紅外測溫原理的理論基礎(chǔ)是普朗克定律。

對于理想的輻射源———黑體而言,輻射能量（輻射強(qiáng)度）與溫度的關(guān)系符合普朗克定律,即:
M_λ=C1/λ5?1/eC2/λT-1

如右圖 表示：普朗克定律揭示了輻射強(qiáng)度與黑體溫度和響應(yīng)波長的相互依賴關(guān)系,其中Mλ是T溫度下、λ波長處、單位面積黑體的輻射功率,C1、C2為常數(shù),e為自然對數(shù)的底，等于2.718,T為熱力學(xué)溫度。

溫度與輻射強(qiáng)度的關(guān)系

輻射能量隨著溫度升高而增加,這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn),也是紅外熱像儀的設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

波長與輻射強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)維恩位移定律,即:T?λm=2897.8(μm?K),其中T為熱力學(xué)溫度,λm為峰值響應(yīng)波長。根據(jù)公式，我們可以發(fā)現(xiàn)輻射峰值波長隨著溫度升高而變短，即從長波向短波方向移動(dòng)。這個(gè)公式也說明了為什么測高溫必須要用中波紅外熱像儀,低溫則需要長波紅外熱像儀。

峰值與測溫準(zhǔn)確性的關(guān)系

通過上圖我們發(fā)現(xiàn)輻射強(qiáng)度隨溫度的變化率,短波和中波處比長波處大,即短波和中波紅外熱像儀相對信噪比高(靈敏度高),抗干擾性強(qiáng)。因此我們需要根據(jù)被測目標(biāo)的峰值波長來選擇紅外熱像儀的波段。

如何提高測溫精度

理論上，C1、C2為常數(shù)，他們和e都是恒定值。λ也很容易被測到準(zhǔn)確數(shù)值，黑體的輻射率為1.只要知道輻射能量值M_λ，我們就能夠得到準(zhǔn)確的熱力學(xué)溫度。

但是，測溫的準(zhǔn)確性受到以下4點(diǎn)挑戰(zhàn)：

1.由于大自然中不存在黑體，我們所有的被測目標(biāo)都被看做是灰體，灰體的輻射率是小于1的

2.大氣對紅外輻射會(huì)有衰減作用，同時(shí)大氣本身的溫度也會(huì)帶來紅外輻射

3.紅外鏡頭的衰減作用，同時(shí)鏡頭本身的溫度也會(huì)帶來紅外輻射

4.紅外探測器本身也具有紅外輻射

這四點(diǎn)問題以及如何弱化他們的影響，我們會(huì)在后面的4個(gè)章節(jié)為大家正對性講解，并向大家介紹Telops的紅外科學(xué)家為提高準(zhǔn)確測溫所做的努力。

通過這些基本的紅外測溫原理的介紹，我們相信您能夠?qū)t外熱像儀如何工作有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

下一節(jié)我們?yōu)榇蠹抑v解被測物發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響

大氣衰減

氣體對紅外輻射的吸收、懸浮微粒散射紅外輻射以及背景輻射對探測器的干擾等。

氣體對紅外輻射的吸收

氣體分子對紅外輻射的吸收是造成紅外輻射衰減的主要原因之一。對紅外輻射又吸收作用的有臭氧、CO、NO2、水蒸氣、CO2等。在近地面進(jìn)行紅外測量時(shí)，水蒸氣和二氧化碳的含量對大氣對紅外輻射的影響占主要作用。水蒸氣的吸收波段較多，作用也較強(qiáng)，其主要作用波段在0.94μm、1.14μm、1.38μm、1.88μm、2.7μm、3.2μm、3.7μm、6.3μm等波長。二氧化碳在2.7μm、4.3μm、15μm處的紅外吸收性能也較強(qiáng)。雖然水蒸氣和二氧化碳的占大氣總量的比例很少，但是由于水蒸氣跟CO2很容易產(chǎn)生，所以他們基本上決定了大氣的紅外透過特性。

本圖片顯示了環(huán)境 大氣和鏡頭對被測物體的紅外輻射的影響過程

氣體對紅外輻射的散射

大氣中的氨、硫化氫、一氧化碳、二氧化硫等氣體及灰塵、煙、霧、雨、雪等固態(tài)液態(tài)的懸浮顆粒對紅外輻射不僅有強(qiáng)烈的衰減和吸收作用，由于這些氣體的密度起伏以及微小顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而造成紅外輻射傳輸方向產(chǎn)生偏離，能量減弱，引起散射。

