探測器溫度對非制冷紅外熱像儀人體測溫的影響與修正

姚 婷，梁成文，李凱揚

?

探測器溫度對非制冷紅外熱像儀人體測溫的影響與修正

姚 婷，梁成文，李凱揚

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072）

非制冷紅外焦平面熱像儀用于人體測溫時，需要紅外熱像儀具有較高的測溫精度。而針對非制冷紅外熱像儀，隨著環境溫度以及吸收紅外輻射的增加，將會產生較為嚴重的溫度漂移現象，這會影響到紅外探測器的響應特性，從而導致測溫精度受到一定的影響。為了消除這一影響，提出了一種新的校準方法，該方法可以實現探測器溫度在10℃～50℃之間變化時對非制冷紅外熱像儀的高精度校準。同時，對該校準方法的效果進行實驗驗證。結果表明：經過校準后的紅外熱像儀，探測器溫度漂移對測溫精度的影響明顯降低。

非制冷紅外熱像儀；溫度校準；溫度漂移

0 引言

非制冷紅外熱成像系統相對制冷型熱成像系統，有無需制冷、體積小、操作簡單、高性能和低價位等諸多優點[1]，在航空航天、軍事、工業和醫學等眾多領域都有非常廣泛的應用價值。人體的發射率可達0.99以上，是一個良好的紅外輻射體。各器官的病變通常伴隨著局部的溫度升高或降低，這些溫度信息可通過熱傳導到體表被紅外熱像儀探測到。紅外熱像儀檢測到的紅外溫度圖像可以直觀地顯示出人體各部分的溫度細節[2]。醫用熱成像技術應用于臨床診斷不僅能診斷出體表或接近體表的一些疾病，而且對深層器官的病變也能起到很好的診斷作用。為了能夠準確的診斷出身體的病變信息，要求醫用熱像儀能夠準確反映出人體表面的溫度分布狀況。這就對紅外熱像儀的測溫準確性提出了較高要求。因此，必須對紅外熱像儀進行嚴格的溫度校準。

紅外熱像儀溫度校準技術[3]是根據參考黑體源的溫度與紅外熱像儀數字輸出之間的關系，建立起熱像儀輸出與溫度曲線，參考黑體源的溫度定標間隔越小，即標定的點越多，則溫度測量越準。針對非制冷紅外熱像儀，隨著環境溫度以及吸收紅外輻射的增加，將會產生較為嚴重的溫度漂移現象，這會影響到紅外探測器的響應特性，從而導致測溫精度受到一定的影響。為了提高非制冷紅外熱像儀的測溫精度，需要分析溫度漂移對測溫的影響以及尋找漂移噪聲修正方法[4]。

范春利、孫戀軍、孫學金等[5-7]對探測器溫度對非制冷紅外熱像儀測溫的影響做了大量的研究，認為對于非制冷紅外熱像儀來說，探測器的溫度漂移對測溫的影響很大。楊幀、楊立、張艷超等[8-9]在研究了探測器溫度對非制冷紅外熱像儀測溫的影響的基礎上，給出了各自的修正方法，對修正前后測溫的相對誤差作了比較，發現修正后測溫的相對誤差較修正前明顯減小，為非制冷紅外熱像儀的設計和制造提供了一定的參考。本文針對非制冷紅外焦平面成像系統，在考慮探測器溫度對紅外熱像儀測溫影響的情況下，給出了完整的溫度校準的過程，并將校準算法用軟件實現，實現了探測器在不同工作溫度下的高精度輻射測溫。

1 輻射定標模型

1.1 探測器工作原理

非制冷微測輻射熱計在吸收了紅外輻射，引起自身溫度變化時，其電阻也會產生變化，用來度量電阻隨溫度變化的參數是電阻溫度系數（TCR）[10]。電阻溫度系數通常用表示，定義為：

電阻的變化為：

D＝D(2)

式中：D為非制冷微測輻射熱計電阻變化；D為非制冷微測輻射熱計自身溫度變化。當偏置電流為b時，輸出信號s為：

s＝bD(3)

描述探測器溫度變化的熱傳導方程為[11]：

式中：為探測器熱容；為探測器與環境之間的熱導；為探測器有效面積；為輻射吸收因子；為填充因子；0為入射發射率；為輻射調制頻率。熱傳導方程的解為：

式中：＝/為熱響應時間。探測器輸出信號s為：

對于非制冷微測輻射熱計而言，入射輻射通常不需要調制，即＝0，此時：

它是探測器結構參數、熱參數、入射輻射及偏置電流的函數。探測器輸出信號s經數字化處理后得到探測器輸出計數值：

式中：crf為參考電壓變化范圍；為紅外熱圖的量化等級，本文中＝14；0為常數項。

1.2 定標模型

＝()＋0(9)

