红外热成像系统的基本原理.pdf

琳莽称铃铃非琳莽铃莽夔红 外热像仪蜚莽外.l洲夸.冬l八莽舞非莽莽莽莽莽非莽莽红外热成像系统的基本原理华北电力试验研究 所程玉兰【内 容提要】本文详细 阐述了红外热成像的基 本原理,介绍了红 外热成像探浏波段的选择和红 外热成像仅的基 本构成。同时,从理论上 分析了影响红外 热成像 系统 浏温精度的各种因素。一、前刁旨口世间万物都会按其表面温度自然地辐射红外线。红外热成像系统正是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统,在不接触的情况 下接收物体表面的红外辐射信号,将该信号转变为电信号后,再经电子系统处理传至显 示屏上,得到与景物表面热分布相应 的“实时热图像”。从而,人类借助热成像系统把景物的不可见热图像转换为可见图像,使人类的视觉范围扩展到了红外谱段。由于热成像系统探测的是目标自身发射的“热辐射,所以物体的热图像提供了有关物 体自身状态的重要信息,它表明了物体表 层 的热状态。对于涉及热辐射的所有领域,它是一种理想的“无损检测工具”。象X射线一样,能以不同于普通视觉感受的方式提供信息一物体表面发射率和物体内部容热耗散的量度,从而可揭示物体 中尚未被察觉的或异常的状态。所以热成像是用于勘查电力运行设备、检测过热异常和温度变化的得力工具。它具有如下特点;1.可绘出空 间分辩率和温度分辩率都较 好 的设备温度场的两维图形,2.它可自一定距离处提供非接触、非干扰式的测量,3.它 可提供快速和实时的测量,从而允许我们进行温度瞬态研究和大范围设备的快速观察;4.它具有全被动式、全天候的特点。发展到 目前的热成像系统已是窄禁带半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程学的产物。若从人类1800年发现红外辐射算起,至少经历了前人近两个世记的探索与迫求,才有 今 天 高度发展的热成像技术。也只是到本世纪五十年代初、六十年代中,由于探测器的改进和快速灵敏光子探测器(锗掺汞和锑化锢)的间世,才导致试验性、原理性热成像系统的诞生。在以后的发展中遇到的主要间题是可靠性、价格及维 修保管,这在今天仍 具有现实意义。热成像设备是比较容易掌握的,但由于利用热成像仪测量温度的误差来源很多,其中有属 于使用方面的,如目标的辐射特性、目标尺寸及测量距离等,也有热成像仪本身的问题。故要达到完 善和正确地使用,还需要对辐射原理、红外光学、红外探测器特性、大气特性、测温原理等有较深入的了解。二、红外辐射、红外辐 射与物体温度的关系由于物质分子热运动的结果,所有 物体都发射电磁波,见图l。.辈外乞可兄光/:,/沙厂/以f/近外扛/卜/远外扛/无线电桩波/0即卯妙好激怀司电磁 波部分谱图任何物体只要它的温度高于绝对零度(一2 了3.15“C),就有一部分热能转变为辐射能。由于这种辐射是不同波长电磁 波的混合,故辐射 与物体温度有关,温度不同,辐射的波长组成不同,辐射能的大小也不同。辐射能量中有可见光及不可见的红外线两 部分,被物体吸收后转化为热能,故又称为热 辐射能。热辐射就是物体温度升高而发出的辐射,也叫温度辐射,这是因为热辐射的强度及光谱成分取决于辐射的温度。红外辐射是肉眼不能直接观察到的一种射线,是比可见光中最长波还要长的电磁波,其 长 波部分与无线电波中的微波相接。像其它形式的电磁辐射一样遵循相 同 的物理定律,以光速传播,可被吸收、散射、反射、折射、衍射和偏振,它可由普朗克辐射定律描述。物体的温度在千度以下的,其热辐射中最强的波均为红外辐射。当物体温度达到3 00。C时,这些 热辐射中最强的波波长为5件m,即在红外区;到s 0 00C左右才会出现褐色辉光;即使 当温度达so0OC时,此时辐射已有足够的可见光而形成自发光,呈现“赤热”状态,但它绝大部分的发射能量仍是属于红外波的,只有在300 0“C时,即近 于 白炽灯丝的温度,其辐射能才包含足够多的可见光(0。