例如霧，它的粒子半徑大多在0.8 ～ 5μm 之間，它對紅外輻射的散射作用是相當(dāng)嚴(yán)重的。試驗(yàn)表明如果每平方厘米有100 個(gè)霧粒子，其半徑是4μm，當(dāng)波長為4μm 的紅外輻射在含有該霧的大氣中經(jīng)過100m 后就會(huì)散射掉85%。測量距離越遠(yuǎn)，紅外輻射受大氣影響因素就越大。

一般來講散射的影響小于分子吸收，而且其影響隨著波長的增長而減小。不過在吸收很小的波段，散射成為了紅外輻射損失的主要原因。

大氣溫度

大氣溫度對于紅外遙感測溫具有一定影響，不過當(dāng)被測物體的溫度很高的時(shí)候，大氣溫度可以忽略不計(jì)。

因此紅外測溫工作更適合在晴天進(jìn)行，并且應(yīng)盡量減少測溫距離。

應(yīng)對方法

針對大氣對紅外熱像儀測溫的的不利影響，Telops的策略是，在軟件中增加了大氣衰減和大氣溫度的數(shù)據(jù)選項(xiàng)，通過對這兩個(gè)數(shù)據(jù)的設(shè)定，從而弱化大氣對測溫準(zhǔn)確性的干擾。

下一節(jié)我們?yōu)榇蠹抑v解紅外鏡頭及其對測溫影響

首先談內(nèi)因：

探測器本身靈敏度

探測器本身對于紅外輻射的靈敏度像差很大，一般來講INSB>MCT>PBS。

是否對探測器制冷

自然界的一切物體都不停的向外發(fā)出紅外輻射，溫度越低的物體，紅外輻射越少，開爾文0度的物體沒有紅外輻射。探測器自身的紅外輻射對被測物的紅外輻射的疊加是一種噪聲，會(huì)造成測溫準(zhǔn)確性大大下降。所以，制冷型紅外熱像儀比非制冷型測溫要準(zhǔn)確。Telops專著于制冷型紅外熱像儀的研發(fā)。

下面我們談?wù)勍庖颍?/p>

被測物體表面的發(fā)射率

黑體能夠吸收所有的紅外輻射，所以只有黑體的發(fā)射率為1。不過自然界中不存在黑體，我們稱這樣的物體為灰體，灰體的發(fā)射率在0到1之間。通過對灰體的發(fā)射率的設(shè)定，我們能夠得到更準(zhǔn)確的溫度數(shù)值。

被測物體對外界背景輻射的反射率

自然界中的物體大多不具備規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，自然界的物體對于外來輻射存在一定的反射，散射.Telops軟件自帶算法，會(huì)對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。通過對反射率的設(shè)定，被測物體溫度的誤差可以被忽略不計(jì)。

大氣衰減<測量距離、大氣濕度、顆粒物等>

Telops考慮了大氣衰減對被測物體的影響，通過對測量距離的設(shè)定，大氣濕度的標(biāo)定，以及的污染顆粒物的說明。軟件會(huì)自動(dòng)修正這些不利因素的影響。

大氣溫度

大氣溫度對于紅外遙感測溫具有一定影響，不過當(dāng)被測物體的溫度很高的時(shí)候，大氣溫度可以忽略不計(jì)。

探測器鏡頭衰減

探測器鏡頭對于紅外或多或少的具有一定的吸收作用。Telops以高透光率的透明材料為鏡頭材料，盡可能的減少了被測物紅外輻射的損失

探測器鏡頭溫度

跟大氣溫度的影響類似，當(dāng)被測物體的溫度很高的時(shí)候，鏡頭溫度可以忽略不計(jì)。

測溫原理

成像原理

紅外熱像儀成像原理是利用光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量，并按照原有的空間順序分布反映到紅外焦平面探測器的光敏元上，紅外探測器會(huì)將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過顯示器顯示出紅外熱像圖。

紅外熱成像步驟

1.被探測目標(biāo)發(fā)出紅外輻射加背景反射到目標(biāo)的紅外輻射==》2.步驟1的輻射能量經(jīng)過大氣衰減加大氣溫度的綜合輻射==》3.前2個(gè)步驟輻射能量經(jīng)過鏡頭衰減加鏡頭溫度的綜合輻射==》4.前面的輻射能量到達(dá)紅外探測器進(jìn)行光電反應(yīng)==》5.經(jīng)過電子電路放大并輸送到顯示器顯示出圖像