實際應用中，由于探測器在工作中自身溫度會發生變化，會對探測器輸出信號產生很大影響。導致探測器輸出計數值不僅與目標輻射有關，還與探測器工作溫度有關。探測器的溫度漂移對探測器輸出的影響也是一種能量。因此，認為探測器溫度漂移疊加在探測器對目標輻射的響應之上，得到非制冷紅外焦平面熱像儀的輻射定標模型為：

＝()＋()＋0(10)

式中：()為探測器溫度漂移量函數。

2 溫度校準實驗

2.1 溫度校準實驗裝置

溫度校準實驗裝置包括可控溫腔式黑體源、自制控溫系統、基于以太網的紅外熱像儀和裝有測溫軟件的PC機等4個部分。如圖1所示。

圖1中：①可控溫腔式黑體源：溫度控制范圍為1℃～350℃，溫度控制精度為0.1℃。②自制控溫系統：采用基于半導體制冷器的PID自動控溫系統，其內部設有熱像儀探頭的固定及安裝裝置，箱體設有保溫層。其控溫范圍為0～50℃，精度為0.1℃。工作時，根據設定溫度以及箱體內的實際溫度進行加熱或制冷。控溫箱的溫度控制采用單片機來實現。溫度檢測電路采用PT100的測溫電路。加熱制冷方式采用的是半導體制冷器實現。控溫箱主要用來改變探測器的工作溫度，但探測器的工作溫度通常高于其所處的環境溫度，并且隨著工作時間的變化探測器溫度也會不斷變化。③基于以太網的紅外熱像儀采用FLIR公司的Tau2機芯，該機芯用于將紅外輻射信號轉換為電信號，機芯內置以氧化釩（VO）微測輻射熱計的非制冷紅外焦平面陣列，光譜響應范圍為8～14mm，分辨率為320×240。機芯輸出8bit或14bit的低壓差分信號數字圖像。以太網模塊選用的是Pleora公司的iPORT NTx-Pro IP Engine。通過這個模塊，紅外機芯輸出的低壓差分信號便可以轉換為連續的、低延遲的IP數據包，方便PC機對其進行后續的信號處理、存儲與傳輸。同時利用該模塊也可對機芯進行遠程控制。④測溫軟件：本課題組自主開發的應用程序，用來測量探測器的工作溫度，以及利用紅外熱圖計算探測器的輸出計數值，同時可以做出探測器輸出計數值-黑體輻射溫度（-）關系曲線，給出實驗報告。

2.2 溫度校準實驗步驟

溫度校準實驗步驟如下：①將紅外探測器放置在自制控溫箱中，將非制冷紅外熱像儀的鏡頭對準標準黑體源的輻射窗口；②調節控溫箱溫度至某一溫度點，然后調節標準黑體源溫度至試驗溫度點，等到控溫箱溫度及標準黑體源溫度穩定后，在PC機上用專用的測溫軟件，測量探測器的溫度；③等到探測器溫度穩定后，測量此時的探測器輸出計數值；④調節標準黑體源溫度至下一試驗溫度點，測量探測器溫度和探測器輸出計數值。詳細的溫度校準實驗操作步驟流程圖如圖1。標準黑體源溫度間隔2℃，從24℃變化至50℃，共14個試驗溫度點，該過程為一個環境溫度實驗周期。一個環境溫度試驗周期結束后，調節控溫箱溫度至下一溫度點，控溫箱溫度分別設置在21℃，25℃，29℃，共3個環境溫度試驗周期。每個環境溫度試驗周期測量3次。詳細的溫度校準實驗操作步驟流程圖如圖2。

圖1 溫度校準實驗系統示意圖

圖2 基于黑體的溫度檢測與校準流程圖

3 實驗結果

3.1 溫度校準結果

當控溫箱溫度設置為同一溫度時，探測器溫度相差不大，且同一環境溫度試驗周期的3組數據具有很好的重復性，對3組數據中的相同黑體溫度對應的3個探測器輸出計數值取平均后作為該黑體溫度對應的探測器輸出計數值。分別對3個環境溫度試驗周期的數據按上述方法求平均，得到3組數據。探測器JT-01測得的數據點如圖3。

