一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法。该系统包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器。首先对红外探测器进行辐射定标；采用黑体辐射为基准建立系统响应函数；测量在环境辐射强度为Vs1的条件下，红外探测器的输出响应值V1；改变环境辐射强度为Vs2的条件下，测量红外探测器的输出响应值V2；根据测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应值，算出目标的反射率并求得目标的发射率。本发明为红外辐射非接触精确测温提供了必要参量。
【专利说明】一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于现场目标发射率的测量【技术领域】，特别是一种基于环境辐射改变的现 场目标发射率测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目标表面真实温度的辐射测量在许多科学研究中是一项重要的任务，尤其是表面 真实温度的非接触精确测量更为困难和关键。红外成像测温技术具有非接触（不会破坏 被测物体的温度场）、直观、灵敏度高（可分辨〇. 01°c的温度差）、快速（几毫秒内测出目 标温度）、测温范围广（从-170°c到3200°C以上）、检测距离可近可远、可实现夜视、安全等 优点，不但在高压电线巡检、工业生产等民用领域得到广泛的应用；而且在侦察与制导、伪 装设计与检测等军用领域中也得到了广泛应用。红外探测器测温主要受被测物体表面发射 率的影响，但反射率、环境温度、大气温度、测量距离和大气衰减等因素的影响也不容忽视。 这些影响因素会导致热像仪的测温不准，影响其应用领域，尤其是对物体表面发射率估计 的不准确，更影响温度测量的精确性。发射率指物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度 的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值，是衡量物体辐射能力强弱的参数，其数值在0 与1之间变化，表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，根据黑体辐射定律，只要知 道材料的发射率，就知道任何物体的红外辐射特性。理想黑体的发射率为1，实际物体的发 射率小于1。因为发射率是辐射波长、温度、方向以及表面状态的函数，并在很大程度上取 决于物体的表面状态。因此在现场测量目标的红外辐射特性中，手册中的数据就不可靠了。 这就需要在现场对发射率进行实际测量。本文提出一种现场测量常温物体发射率的方法， 进行了理论分析和实验测量，给出了实验结果。
[0003] 目前，测量目标发射率主要采用直接测量法。直接测量法是将目标与黑体置于同 一条件同一温度下，目标输出值与黑体输出值之比即为目标发射率。直接测量法需要在无 大气、无环境影响和已知物体本身温度的情况下进行，只适合于实验室测量。这种测量方法 对于野外现场的目标发射率测量毫无意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种适应范围广泛的基于环境辐射改变的现场目标发射 率测量系统及方法，能够无接触、精确地测量目标的发射率。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测 量系统，包括沿光路方向依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体 和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的 辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达探测器。
[0006] -种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，步骤如下：
[0007] 步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标；
[0008] 步骤2,采用黑体辐射为基准建立系统响应函数；
[0009] 步骤3,根据步骤2建立的系统响应函数，测量在环境辐射强度为Vsl的条件下，红 外探测器的输出响应值';
[0010] 步骤4,根据步骤2建立的系统响应函数，改变环境辐射强度为Vs2的条件下，测量 红外探测器的输出响应值V2 ;
[0011] 步骤5,根据步骤3和步骤4测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出 响应值，算出目标的反射率，再根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)非接触测量：采用红外探测器作为 探测器来测量目标和环境的辐射特性，不需要接触被测目标，因此可以实现非接触测量； ⑵测量精确度高：采用非接触式测量方法，所以测量过程中不会改变目标和环境的温度 场，因此也就不会改变目标和环境的辐射特性，这样测量结果的精确度非常高，误差最高为 1.7%; (3)适用范围广：测量目标发射率的方法不仅适用于实验室条件下的测量，而且在野 外条件下测量时也能得到比较精确的结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统的结构示意图。
[0014] 图2是黑体辐射亮度与输出值之间的关系。
[0015] 图3是黑体辐射到瓷板的图像。