4一0.7 协m)。红外辐射 占0.7一10 0卯m的波长领域,一般可被划分为近、中、远红外三个区域。近红外0.7一2.5拼m中红外2.5一30 件m远 红外3 0一1 00 0件m2、几个定义(1)黑体能把投射到它上面的热辐射能全部吸收的物体;(2)白体能全部反射掉投射到它上面的热辐射能的物体;(3)透明体能透过全部热辐射能的物体,(4)灰体既能吸收,也能反射热辐射的物体。根据基尔霍夫定律,黑体既能完全吸收,因而也就极大辐射,所以黑体的辐射就表示了一个物体在任何波长和已知温度下它 能辐射的最大功率。黑体的总发射能量W。由斯娣芬一波尔兹曼定律表示为Wb=a。T4式中a=5。7x10一SW一m一“一K一全T一一黑体绝对温度8一1 4件m段。3。辐射率“红外热成像系统正是利用从物体放出 的热辐射能来测定其温度的,这就要求物体有百分之百的辐射能力,即 只有黑体才能被用于 准确测温。而自然界中真正的黑体是不存在的,在工程上遇到的固体、液体等实体都可认为是灰体。这些实体,即使具有同样的温度,但由于其材质、表面状态不同,它们的辐射能力也是不同的。为此,引入一个重要参数,即辐射率(又称“发射率”),辐射率表示了物体辐射能力的差别,可用于实体测温。丫 V入。c入.W入b式中W、。是与黑体具有同样表面温度的实 沐光谱辐射。对于黑体,其辐射率。一1。没有任何一个物体能比黑体在已知温度和波长下发射更多能量,所以O。、成1。当使用热成像仪进行温度测量时,必须知道辐射率。、。辐射率的正规测量方法有三 种,即量热法、反射率法及能量法。在工作中实用的是“能量比较法”一在同 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 之比就是材料的辐射率值,故也称“比辐射率”。l l l l l五五五曰曰图2大气传导率(距离 3 0。米,可见度3 5 公里)2、从红外探测器本身的特性,主要是快速响应及高灵敏度方面要 求,3一5卜m及8一14林m两个波段 范围都有不同特性的探测器可适用(见图3),其中D表示探溅器冷却在了 7OK的探测能力。王里泥耘曲残入伪.)计!卜。D图3红外探 测器特性曲线三、红外热成像系统探测波段的选择这 两个波段称为“短波”和“长波”窗口。从原理上讲,这两个窗口都敏感,但大多数设计者选择了短波段,原因是该波段范围中能在较宽的范围内提供最佳功能,达到良好测温的要求。而长波窗口则更多用于低温(一1 0一2 0“C)及远距离,多用于军事方面及气体的检查。1、由于热成像红外探测器工作要受到大气的阻尼,阻尼源之 一是空气中的二氧化碳及水分子的吸收。为使水蒸汽和二氧化碳分子的影响减至最小,可根据红外波长与大气传导率的关系(见图2)来选择探测波长,其可探测波段有四段:l林m左右的 近红外段,2一2.石卜m段,3.5一4.2协m段,四、热成像系统的基本构成红外热成像系统是一个利用红外传感器接收被测目标的红外线信号,经放大和处理后送至显示器.上,形成该目标温度分布二维可视图象的装置,其基本构成如图4所示_一 _一_!匕_ _一_ J电动机平衡好才可保证扫描均匀性,场同步电机的力矩波动小、机电时 间常数小以保证场同步的稳定性。此种扫描系统可以瑞典A G EMA公司的红外热像仪为例说 明,其光路如图5、结构见图6。图4红外热成 像系统框 图尸一一一一一一一一一一一一一一门热成像系统的主要部分是红外探测器和监视器,性能较好的应有图像处理器。为 了对图像实时显示,实时记录和进行复杂的图像分析处理,先进的热像仪都要求达到电视兼容图像显示。实现电视兼容的途径 可以采用折反式光学系统组合,适当增加扫描棱镜面数,采用较高的扫描速度等方法;若条件许可,应尽量避免高速 电机来进行水平方 向扫描,用适当增加镜鼓面数和信息处理相结合的办法来获得每帧所要求的扫描线数,以简化系统扫描结构,并可实现电视兼容。红外探测器实质上就是一个辐射能的转换器,它把红外辐射能转换为另一 种可测量的物理 量器件。