2022年，立秋已過(guò)，中秋將至，今年的寒意似已傳遍大街小巷，乃至各行業(yè)；光學(xué)行業(yè)也未能例外。翹首以盼原定于9月7-9日深圳國際會(huì )展中心每年一度的光學(xué)行業(yè)盛會(huì )（CIOE），也因疫情警報而延期，更增幾分市場(chǎng)寒意。
記得 2021 CIOE 上，筆者感受最深的是光學(xué)材料、光學(xué)設備、紅外、及正值風(fēng)口的車(chē)載、激光雷達等興起...感嘆光學(xué)行業(yè)技術(shù)發(fā)展更新迅速；得益于此，也因疫情下的特殊加成，近兩年紅外測溫設備得到更廣泛應用；筆者也借此寫(xiě)幾篇紅外測溫相關(guān)博文與大家學(xué)習、探討。
目前間接紅外測溫使用較多的是測溫槍、熱成像儀。本篇重點(diǎn)介紹熱像儀工作原理。
熱成像特點(diǎn)：
溫度場(chǎng)差異成像，真實(shí)拍照是RGB灰度成像。
紅外測溫屬于間接測量，被測物體通常與測試設備有一定空間距離，因此有必要介紹下大氣中的光譜吸收窗口：
光譜大氣吸收窗口：
1、1.4~1.9μm，近紅外窗口，透過(guò)率為60%~95%，其中1.55~1.75μm透過(guò)率較高。該波段在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段。比如，TM的5、7b波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。
2、2.0~2.5μm，近紅外窗口，透過(guò)率約80%。
3、3.5~5.0μm，中紅外窗口，透過(guò)率為60%~70%。該波段物體的熱輻射較強。這一區間除了地面物體反射太陽(yáng)輻射外，地面物體自身也有長(cháng)波輻射。比如，NOVV衛星的AVHRR遙感器用3.55~3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。
4、8.0~14.0μm，熱紅外窗口，透過(guò)率約80%。主要來(lái)自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度。
5、1.0~1.8mm，微波窗口，透過(guò)率約35%~40%。
6、2.0~5.0mm，微波窗口，透過(guò)率約50%~70%。
7、8.0~1000.0mm，微波窗口，透過(guò)率約100%。由于微波具有穿云透霧的特性，因此具有全天候、全天時(shí)的工作特點(diǎn)。而且由前面的被動(dòng)遙感波段過(guò)渡到微波的主動(dòng)遙感波段。
圖1
圖2（大氣吸收譜線(xiàn)圖）
黑體輻射與測溫原理：
自然界中，絕對零度（-273.15℃），此時(shí)物體不會(huì )向外界輻射電磁波，當物體高于此溫度時(shí)，會(huì )不斷向外輻射電磁波。理論上，只要能測量出不同溫度條件下的色溫曲線(xiàn)，就可確定被測物體的實(shí)際溫度。
絕對溫度與攝氏度換算：
T=t+273.15
下圖是20°C到1500°C的黑體輻射色溫曲線(xiàn)。
圖3
物體在不同溫度下輻射的紅外能量的峰值波長(cháng)是不同的，溫度越高，輻射峰值波長(cháng)越短，因此，當物體加熱到1200°C以上，我們會(huì )逐步看到物體發(fā)出可見(jiàn)光，如再升高溫度，如加熱到1500°C或更高，我們便看到物體顏色逐步由紅色變成黃色。
因此，我們小時(shí)候常用火爐加熱鐵棒，當加熱時(shí)間越長(cháng)時(shí)，會(huì )看到亮的發(fā)黃的鐵棒
黑體輻射測溫原理中，還有幾點(diǎn)需了解：
第一點(diǎn)：普朗克光譜輻出度隨波長(cháng)λ的分布規律
以上公式，可得出：Mb為黑體的輻出度，不同的T（黑體溫度），在λ1到λ2之間光譜輻射強度曲線(xiàn)是唯一的。因此測量出強度曲線(xiàn)后，即可求出T，在根據T-273.15得到攝氏溫度值。
第二點(diǎn)：維恩位移定律
從普朗克曲線(xiàn)中可看到黑體在不同溫度下輻射存在一個(gè)峰值波長(cháng)，維恩位移定理指出，黑體輻射的峰值波長(cháng)與溫度的乘積為一常數：
為什么選擇紅外波段測溫：
圖4
圖5
