像系统的主要指标之一，由于热成像系统是通过物体辐射温度成像，系统本身与景象周围辐射环境将产生噪声，其对图像质量均有较大的影响。因此对系统噪声的评价是红外成像系统性能评价的重要工作之一。据了解，这个可以通过一个测试系统自动得出NETD的值。（详情咨询硬件部王建）3.3 准确度测温准确度应不超过士2或测量值乘以士2%（）(取绝对值大者)（工业）黑体源设置在0300

13、之间的若干个温度值，测温距离为2m3m的情况下进行。调节被测仪器至最佳状态，测取温度值，记录实际温度与测量温度，计算温度的偏差，应满足测温的准确度。当t2100时：当t2100时：其中：准确度t1已知标准黑体温度，t2热像仪测温读数，（带电）3.4 连续稳定工作时间红外仪器多次测量同一温度的黑体源，温度设定在050之间，在2h4h，每15min测量一次，不操作热像仪，只读取数据，计算温度的偏差，应满足测温准确度的要求。（带电）在满足3.3的前提下，热像仪连续稳定工作的时间。a) 在线型:不小于10h (也可根据用户要求而定)。b) 离线型:不小于2h（工业）3.5 环境影响评价当热像仪所处的环

14、境温度在其工作环境温度范围内变化时，测量值变化应不大于2或20时测量值的绝对值乘以2%()(两者取大值)。（工业）将仪器放入40的恒温箱中1h，待其稳定后，拿到室温（一般可取23±5）环境中进行温度测量，开启热像仪，15min后测量黑体温度一次，间隔15min测量第二次。将仪器放入0的恒温箱（或冰箱0）中1h，待其稳定后，重复上面的过程，计算各次测温偏差，满足测温准确度。（带电）3.6 测温一致性红外仪器距离面体源1m测量环境温度下的黑体温度，将黑体源分四个区域，每个区域取23点记录温度，计算偏差，应满足测温准确度。（带电）3.7 图像质量评价在进行NETD测量中，观察四杆靶2min

15、，评判项目有：清晰度，灰度级，靶的几何失真，图像干扰和色彩满意度五项。（带电）3.8 最小可分辨温差目标与背景的温差从逐渐增大，在确定空间频率下，观察者刚好能以50的概率分辨出四杆靶标图案时，目标与背景之间的温差称为该空间频率的最小可分辨温差。MRTD3.9 最小可探测温差最小可探测温差的定义为，当观察者的观察时间不受限制，在热成像仪显示屏上恰好能分辨出一定尺寸的方形或圆形目标及其所在位置时，对应的目标与背景的温差称为最小可探测温差。即MDTD第4章 术语4.1 工业检测型红外热像仪（industrial inspecting thermal imager）适于工业领域使用的，通过红外光学系统

16、、红外探测器及电子处理系统，将物体表面红外辐射转换成可见图像的设备。它具有测温功能，具备定量绘出物体表面温度分布的特点，将灰度图像进行伪彩色编码。简称“热像仪”。4.2 视频信号的信噪比(S/N) （video signal to noise ratio）热像仪正常工作时，信号电压的峰-峰值和噪声电压均方根值之比。4.3 噪声等效温差(NETD) （noise equivalent temperature difference）热像仪观察一个低空间频率的圆形或方形靶标时，当其视频信号的信噪比(S/N)为1时，目标与背景之间的等效温差。NETD是评价热像仪探测目标灵敏程度和噪声大小的一个客观参数

17、。GB/T 19870-2005当带有焦平面阵列的成像系统的视场中的大的黑体温度发生变化时，能引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号产生最小单位的变化，则此温度的变化量即为NETD4.4 空间分辨力（spatial resolution）热像仪分辨物体空间几何形状细节的能力。它与所使用的红外探测器像元面积大小、光学系统焦距和像质、信号处理电路带宽等有关。一般也可用探测器像元张角(DAS)或瞬时视场来表示。此参数通常可近似计算得出:空间分辨力=(2×水平视场角度（°）/(360°× 水平像元数)，单位为弧度(rad)。4.5 红外像元数（infrared a

18、rray size）在热像仪视场内可分割的像元数。采用凝视型焦平面红外探测器时，为探测器的像元数。4.6 测温范围 （measuring range）热像仪在满足准确度条件下，测量温度的范围。它可以采用光学方式或电子学方式扩展。4.7 特征测温范围（character measuring range）热像仪在使用同一光学镜头、不改变光栏、不增加滤光片的前提下，可同时测量的最大温度范围，且测温误差满足准确度要求。4.8 连续稳定工作时间（consistent measurement duration）热像仪在满足准确度前提下，能够连续稳定工作的时间。4.9 环境温度影响（effect of ambient temperature）由于环境温度变化引起的温度测量结果的变化量。4.