非制冷红外热成像测温系统关键技术和算法研究

摘要

尽管红外测温技术具有测温范围宽、不改变被测物体温度场分布、能远距离非接触测温等优点,但这项高精尖技术的复杂性延缓了它的发展进程和应用范围,目前还有相当多的疑难问题未完全解决,精确测量目标表面的真实温度则显得更加困难。本论文在非制冷红外热成像测温实现和测温精度的提高方面做了大量的研究,特别在红外测温精度的提高方面下足了功夫。
　　本论文结合热辐射理论和红外热像仪的内部结构,建立了红外测温物理模型,得到了红外辐射测温方程,然后对测温方程进行了相关讨论。通过分析相关因素对非制冷红外热像仪测温的影响,得到了表面发射率、环境温度、大气透射率和大气温度引起相对误差的计算公式。在此基础上,着重点分析了物体表面发射率对测温精度的影响,提出了四种测量物体表面发射率的方法,满足在各种应用场合下进行物体表面发射率的测量需要。
　　通过前述分析,设计实现了红外热像仪测温软硬件系统,搭建了红外测温实验平台。探讨了非制冷红外焦平面阵列的非均匀性的产生机理,得到了适合测温实现的非均匀性校正算法。设计实现了辐射定标的方法,得到了红外热像仪的输出电压和参考黑体源温度的拟合公式,结合测温方程可计算被测物体的表面温度。
　　根据相关测试结果,分析了引起非制冷红外热像仪温度漂移的原因,具体测试分析了环境温度、电源波动、吸收红外辐射的变化对非制冷红外焦平面阵列输出电压的影响。提出了进一步减少红外热像仪温度漂移的两种方法,一是进行硬件电路的改进:采用热稳定性好、功耗低和精度高的元器件,采用高精度、低压差、低温漂集成稳压元件构成稳压电源,增加高精度TEC温控电路;二是进行软件补偿,重点分析了环境温度变化对焦平面阵列输出电压的影响,并进行补偿算法研究,得到一种减少温度漂移补偿算法。当环境温度变化为35℃、被测目标实际温度是60℃时,补偿前的测量温度为75.538℃,偏离被测目标真实温度15.538℃,测温误差值达到25.897％,通过此方法修正后测量温度为60.332℃,测温误差值为0.553％,提高了测温精度。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 非制冷红外热像测温技术的研究现状及其应用

1.3 本论文主要研究内容和安排

第二章 非制冷红外热成像测温理论研究

2.1 非制冷红外热成像测温理论

2.2 红外热成像测温精度与外界环境影响的关系

2.3 发射率的测量方法

2.4 本章小结

第三章 红外热成像测温系统设计

3.1 非制冷红外热成像测温硬件系统设计

3.2 非制冷红外热成像测温软件系统设计

3.3 本章小结

第四章 非制冷红外热像仪测温预处理研究

4.1 非均匀性分析

4.2 非均匀性校正算法研究

4.3 辐射定标基本原理

4.4 辐射定标实验数据测量

4.5 辐射定标实验数据处理及分析

4.6 辐射定标误差分析

4.7 本章小结

第五章 温度漂移对测温精度的影响分析和解决方案

5.1 探测器的响应特性和温度间的关系

5.2 非制冷IRFPA的温度漂移现象

5.3 温度漂移的解决办法

5.4 环境温度影响以及补偿算法分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果