原理適用范圍

本原理適用于所有紅外測溫跟成像儀器，其他類似產(chǎn)品的原理，比如紅外線熱成像夜視儀成像原理,紅外夜視望遠(yuǎn)鏡原理,紅外熱成像攝像機(jī)成像原理,紅外線攝像頭原理也都跟跟紅外熱像儀使用相同的原理。

紅外熱像儀原理使人類超越了視覺的只能看到可見光的限制，通過熱像儀我們可以看到物體表面的溫度分布狀況。它的利用為人們進(jìn)行測溫增加了新的方法，這種方法被稱為遙感測溫。通過對紅外熱像儀工作原理的不斷探索，Telops的工程師們不斷推出新的高速度，高靈敏度的紅外熱像儀。

測溫實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用近距離探測，因而可以忽略大氣衰減，把被測物表面看做滿足灰體模型，抵達(dá)紅外探測器的輻射總能量應(yīng)為被測物紅外輻射的能量與目標(biāo)反射的環(huán)境輻射能量之和，以此我們立式1 ：
Ｌｍ ＝εＬｔ＋（１－ε）Ｌｂ

式中 Ｌｍ為到達(dá)鏡頭前的總輻射亮度，Ｌｔ為目標(biāo)的 輻射亮度，Ｌｂ為環(huán)境的輻射亮度，ε為目標(biāo)表面發(fā) 射率。 因?yàn)榛殷w的反射和發(fā)射均是漫反射，所以輻射亮度 Ｌ與輻射出射度 Ｍ存在如下關(guān)系，式2 ： Ｌ＝Ｍ π，

由普朗克輻射定律，立式：

Ｍｔ ＝∫ ^１４ _８ ｄλ(ｃ１λ^－５)／(ｅ^{ｃ２／λＴｔ} －１) ， （３）

Ｍｂ ＝∫ ^１４ _８ ｄλ(ｃ１λ^－５) ／(ｅ^{ｃ２／λＴｔ} －１ )， （４） 式中 Ｍｔ為目標(biāo)的輻射出射度，Ｍｂ為環(huán)境的輻射出 射度，Ｔｔ為目標(biāo)0K，Ｔｂ為環(huán)境0K，λ為波長，ｃ１為第一輻射常數(shù)（３７４１８×１０－１６ Ｗ· ｍ２ ），ｃ２為第二輻射常數(shù)（１４３８８×１０－２ｍ·Ｋ）。

將式（２）、（３）、（４）代入式（１）得：

Ｌｍ ＝ ε /π∫ ^１４ _８ ｄλ(ｃ_１λ^－５?)/(ｅ^{ｃ２／λＴｔ} －１ )＋ １－ε π ∫ ^１４ _８ ｄλ(ｃ１λ^－５?)/(ｅ^{ｃ２／λＴｂ} －１ )． （５） 紅外熱像儀根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)表面 發(fā)射率和采集的環(huán)境溫度，結(jié)合測得的輻射亮度， 由式（５）得出目標(biāo)的溫度。

被測物發(fā)射率對測溫精度的影響計(jì)算

由普朗克輻射定律，可以認(rèn)為 Ｌｔ是 Ｔｔ為自變 量的函數(shù)，記作：

Ｌ_{ｔ ＝ｆ（Ｔｔ）＝ (１/π)∫ ^１４ ８}ｄλ(ｃ１λ^－５?)/(ｅ^{ｃ２／λＴｂ} －１ )．（６） 則有： Ｔ_ｔ ＝ｆ^－１ （Ｌｔ）． （７） 為便于分析和數(shù)值計(jì)算，將影響紅外熱像儀 測溫精度的因素用差分形式表示：