红外探测器又称“扫描器”或“红 外 摄像机”、“摄像 头”等,其基本组成有:成像物镜、光机扫描机构、致冷红外探测器、控制电路及前置放大器。(1)成像物镜根据视场大小和像质要求,由不 同透镜组成。(2)光机扫描机构目前的扫描系统可分为两种:一种是由垂直、水平两扫 描棱镜及同步系统组成;另一 种是只采 用 一个旋转扫描 棱镜构成。由垂直 和水平两 组 棱镜构成的扫描机构在构造上也不尽相 同。为垂直部分采用正六面透射镜来会聚光束扫描的,其光路简单,线性度好,且控制电机电路简单,但比采用 反射摆动镜的成本高得多,重量也较大;其水平部分是用八面 反射棱镜对平行光束扫描;其同步系统包括同步电路及扫描 电机。行扫一件勃才又料扫.可礴可明才如 限锐才瞰锐雍雄光日拓在跪图5A G A公司热像仪光路图渝言拱制幼链气孤。招祛 瑞图6AGA热像仪扫描器结构图另 一 种只由一个旋转棱镜 组 成扫描系统的是以美国HUGH E S飞 机公 司的热像仪为例,它是由十面(或八面)双平面反射镜组成一个鼓轮,每相邻的两镜均相 差 一个小角度(为0.了5“),结构比上述类型简单,它是利用增加镜子面数和信息处 理相结合的方法来达到要求的。(3)致冷红外探测器该探测器是用 于接收目标的红外光信息并转化为 电信号的红外敏感器件。红外元件是一小片半导体材料,或是在薄弱的基片上的化学沉淀膜。为 了保证有效的热传导,元件粘接在致冷剂室(即绝热容器或杜瓦瓶内)的末端就能进行冷却。致冷器的工作温度由致冷剂决定,一般有下 列物质:致致冷剂剂水水干冰冰液氨氨液氮氮液氖氖液氧氧气气化温 度度K K K2 7 3。15 5 5194。6 6 687。3 3 377 7 727 7 790。3 3 3。C C C0 0 0 0 0一186 6 6一19 6 6 6一24 6 6 6一183 3 3其中液氢致冷温度较液氮 高1 0OC,但显的制冷效率比氮高一倍。探测器主要性能包括元数、每个元的探测度D、响应率、时间常数及这些参数的均匀性。AGEMA公司产品为单元In趴探测器,HU GHSE飞机公司的400Q系列为六元I。S。,30 0 0系列为十元I。S、,了3 0 0型为三十单元CdHgTc探测器。(4)前置放大器由探测器接收并转换成的电信号是比较微弱的,为便于后 面 进行电子学处理,必须在扫描 头里进行前置放大。(5)控制电路该控制电路有两个作用:一方面是 为消除由制造 和环境条件变化产生的非均匀性,另一方面是使目标能量的动 态大范围变化能 够适应 电路 处理中的有限动态范围。了(久)大气透过率R(入)热像仪总光谱响应热像仪测温正是利用探测器输出的视频信号进行处理后得 出。由上 式可见测温精度与很多因素有关,如目标特性(目标温度、目标光谱辐射率及尺寸),热像仪特性(瞬时视场角、工作波长范围、总光谱响应),测量距离(影 响大气透过率)。2.测 试 背景状况用热像系统测温时,除目标 自身辐射外,目标周围环境的物体辐射由被 测物体反射,还有插入大气的热辐射和散射辐射都要入射到探测器上,如图7。五、热象仪测温精度分析、探测 器输出视频信号 的幅度U。,_,:,入,。bT。“。,_、Uso c二冬一f(又T)。(入)J入1T.(久)R(入)d久其中:入t一入:一热像仪工 作波长范围。一热像仪瞬时视惕角b一玻尔兹曼常数T一被测目标温度f(入T)一为被测目标光谱辐射率日林林林大气气图7被测目标与背景辐射3.辐射率。的性质测温时选用c值的大小直接影响测温结果,因而对。的性质应有了解。(1)。值随材料而异:不同的材料,。值不同;同一材料,表面状态不同 时,。值也不同,如光洁度、氧化程度及有无油泥污秽物覆盖等均有影响。(2)。是波长的函数,且随温度变化:由于8值随红外辐射波长的变化而 变,所以用于热成像测量的。值实际上是所用设备在其波长间隔内。(劝的平均值。通过前述可知辐射红外的波长随物体温度不同而异,那么。值也将随被测目标温度变 化 而 略 有变化。一般来说,金属的。