結合以上兩張圖片數據，在更大場(chǎng)景下，物體并沒(méi)有輻射出可見(jiàn)光，因此，我們日常使用的可見(jiàn)光CCD/COMS作為傳感器的拍攝設備均不能用于溫度測量。結合光譜大氣吸收窗口，目前在紅外成像領(lǐng)域研究較多的是采用中波紅外（3μ m～5μ m）和長(cháng)波紅外（8μ m～14μ m）兩個(gè)波段進(jìn)行探測 。
紅外測溫三種方法：
自然界中物體都不是絕對黑體，所有輻射測溫方法都是將物體看做等效黑體近似求解。所以，儀器所測量的溫度不是物體的真實(shí)溫度，屬于表面溫度。測試溫度方法有三：
1、全波段測溫法
2、亮度測溫度法
3、雙波段比色法
全波段測溫法：
根據全波段輻射測溫是基于斯特芬·玻爾茲曼定律。簡(jiǎn)單的講就是對圖4中的色溫曲線(xiàn)進(jìn)行積分，得到被測點(diǎn)的成像灰度值。由于紅外熱像儀得到的是輻射對應的灰度值，圖像的灰度值與溫度的高低并非嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，僅能定性的顯示物體的溫度分布。因為物體紅外輻射還受物體表面發(fā)射率、環(huán)境和自身輻射的影響。所以，基于紅外成像儀的輻射測溫需要涉及輻射定標。定標技術(shù)是使用溫度特定已知的標準輻射源（一般為高發(fā)射率、高精度的近似黑體），用紅外成像系統對不同溫度的目標黑體進(jìn)行熱圖像采集，根據熱圖像灰度值與已知溫度的標準輻射源擬合出溫度與灰度值的關(guān)系曲線(xiàn)。在實(shí)際測溫中，根據擬合的關(guān)系曲線(xiàn)，由熱圖像灰度值計算絕對溫度值，獲得溫度二維分布圖像。
全溫測試法看似比較全面，但是精度并不高，如果類(lèi)似光譜照度計這類(lèi)方案加以改進(jìn)，整體精度可能會(huì )達到更高的水平。
亮度測試法（單波長(cháng)測試法）：
根據維恩波長(cháng)偏移定理：
物體輻射曲線(xiàn)的峰值波長(cháng)λm 跟T是一一對應的參量，因此只需要測試出峰值波長(cháng)即可測量出輻射源的表面溫度。
雙波段比色法：
雙波段比色法最早應用于雙波比色測溫儀，實(shí)現對特定點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量。具體描述如下公式，兩個(gè)窄帶波段的輻射輸出度之比是與溫度相關(guān)的線(xiàn)性函數。因為兩者之間具有一一對應的關(guān)系，可通過(guò)兩個(gè)窄帶波段的輻射之比反演出溫度：
圖6
雙波段比色法屬于相對測量方法，因此受到的外界干擾較小，測量結果穩定。測試出不同的溫度下的標準黑體R（T）值曲線(xiàn)作為標準曲線(xiàn)。在測量被測物體的值R物（T），與標準值對比，得出被測物體的間接測量溫度。
主要用于醫療成像、夜視、過(guò)程控制、監察及安全方面。
紅外熱成像系統：
圖7
上圖為實(shí)驗測試系統，紅外鏡頭成像，經(jīng)過(guò)不同的濾光片后成像在紅外熱像儀探測器上，經(jīng)過(guò)計算處理得出R（T）值，進(jìn)而計算出待測物體的表面溫度。
紅外探測器：
圖8
UL03191紅外探測器性能、參數如下：
焦平面陣列
材料：非晶電阻硅熱時(shí)間常數<7毫秒
陣列格式：384 × 288像素間距25微米
溫度范圍：-40℃至+ 85℃
光譜響應：8 - 14微米
典型的信號響應：7毫伏/K
低功耗<150毫瓦
友好的用戶(hù)界面
單一的模擬視頻輸出
整合TEC的溫度的穩定性
重量≤25克
外形尺寸（毫米）：32 × 23.5 × 7.4引腳輸出排除。
主要用于醫療成像、夜視、過(guò)程控制、監察及安全方面。
CMOS 像源：
COMS的像源也具備不同波長(cháng)的探測功能，例如
圖9
圖10
圖9、圖10 為RGB 可見(jiàn)光CMOS的像源示意圖，同樣，在紅外波段工作的CMOS，也存在不同波長(cháng)的像源，通過(guò)計算不同像源的灰度值（強度）后，得出被測物體表面點(diǎn)R(T)值，從而得到被測物體的表面溫度。
圖11
圓圈區域為物方點(diǎn)成像區域，通過(guò)讀取M1，M2后，即可通過(guò)計算求出R(T),從而得到物方表面點(diǎn)的測量溫度值。
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