热红外成像测温标准

 

1红外热成像的发展历史

1800年，德国物理学家威廉.赫胥尔发现在红色光谱外面，仍然有使温度计升高的一种射线能量，便称之为红外线(Infred)。后来经过实验，发现-273℃（绝对零度）以上的物体都可以发射红外线，至此红外光谱领域正式走入了我们的世界！

 

红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以「看到」物体表面的温度分布状况。红外线波长范围：0.75um-1000um;

因为一般材质物体都具有在各个温度连续发射红外线的能力，故红外线和可见光一样可以成像，并遵循光学定律。而不同于可见光部分，红外线和发射物体的温度与材质还有着直接的联系，故红外图像还直接反映出发射物体的温度场。

2红外仪器参数介绍

选择因为市场上红外热成像设备厂家与种类较多，为了体现代表性，Thermal Capture (TC) 系列及FLIR Vue系列作为参考设备介绍主要参数：

（1）红外热成像非致冷氧化钒探测器机芯（注：在非制冷红外热成像探测器中，氧化钒探测器成像优秀，红外图像层次细腻、稳定）

（2）显示格式：640 x 512 (TC 2.0 640)；336x256(TC 2.0 336) （注：336 x256 与640 x512都是分辨率的数值，也就是红外探测器上像素点的个数：横向像素数 x纵向像素数）

（3）像素尺寸：17µm（注：两个相邻像素点之间的距离，距离越小画面越细腻）

 

 

显微镜下氧化钒颗粒间的中心距（红线）

（4）频带：7.5 - 13.5 µm（注：长波段红外，7-14um是大气窗口，大气在这个波段几乎不会吸收被测物体发射的红外能量，所以一般长波探测器都将波谱设置在这个频率，以便更好地接收被测物体发射的红外能量。

 

大气透过各个频段的波谱图

（5） 出口的帧率：7.5 Hz (NTSC); 8.3 Hz (PAL)（注：帧速，每秒钟的红外图像的成像数量，帧速越高，画面连续性越好）

（6）灵敏度：（NETD） <50 mK at f/1.0（注：热成像仪的温度分辨率，即：可用图像明暗度区分出的最小温度差异，50mk=0.05℃）

（7）场景范围：-40°C to +160°C(High Gain) /-40°C to 550°C(Low Gain)（注：High Gain用于低温对象而Low Gain用于高温对象）

（8）Time to Image <3.5 sec（注：机芯由接通电源到出现第一幅红外图像所需要的时间）

（9）图像优化：(BPR, NUC, & AGC video) ，具有FLIR独有的 DDE技术（数字细节增强）（注：DDE英文：Digital Detail Enhance，是一种用于红外图像增强算法，基于每个像素点的非线性增强，以便更好地突出数字图像的细节。）

 

   普通红外图像               使用DDE的图像

 

物理属性：

（1）WFOV 镜头 (sealed, DLC coating) 19mm (32°)（注：19mm为红外镜头焦距，焦距更大所看距离越远，但是视野降低。另外长波红外镜头为特殊材料镜头，不能用可见光镜头代替，因为可见光镜头不能透过长波红外。）

接口和控制：

（1）CMOS，（14位或8位）（注：通过机芯上的数字接口，探测器直接输出8位或14位的数字图像）

（2）BT.656 (8-bit)（注：通过机芯上的数字接口，输出压缩过的格式为BT.656的8位数字图像）

（3）Legacy Photon LVDS (14-bit or 8-bit)（注：机芯上的另一条LVDS数字接口，输出8位或14位的数字图像）

极性控制：

（1）2倍和4倍数码变焦（注：画面2倍或者4倍的数字放大）

（2）温度测量/点测量（注：对于测温版本的机芯，可以点或者区域测量温度）

（3）温度等温线（注：一种温度报警方式，画面中超出设定温度的区域用一种报警颜色显示出来，温度等温线只显示在模拟视频里）

（4）调色板（LUT）：（注：因为热像仪输出的图像是热图，轮廓反应被测物体的真实轮廓，但是图中颜色反映的确是被成像物体中各个区域的温度差异，在输出图像为8位时，就用256个等级的颜色代表256个等级的温度，这256个等级的颜色可以是黑白等级也可以是彩色等级。不同的颜色搭配称为不同的调色板）

 

热成像的白色调色板（越亮的地方温度高）   彩虹调色板（红色区域表示高温，蓝色区域表示低温）

 