_{ΔＴｔ ＝ｆ－１ （Ｌｔ＋ΔＬｔ）－ｆ－１ （Ｌｔ）， （８）}

_{由式（１）可得： ΔＬｔ ＝[(Ｌｂ －Ｌｍ )/ε２ ]·Δε－ ΔＬｂ(１－ε)/ ε， （９）}

_{其中： ΔＬｂ ＝ｆ（Ｔｂ ＋ΔＴｂ）－ｆ（Ｔｂ）， （１０）}

_{根據(jù)式（８）、（９）、（１０），可以計(jì)算紅外熱像儀測溫 誤差。}

從上述分析可以看到，紅外熱像儀的測溫誤差ΔＴｔ取決于 Δε、ε、ΔＴｂ、Ｔｂ和 Ｌｍ。為了表現(xiàn)出目標(biāo) 表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響,本實(shí)驗(yàn)假定環(huán)境溫度293.15K,目標(biāo)溫度308.15K,對被測目標(biāo)表面發(fā)射率為0.95、0.7、0.5、0.3時(shí)分別進(jìn)行理論計(jì)算，其結(jié)果如右圖所示。

分析右圖可知，被測物發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度具有一定的影響。一般來說目標(biāo)表面發(fā)射率越小，測溫誤差越大；目標(biāo)表面發(fā)射率越大，測溫誤差越小。所以高精度的紅外熱像儀必須能夠手動(dòng)或者自動(dòng)設(shè)定被測目標(biāo)的發(fā)射率。

根據(jù)以上分析，紅外熱像儀應(yīng)當(dāng)避免測量目標(biāo)表面發(fā)射率很小的目標(biāo)溫度。

應(yīng)對方法

Telops對被測物發(fā)射率所做的努力是，在紅外熱像儀配套軟件中手動(dòng)調(diào)整被測目標(biāo)（灰體）的發(fā)射率，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)灰體設(shè)置的發(fā)射率對測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正。

下一節(jié)我們?yōu)榇蠹抑v解大氣對紅外熱像儀測溫的影響

參考文獻(xiàn)：目標(biāo)表面發(fā)射率對紅外熱像儀測溫精度的影響

紅外熱像儀的光學(xué)成像物鏡將工作波段內(nèi)的輻射收集起來，并聚焦到探測器上。在可見光波段，玻璃是很好的投射材料，但是在中波、長波紅外波段，這種材料是不透明的，因此常選用鍺、硅等晶體材料，而且為了提高透射率，還需要鍍上一層增透膜，這些材料和膜層如同濾光片一樣，將鏡頭透過的波長限制在一定的范圍內(nèi)。

紅外光學(xué)成像物鏡的作用:過濾、截至可見光同時(shí)，允許通過紅外線。通過它在可見光、紅外線并存的環(huán)境中把紅外線分離出來。加紅外透鏡過濾可見光從而得到純正的紅外效果。

紅外鏡頭和普通鏡頭的區(qū)別

1．可見光和近紅外光的波長不一樣
可見光域:???　　　360nm – 700nm

紅外光域:??　　700nm – 12000nm

2．由于波長不一樣所以聚焦面不在一起

分類

根據(jù)紅外熱像儀工作波段劃分可分為：長波紅外鏡頭、中波紅外鏡頭、短波紅外鏡頭。

長波紅外鏡頭：其工作波段為(8 – 12μm)，主要檢測低溫物體。

中波，短波紅外鏡頭：其工作波段為(0.15 – 7μm)，主要檢測超過500℃以上高溫物體，如火災(zāi)研究。

紅外線鏡頭的主要材料

藍(lán)寶石

Al2O3的透射波段在0.14~6μm

?CVD硒化鋅

ZnSe折射率均勻和一致性很好，是一種化學(xué)惰性材料，具有純度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它的光傳輸損耗小，具有很好的透光性能。該紅外材料的因此是紅外熱成像中保護(hù)窗口和紅外光學(xué)鏡頭的理想材料。

光學(xué)性質(zhì)：
透過波長范圍 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??0.5μm—22μm
折射率不均勻性（Δn/n） ? ? ? ?<3×10-6@632.8nm
吸收系數(shù)（1/cm） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.0×10-3@1300nm

CVD硫化鋅

ZnS是一種折射率均勻性和一致性都很好好的材料，具有純度高，不溶于水，密度適中等特點(diǎn)，在8~13μm長波紅外波段具有很好的傳輸性能，在中紅外波段ZnS的透過率也不錯(cuò)，但隨著波長向短波發(fā)展，吸收和散射增強(qiáng)，其短波截止限0.35μm，因而會(huì)影響紅外成像。與硒化鋅相比，硫化鋅的價(jià)格低，硬度高，斷裂強(qiáng)度是硒化鋅的兩倍，抗惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)，是長波紅外鏡頭的理想材質(zhì)。

氧化鎂(MgO)