圖3 3組探測器溫度下的D-T數據

用Matlab分別對3組數據做一階擬合和二階擬合，其誤差平方和（SSE）和復相關系數（R-square）見表1。

表1 不同探測器溫度數據做一階擬合和二階擬合的統計參數

由表1可見，二階擬合效果優于一階擬合，故本文采用二階擬合。探測器JT-01在不同工作溫度下的二階擬合結果如表2所示。

圖4為探測器JT-01在不同溫度下的探測器輸出計數值-黑體輻射溫度（-）關系曲線。由圖4可以看出，探測器溫度會對紅外熱像儀測溫產生較大影響，在標準黑體源溫度相同的情況下，隨探測器工作溫度升高，探測器輸出計數值減小。這也說明，本文的工作是具有實際意義的。

表2 探測器JT-01在不同工作溫度下的二階擬合結果

圖4 JT-01不同探測器溫度下的探測器輸出計數值-黑體溫度（D-T）關系

本文的目標是探測器溫度在10℃～50℃之間變化時，非制冷紅外焦平面熱像儀實現高精度輻射測溫。考慮到醫院檢測室的環境溫度通常在20℃～30℃之間，于是，實驗中選擇的環境溫度實驗周期的溫度分別為21℃、25℃、29℃。通過實驗測量，得到了探測器溫度為25.99℃、28.40℃和30.60℃的-曲線，還需要探測器在其他溫度點的-曲線。本文的做法是：對于探測器工作溫度在25.99℃～30.60℃之間，以0.05℃為間隔，運用插值法，得到黑體溫度在24℃～50℃之間，以2℃為間隔的14個溫度點對應的探測器輸出計數值的數值；探測器工作溫度在10℃～25.99℃和30.60℃～50℃之間，以0.05℃為間隔，采用平移算法，得到黑體溫度在24℃～50℃之間，以2℃為間隔的14個溫度點對應的探測器輸出計數值的數值；對各探測器工作溫度點對應的14個數據點作二次曲線擬合，得到探測器工作溫度在10℃～50℃，以0.05℃為間隔的各溫度點的-關系；將不同探測器工作溫度點對應的-曲線的各次項系數存入txt文件；然后將該文件放入非制冷紅外熱像儀測溫系統的工作文件夾，在測溫時，根據當時的探測器溫度調用相應的-曲線。

3.2 實驗驗證溫度校準效果

為了驗證本文的溫度校準方法在消除溫度漂移對非制冷紅外焦平面熱像儀測溫的影響的效果，設計了驗證實驗：黑體溫度設置為24℃，分別用本文的校準方法和單探測器工作溫度點的校準方法進行測溫。溫度校準的實驗驗證程序流程圖如圖5。

圖5 溫度校準實驗驗證流程圖

圖6是用本文的溫度校準方法和單探測器溫度點校準方法的校準結果對比情況。橫軸是時間，探測器開始工作時為0時刻，縱軸為非制冷紅外熱像儀測溫結果。結合圖6和表3可以知道，用單探測器溫度點校準方法對非制冷紅外熱像儀校準，測溫結果整體偏離24℃，且隨探測器溫度變化而變化，其偏差值為10.673。而用本文的校準方法對非制冷紅外熱像儀校準，測溫結果在24℃附近波動，且基本不隨探測器溫度變化而變化，偏差值僅為0.039。偏差值是用熱像儀測溫結果的平均值減去標準黑體源的溫度24℃得到的，用來表明測量結果的穩定性。用本文的校準方法明顯提高了非制冷紅外熱像儀的測溫精度。

4 結論

對于非制冷型紅外熱像儀，探測器的溫度漂移對測量的結果的影響是不容忽略的。因此，在使用非制冷紅外熱像儀時，應先在考慮探測器工作溫度的影響下對其進行溫度校準。本文介紹的校準方法給出了探測器在不同工作溫度下的探測器輸出計數值-黑體輻射溫度（-）曲線，消除了探測器溫度漂移對非制冷紅外焦平面熱像儀人體測溫的影響，提高了測溫精度。

圖6 探測器JT-01溫度校準效果對比圖

表3 本文校準方法和單探測器工作溫度點的校準方法效果對比

[1] Chris Kauffman, John Madigan, William Pfister. Static image system MRTD modeling[J]., 1998, 3377: 83-88.

[2] 周棟, 史貴連, 李凱揚. 基于以太網的紅外熱像儀研究與設計[J]. 半導體光電, 2013(6): 1060-1062.

ZHOU Dong, SHI Guilian, LI Kaiyang. Reserach and design of thermal infrared cameras based on gigabit ethernet[J]., 2013(6): 1060-1062.