3数字图像与模拟图像简介

数字图像：是二维图像用有限数字数值像素的表示。无损数字格式一般为RAW，由数字接口硬件传输比如：网口、CamraLink、1394、HDMI等。

模拟图像：是由连续的模拟信号组成的视频图像。模拟图像格式一般分Pal制或N制，初级由同轴电缆BNC或者RCA等传输，或由VGA模拟显示器显示。通俗形容：模拟图像是当时人眼看到的图像，而数字图像是CCD或者CMOS探测到的图像矩阵，矩阵中的每个点（Pixel）都完整保存了统一基准的信号数值。

更通俗的比较：

模拟图像所观测的就是全部图像信息，只能整体的明暗调节。而数字图像每个像素点都包含成像时最原始的数据，像素之间的数值比例关系完整，随明暗度的调节，之前看起来同样黑或白的地方的明暗差异逐步拉大显现。

数字图像，每个像素点的数值由2的n次方表示，常见的有n=8、16、24、32等。n等于几就是几位的图像，n数值越大图像信息越多，但是占用的存储空间越大。数字图像具有后期分析与处理的价值，所以在飞行器平台上面，由于模拟图像占用资源小且连续，一般用于观测，而数字图像用于对目标的记录。

 

4 红外热成像与红外热成像测温

就制作红外热成像仪/红外热成像测温仪的核心部件OEM热成像探测器机芯的功能来说：

仅能看图像的红外热成像仪机芯：通过被观测目标所释放出的红外温度能量进行成像，不同的温区用不同的颜色表示。

 

 

红外热成像测温仪机芯：通过被观测目标所释放出的红外温度能量进行成像，并通过内部的高速处理器对目标所发射的红外能量进行测算，同时输出红外图像与图像中每个点的温度信息！

 

总结一下红外热成像探测器机芯与红外热成像测温机芯的区别：

（1）可测温的机芯不仅可以成像还可以测温，而普通机芯智能成像；

（2）虽然外型相同，但是是否可测温出厂时候就决定了，之后不能转换，购买前要弄清楚自己需要什么。

（3）测温机芯不能随意更换镜头，否则测温不准，而普通仅用于成像的机芯可以任意更换各种焦距的红外镜头；

（4）测温机芯价格更高；

（5）虽然红外热成像测温仪区别于仅用于观测的红外热成像仪，但是往往统称红外热成像仪，建议购买前问清楚，是否具有测温功能。

红外热成像测温需要很多参数进行计算，比较重要的是：E（被测目标辐射率）、Tatm(环境温度)、Tref(反射温度)以及当时的湿度：hum以及距离：Distance等等。相关参数设置越准确，测量的温度就越准确。平时使用的时候，可以将相关参数都设置为一个“大概值”或“指导值”，以利于便捷。当发现可疑目标时再进行精测。红外热成像加上测温的功能后，在冶金、石化、建筑、电力等行业的应用便如虎添翼了！不仅可以定性更可以定量，因而很多行业都制订了相关的红外检测标准。

 

红外热成像图                             红外热成像测温图像

5红外能量与温度的换算

本节详细地介绍红外热成像仪如何由成像信号，换算出温度值的过程：

首先，再次阐释一下热成像仪的工作原理：对被测物体发射出的红外信号的强弱场进行成像，而红外信号与被测物体的温度是有函数联系的！这样，只要计算出热成像探测器芯片上每个像素的红外能量强度（亮度值/灰度值），经过换算就可以算出所测物体的温度了。

 

 

注：因为更精确的灰度值能够测出更精确的温度，所以要测温必须使用14位数字图像。即：每个点共有2的14次方，16384的灰度等级。

下面给出由灰度值算出温度的公式：

 

目标体放射红外能量的过程（针对7~14um长波段）

 

上图中各个参数的意义

终极公式：  

 

最后解说一下，S是每个像素点的灰度值（14位），其他参数请见上表，而Tscene就是目标物体的温度了。

解出W(Tscene)=f(S)的方程；由已知温度和辐射量的多点实验，得到W(Tscene)到Tscene的曲线，你就完成了第一步；第二步你要同时算出全部像素的Tscene，才具备了全屏测温的条件；这些就成功了，不能说。要记得修正，如果不加算子修正的话，这条W(Tscene)到Tscene的曲线不会那么精确。

 

结论：

1、应用简单的用户可以直接从串口读取全屏任一点最高、最低、平均的温度值与位置坐标。

2、对于有数字图像处理能力的用户，可以更近一步打开"全屏温度信号"的T-Line功能，这样机芯输出的全屏像素灰度值，都将变成Kelvin为单位的温度信息。直接提取像素值，计算一下即可！  

 

附图：安洲科技机载热红外拼接大图（每个像素含实际温度值与GPS）