0.39-10μm

氟化鈣(CaF2)和氟化鎂(MgF2)

氟化鎂的投射波段在0.11~9μm，氟化鈣的透射波段在0.13~12μm。這兩種氟化物具有硬度高，抗機(jī)械沖擊和熱沖擊能力強(qiáng)，在紫外，可見和紅外波段均具有良好的透過率，廣泛用于紅外光學(xué)。氟化鎂(MgF2)是一種雙折射晶體，這點(diǎn)氟化鈣(CaF2)并不具備。

氟化鋇

BaF2在150—9500nm光譜范圍有接近90%的光學(xué)透過率。通常應(yīng)用于制冷型紅外熱像儀.氟化鋇可溶于水,因此只能在干燥環(huán)境下使用。

砷化鎵

GaAs的硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng),它紅外中長波（2μm—14μm）有很好的透過率,廣泛應(yīng)用于熱紅外成像儀.,砷化鎵抗擦痕能力強(qiáng)，對周圍環(huán)境要求不高，因此能夠完美的替代硒化鋅(ZnSe)作為紅外線相機(jī)鏡頭的材料.

鍺

Ge具有硬度高,機(jī)械性能和導(dǎo)熱性好,不溶于水等特點(diǎn).它的光譜透射范圍為1.8–12μm,涵蓋了整個(gè)中波和長波紅外波段，是一種非常常用的紅外光學(xué)鏡頭材料.

硅

Si的硬度高,不溶于水.它在1.1-9μm的短波和中波紅外波段具有很好的透光性能,是一種化學(xué)惰性材料.硅常用來制作3-5μm中波紅外線透視鏡頭.

石英

SiO2的紅外透射波段在0.14~4.5μm

k9(bk7)玻璃

成分:SiO2:69.13%、B2O3:10.75%、Na2O:10.40%、K2O:6.29%、As2O3:0.36%

透射波段在0.3-2.5μm

探測器鏡頭衰減

探測器鏡頭對于紅外或多或少的具有一定的吸收作用。Telops以高透光率的透明材料為鏡頭材料，盡量減少了被測物紅外輻射的損失

探測器鏡頭溫度

跟大氣溫度的影響類似，當(dāng)被測物體的溫度很高的時(shí)候，鏡頭溫度可以忽略不計(jì)。

紅外鏡頭的選擇是對紅外熱像儀成像質(zhì)量和測溫精度有著重要的影響，如果您想要測溫準(zhǔn)確，那您就必須選擇對紅外輻射吸收小的高透光率材料作為紅外熱成像儀鏡頭。

應(yīng)對方法

針對紅外鏡頭對紅外熱像儀測溫的的不利影響，Telops的策略是，在軟件中增加了紅外鏡頭衰減和紅外溫度的數(shù)據(jù)選項(xiàng)，通過對這兩個(gè)數(shù)據(jù)的設(shè)定，從而消除鏡頭對測溫準(zhǔn)確性的干擾。

下一節(jié)為大家講解紅外熱像儀探測器

1.紅外探測器分類

1.1光子紅外探測器

光電導(dǎo)紅外探測器的原理

光電導(dǎo)探測器的缺點(diǎn)

光伏紅外探測器工作原理

利用具有光伏效應(yīng)的材料制成的紅外探測器稱為光伏紅外探測用的光伏紅外探測器有：砷化銦（InAs）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和銻化銦（InSb）探測器等。

特點(diǎn)

光電子發(fā)射紅外探測器原理

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

2熱敏紅外探測器

熱釋電紅外探測器技術(shù)原理

研究發(fā)現(xiàn)，部分晶體（如硫酸三甘肽、鈮酸鍶鋇等）沿某一特定的方向切割成薄片，并在兩表面制作electrode形成平板電容后，當(dāng)晶體溫度發(fā)生變化時(shí)，電容兩端將產(chǎn)生電壓。這種當(dāng)材料表面溫度發(fā)生變化后，因材料自發(fā)polarization而在材料表面釋放出電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。如果將該電容器上接上負(fù)載電阻，則會(huì)產(chǎn)生熱釋電電流根據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的紅外探測器就是熱釋電紅外探測器。

特點(diǎn)

熱釋電材料可分為三類

優(yōu)缺點(diǎn)

溫差熱電堆紅外探測器原理

原理

優(yōu)點(diǎn)

制冷型紅外探測器的測溫精度優(yōu)勢