[3] Daryabeigi Kamran. Global surface temperature/heat transfer measure- ments using infrared imaging[C]//, 17th, 1992.

[4] 雷家容. 非制冷紅外熱像儀去溫漂標定[J]. 電子技術與軟件工程, 2015(09):127.

LEI Jiarong. Calibration of uncooled infrared thermal imager[J]., 2015(9): 127.

[5] 范春利, 楊立, 華順芳. 熱探測器溫度對非制冷紅外熱像儀測溫的影響[J]. 紅外技術, 2002, 24(5):22-24.

FANG Chunli, YANG Li, HUA Shunfang. Effect of the temperature of thermal detector on temperature measurement of uncooled infrared imager[J]., 2002, 24(5): 22-24.

[6] 孫戀君, 張俊舉, 王世允, 等. 非制冷微測輻射熱計探測器工作溫度特性研究[J]. 紅外與毫米波學報, 2007(3): 232-236.

SUN Lianjun, ZHANG Junju, WANG Sh-yun, et al. Research on operating temperature characteristic of uncooled microbolometer detector[J]., 2007(3): 232-236.

[7] 孫學金, 劉劍, 趙世軍, 等. 非致冷紅外焦平面陣列的輻射定標模型[J]. 解放軍理工大學學報: 自然科學版, 2008(4):399-403.

SUN Xuejin, LIU Jian, ZHAO Shijun, et al. Radiometric calibration model of uncooled infrared focal plane array[J]., 2008(4): 399-403.

[8] 楊楨, 楊立, 張曉懷. 探測器溫度對非致冷型微測輻射熱計熱像儀測溫的影響與修正[J]. 紅外, 2008(10):13-18.

YANG Zhen, YANG li, ZHANG Xiaohuai. Effect of detector temperature measurement of uncooled infrared micro-bolometer array camera and its correction[J]., 2008(10): 13-18.

[9] 張艷超, 趙建, 孫強, 等. 非致冷紅外焦平面成像系統輻射測溫技術研究[J]. 紅外, 2011(2):1-4.

ZHANG Yanchao, ZHAO Jian, SUN Qian, et al. Research on radiation thermometry using uncooled infrared focal plane imaging system[J]., 2011(2):1-4.

[10] 曹永峰, 蔣玉龍, 段鵬, 等. 用于微測輻射熱計的氧化礬熱敏材料的溫度特性[J]. 半導體技術, 2002(5): 58-62.

CAO Yongfeng, JIANG Yulong, DUAN Peng, et al. The temperature characteristics of the heat sensitive material used in microbolometer[J]., 2002(5): 58-62.

[11] 王志國. 紅外熱成像儀測溫定標模型研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2011.

WANG Zhiguo. Research in the Temperature Test and Calibration Model of Thermal Infrared Imager[D]. Wuhan: HuaZhong Univercity Science & Technology, 2011.

Effect of Detector Temperature on the Human Body Temperature Measurementof Uncooled Infrared Thermal Imager and Its Correction

YAO Ting，LIANG Chengwen，LI Kaiyang

(,,430072,)

The uncooled infrared thermal imaging system is demanded to be with high temperature measurement accuracy when it is used to measure the temperature of the human body. However, with the change of environmental temperature and increasing absorption of infrared radiation, the uncooled infrared focal plane thermal imager will produce seriously temperature drift. This will affect the response characteristics of infrared detector, which then affects the accuracy of temperature measurement. In order to eliminate the error caused by the change of the working temperature of the detector of the uncooled infrared focal plane thermal imager, a new calibration method is proposed. The method can realize the high precision calibration of the uncooled infrared thermal imaging system when the temperature of the detector varies from 10℃ to 50℃. At the same time, the effect of the calibration method is verified by experiments. The results show that the influence of temperature drift on the precision of temperature measurement is obviously decreased after calibration of the uncooled infrared thermal imaging system.

uncooled infrared thermal imager，temperature calibration，temperature drift

TN215

A

1001-8891(2016)11-0984-06

2016-02-29；

2016-03-28.

姚婷（1991-），女，寧夏石嘴山人，碩士研究生，研究方向：生物醫學組織光學與醫學影像。E-mail：wdyt@whu.edu.cn。

李凱揚（1963-），男，湖北襄陽人，教授，博士生導師，主要研究方向為生物組織光學與醫學影像。E-mail：lky@whu.edu.cn。

國家重大科學儀器設備開發專項資助項目（2012YQ160203）。