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科技助力抗疫红外测温技术抗疫中的一道“防火墙”

发布时间:2021-06-05 10:11 人气:

红外测温技术原理
1800年,英国物理学家赫胥尔发现红外辐射现象:自然界中一切温度高于绝对零度(-273℃)的物体,每时每刻都会辐射出红外线。红外辐射的物理本质是热辐射,是一种由热运动产生、以电磁波形式传递的能量,辐射强度由物体的温度和表面的辐射率决定。根据这一原理,可以对物体辐射的红外能量进行采集、量化,然后根据量化结果计算出物体温度。

 

红外探测器是一种能对红外辐射信号进行量化的设备,是整个红外测温技术的核心,主要用于采集红外辐射信号并量化,其核心部件是红外焦平面阵列(FPA)。 FPA采集到强弱不等的红外辐射信号后,将其转换为电信号,再经过电压放大、A/D转换等处理,可将FPA 上每个像素点的能量信息,量化为一个14位的数字,称为AD值。 在不考虑非均匀性的前提下,由于 FPA 采集的红外信号强弱不等,最终量化出的 AD 值也不同。 因此,可将不同的 AD 值对应到不同的温度,得到一个 AD 值/温度映射表---温度曲线。 测温时,根据某点的 AD 值,在温度曲线上找到该 AD 值对应的温度,即为该点的实际温度,见图 1。
假设测温对象的实际温度为T0,FPA采集、量化测温对象的红外辐射能量,得到AD值;通过在温度曲线,查找AD对应的温度T1,即为测温结果(图 2)。 理想情况下,T0=T1。 实际情况下,T0 与 T1 之间会存在偏差,通过改进模型、修正算法,可以使偏差接近于 0。在理想测温模型中, 被测对象 AD 值与温度直接映射,形成温度曲线。 在实际测温过程中,红外探测器开始工作后, 内部产生的热量会导致快门和镜筒温度逐渐升高。快门温度升高会造成补偿时本底温度增加,即 B 值增大;镜筒温度升高会增加对探测器的热辐射,即X值的增大(图 3)。这两个因素都会导致温度测量的不准确,为保证测温的准确性,需要进行温漂校正。

 

为保证测温准确性,引入一个参考对象——黑体,通常,黑体的温度是一个已知量。 另外,温度曲线不是被测对象 AD 值与温度直接的直接映射,而是由被测对象AD与红外探测器本底 AD 的差值,映射到温度。假设黑体 AD 与本底 AD 的差值为△AD1,被测对象AD与本底AD的差值为△AD2,已知黑体温度为定植 T2,则测温过程如图 4所示:
第一步:探测器测出△AD1、△AD2;
第二步:计算△AD = △AD2 - △AD1;
第三步:根据 T0,确定 AD1 在温度曲线上的坐标点 P1;
第四步:以 P1 为起始点,根据△AD 在温度曲线上移动,找到△AD2 对应坐标的温度 T2;
第五步:T2 即为被测对象的温度。

 

红外测温技术在实际应用中, 有一些因素会影响测温精度,其中需要特别注意的是以下两点:
(1)黑体温度波动。
黑体作为测温的参考对象, 通常设定为一个定值。 在系统实际运行过程中,黑体受日照、风吹、空调制冷等外部因素,温度会上下波动;在设计测温系统时,需要将其成设计一个闭环系统:黑体实际温度通过温度传感器测量出来后,实时传递给工作主机。
(2)红外热边缘效应。
红外探测器在工作过程中,会出现 FPA 四角及周边温度高于中心温度的现象。 假设被测对象在边缘部分测出的温度为 T1,在中心部分测出的温度为T2,由于边缘热效应,T1 会比 T2 高。 实际使用过程中,最严重的情况下,T1 会比 T2 高 2℃左右,严重影响测温精度。 在实际使用过程中,曾出现以下现象:旅客在由远到近的过程中,被测出的体温逐渐升高。原因为:旅客在远距离位置时,额头出现在画面的中心部分;旅客在近距离位置时,额头出现在画面的上边缘,受边缘热效应影响,测出的温度比在远距离时要高,由此导致误报警。
要想获取准确的测温结果, 必须消除红外热边缘效应。 研究表明:探测器正对均匀反射物体时,热边缘现象最明显。采集此时的热边缘数据作为模板,经去边缘热效应算法处理之后, 能够得到相对均匀的红外图像本底。 处理后的均匀红外图像本底,经分析温差低于 0.2℃,适用于人体测温,能有效消除误报。

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