[0016] 图4是瓷板上黑体辐射部分的图像。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018] 结合图1，本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，包括沿光路方向 依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器，所述分光镜倾斜放置且分光镜与光路方向 之间的夹角为135° ;该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐射光经聚光镜汇聚于分光 镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用然后反射至分光镜并到达 探测器，聚光镜的作用是为了使到达目标的辐射强烈而均匀。
[0019] 本发明基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，步骤如下：
[0020] 步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标；红外探测器 是以黑体辐射源为基准，其理论基础是黑体辐射理论，通过与黑体辐射源的辐射量进行对 比测量，因此在利用红外探测器测试之前，先要进行定标。
[0021] 物体在波段λ 1?λ 2内的辐射亮度，由普朗克公式可推得：
[0022]
【权利要求】
1. 一种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，其特征在于，包括沿光路方向 依次共光轴设置的目标、分光镜和红外探测器；该系统还包括黑体和聚光镜，所述黑体的辐 射光经聚光镜汇聚于分光镜上，并由分光镜反射到达目标，黑体的辐射光通过与目标作用 然后反射至分光镜并到达探测器。
2. 根据权利要求1所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量系统，其特征在 于，所述分光镜倾斜放置且分光镜与光路方向之间的夹角为135°。
3. -种基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在于，步骤如下： 步骤1，在利用红外探测器测试之前，先对红外探测器进行辐射定标； 步骤2,采用黑体辐射为基准建立系统响应函数； 步骤3,根据步骤2建立的系统响应函数，测量在环境辐射强度为Vsl的条件下，红外探 测器的输出响应值'; 步骤4,根据步骤2建立的系统响应函数，改变环境辐射强度为Vs2的条件下，测量红外 探测器的输出响应值V2 ; 步骤5,根据步骤3和步骤4测得的两种不同的辐射强度条件下红外探测器的输出响应 值，算出目标的反射率，再根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率。
4. 根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在 于，步骤1所述的辐射标定，具体如下： 物体在波段λ i?λ 2内的辐射亮度L，由普朗克公式推得： ? = -\Αι€\λ -\yi/ 式中，ε为物体发射率，Q为第一辐射常量，Q = 2 π he2 = 3. 7415Χ 108W · μ m4/m2, C2 为第二辐射常量，C2 = hc/k= 1.43879Χ104μπι·Κ，λ为波长，T为开氏温度； 红外探测器的标定模型为： V = a L+Lf 式中，V为红外探测器的输出值，。为红外探测器本身杂散能量，α为红外探测器的亮 度响应度。
5. 根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在 于，步骤2所述采用黑体辐射为基准建立系统响应函数，具体如下： 在实际测量时，红外探测器接收到的有效辐射包括三个部分：目标自身辐射、目标反射 周围环境辐射和大气辐射，如下式所示： L = L〇+ P Ls+Lp 其中，L为到达探测器表面的辐射亮度，U为目标自身辐射亮度，P为目标反射率，Ls 为环境辐射，Lp为大气辐射； 设大气透过率为1，将L代入红外探测器的标定模型得： V = a (L〇+ p Ls+Lp) +Lf 对上式进行处理得： V = ( a L〇+Lf) + p ( a Ls+Lf) - p Lf+ a Lp 令上式中， V〇 = α L〇+Lf Vs= α Ls+Lf 因此得： V = V〇+ ρ γ- p Lf+ a Lp 其中，％为只有目标的辐射作用到探测器上时红外探测器输出值，入为只有环境辐射 作用到探测器上时红外探测器的输出值。
6.根据权利要求3所述的基于环境辐射改变的现场目标发射率测量方法，其特征在 于，步骤5所述根据目标反射率和发射率的关系求得目标的发射率，具体步骤如下： 将步骤4所得红外探测器的输出响应值V2和步骤3所得红外探测器的输出响应值Vi 相减，得： VVi = p (vs2-vsl) 整理得： K-Vi p = ^- 由基尔霍夫定律，当辐射能入射到物体表面时，对于不透明表面，只包括吸收、反射两 个过程，其发射率等于热吸收率，即： Ρ + ε = 1 因此： ε = l-p = l--=-- vs2-vsl 其中，在环境辐射强度为vsl的条件下，红外探测器的输出响应值为Vi ;改变环境辐射 强度为vs2的条件下，测量红外探测器的输出响应值为v2。
【文档编号】G01J5/08GK104266762SQ201410484662
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】屈惠明, 吉庆, 陈钱, 顾国华, 张立广, 王坤, 张一帆, 于雪莲, 李加基 申请人:南京理工大学