值随温度升高而 增加,当其表面形成氧化时,。可增加十几倍,甚至几十倍;非金属的。值较高,它随温 度升高而降低。总之,可以认为e是材料的函数,是温度的函数,是目标表面状态的函数。正确选用。值,就要求对具体目标具体分析,不可一概而论。此外,被测目标的形状、不同的测试方向也会产生不同的误差。呀图8测试距 离的影响5.大气 的影响4.目标 距离对测温的影响被测温度 的高低是基于探测器输出的视频信号Us的强 弱,成正比地影响Us值大 小刁的一个因素是瞬时视场c o。实际上,只有 当被测 目标的尺寸大小是5 一1 0个系统 瞬 时视场时,才可以认为Us的值已接近于该 温度的大面积目标应该产生的辐值,即视频信兽未被衰减。若被测目标面积不满 足这个要求,则Us值将随被测 面 积减小而降低。当被测面积为一个瞬时 视场时,其测量误差根据瞬时视场的定义 可知为5 0%。当同 一被测目标,其尺寸一定,在某一距离下 可满足5一1 0个瞬时视惕的要求。但随着测量距离的增大,被测目标的面积将要相对变得小于5一1 0个瞬时视场角的要求,从而将产生测量误差,如图8。测 量目标温度时的空 间媒介为大气,由于大气的衰减作用,口标发射的红外能量不可能完全传输到红外探测器上,在有些波长范围内,红外能量几乎全部被大气吸收。虽然红外热像仪的工作波段已尽量避开大气影响大的波段,但大气不是纯净的,温度等因素也在不断变化着,大气衰减红外的程度在较大程度上以大气中的悬浮微粒和水蒸汽多少而定。在大城市及工业区上空悬浮的灰尘、烟雾、雨、雪等可达每立方厘米几 十万个,它们对红外辐射有强烈衰减;在地表层内,水蒸汽的总含量可在。一2%间变化,在大气中含量小的水蒸汽、CO:和O:会强烈 吸收红外,基本 决定了纯净大气的红外透过特性;一般讲,温度高会减少较长波长上 的红外传输,能见度差(如有雾)会影响较短波 长上的红外传输,图9给出物距与大气透过率的关系,其目标温度g oOC,空气温度15”C,i.o z3xlo5Pa,相对湿度5 0%。万农牢宁OgO和.:政机?味5 0 ma t耐,讯场盆丘 、I I I入入入入入入入入入伙伙伙图9物距与大气 透过率的关系红外成像仪微机图像处理系统河 南电力试验 所范回中【内容提要】本文除介绍了所研制成的红外成像仪图像 处理系统的多种用途外,褥叙 述了该系统硬件四个部分的工作原理及其所配备的专用红 外图像处理软件包部分的功能。该系统在许多方面比进口的热像仅 专用图像处理设备的功 能更强,使用的灵活性 更大。由于硬件可从国内纳置,软件又系自行研制,故其生产费用低于进口设备的一半,不仅节约了外汇,而且还可开 发其功 能,在仗器设 备国产 化方面又前进了一大步。一、概述红外成像仪能摄取景物发射 的红外 辐射,并将其转换成可见光图像,它具有不接触、远距离,能实时地进行观察及测 量等优点,因 此被广泛地应用于 工业、医疗、地质勘探、环境保护、交通管理、公安、军事及科研等领域。红外成像仪在电力工业上有着广 阔的应用前景,它可以用于设备诊 断、热耗分析、节能等等。由于 红外成像仪所得到的是大量的热图像信息,因此如何快速、准确地对此热图像信息进行分析和判断,是红外成像应用方面所面临的一首要间题。随着计算机技术及数字图像处理技术的迅速发展,使得人们有可能利用计算机特别是利用微机来进行热图像的处理。近年来国外所生产的红外成像仪均配备有相应的计算机图像处理设备,国内有关部 门也正朝此方向努力。本文所述也正是基于这一目的,利用目前国 内所普遍采用的I BM一PC、PC/XT、PC/AT或其兼容机、配置相应 的硬件及外围设备,并研制专用的热图像处理软件,以组成红外成像仪微机图像处理系统。此系统可以与红外成像仪联机运用,直接对被测物体进行观察、测量和分析,并可六、结语在 电力系统中,红外热成像仪的应用已开展了数年,为 了进一步开发应用红外诊断技术,更好地运用理论指导实践,本文简述了红外热成像系统的基本原理,以期对电力工业应用红外诊断技术有所补益。参考文献(略)