擴(kuò)展知識(shí)-紅外成像中的輻射率、靈敏度、精度、探測(cè)距離

輻射率
是描述面輻射源特性的物理量。它表示某物體的單位面積輻射的熱量和黑體在相同溫度、相同條件下的輻射熱量之比。

即：輻射率通俗的說就是某物體會(huì)將自身溫度轉(zhuǎn)換為輻射擴(kuò)散出去的能力，1表示可以將自身溫度轉(zhuǎn)換為100%的輻射，0.9表示可以將自身溫度的90%轉(zhuǎn)換為熱輻射擴(kuò)散出去。實(shí)際上輻射率為1的物質(zhì)（黑體）是不存在的，所以任何材料的輻射率均是0~1之間的數(shù)值。

任何物體在高于零度（-273.15℃）的時(shí)候，其物體表面就會(huì)有紅外能量也就是紅外線發(fā)射出來(lái)，溫度越高，發(fā)射的紅外能量越強(qiáng)。紅外線測(cè)溫儀和紅外熱像儀就是根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)測(cè)量物體表面的溫度的，因?yàn)榧t外線測(cè)溫儀和紅外熱像儀是測(cè)量物體表面的溫度，所以在測(cè)量時(shí)會(huì)被物體表面的光潔度所影響。實(shí)驗(yàn)證明：物體表面越接近于鏡面（反射越強(qiáng)），其表面所發(fā)出的紅外能量衰減越厲害，就需要對(duì)不同物體的表面對(duì)紅外能量的衰減情況做出補(bǔ)償，即設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)，這個(gè)補(bǔ)償系數(shù)就是輻射率。

不同材料的輻射率差別還是很大的，比如人體是0.95~0.98，而光滑的不銹鋼是0.16，生銹的鐵是0.65左右，當(dāng)探測(cè)過程中想要得到較為準(zhǔn)確的溫度值時(shí)，就需要設(shè)置被探測(cè)物體的輻射系數(shù)。（若僅是為了成像則無(wú)需這么嚴(yán)格）

靈敏度與溫度探測(cè)精度
噪聲等效溫差（NETD）是指紅外探測(cè)器能探測(cè)到的小溫差，即：當(dāng)被測(cè)物體的溫度變化多少時(shí)紅外探測(cè)器可以探測(cè)出來(lái)。衡量紅外探測(cè)器性能的主要指標(biāo)之一。

熱探測(cè)器的噪聲等效溫差在100mK左右（0.1℃）。

第二代光探測(cè)器在20mK左右（0.02℃）。

第三代探測(cè)器目標(biāo)在1mK（0.001℃）。

紅外探測(cè)計(jì)算出的溫度值與被測(cè)物體的輻射率參數(shù)有直接關(guān)系，不同材料的輻射率值是不同的，更為嚴(yán)重的是即便是同種材料，表面光潔度、含水率、溫度高低等因素的影響也會(huì)直接改變輻射率，這就導(dǎo)致了紅外探測(cè)溫度無(wú)法準(zhǔn)確，問題不在于紅外探測(cè)器的對(duì)輻射量的感知準(zhǔn)確度而在于材料的輻射率是隨時(shí)在小范圍變化的。所以，衡量紅外探測(cè)器的性能指標(biāo)一般不能用溫度，而應(yīng)該用溫度靈敏度，即：噪聲等效溫差（NETD）。這也可以得出一個(gè)結(jié)論，紅外熱成像儀的主要作用是盡量區(qū)分出不同區(qū)域的溫度差異，用數(shù)字表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而展示為帶有顏色的圖像，只有溫度區(qū)分開以后，圖像才會(huì)細(xì)致分明。

紅外探測(cè)距離
紅外熱成像儀是用光學(xué)鏡頭來(lái)收集被測(cè)物體的熱輻射能量的，故此探測(cè)距離會(huì)受鏡頭視場(chǎng)角和熱成像像素分辨率有關(guān)。

假如某成像儀的成像分辨率為32*32像素，視場(chǎng)角為75度，則可以理解為從鏡頭發(fā)射出32*32=1024條激光來(lái)探測(cè)1024個(gè)點(diǎn)的溫度（32行*32列），每行32個(gè)點(diǎn)，每列32個(gè)點(diǎn)。則每相鄰兩條激光線的夾角為75/31=2.4193°發(fā)散出去。隨著距離的增長(zhǎng)，兩條激光線的間距會(huì)變大，當(dāng)被測(cè)物體足夠小時(shí)，有可能處于兩條激光線之間未被探測(cè)到，這就是探測(cè)距離的問題。

即：當(dāng)成像儀的像素?cái)?shù)量和視場(chǎng)角一定時(shí)，它的有效探測(cè)距離就與被測(cè)物體的大小有關(guān)。

當(dāng)被測(cè)物體尺寸已知時(shí)，對(duì)其進(jìn)行探測(cè)的理論遠(yuǎn)距離為：

上式中：

S：探測(cè)距離

D：被測(cè)物體尺寸

α：相鄰探測(cè)線之間的夾角

例1：被測(cè)物體尺寸為0.5米，線夾角為2.4193°，則理論上的遠(yuǎn)探測(cè)距離為：

例2：探測(cè)距離為10米，線夾角為2.4193°，則理論上可探測(cè)到小的物體尺寸為：

例3：希望探測(cè)到100米外的一輛小汽車（長(zhǎng)2米），需要的測(cè)線夾角為：

由于線夾角=視場(chǎng)角/(行或者列像素-1)，為了得到小的線夾角，要么減少視場(chǎng)角度，要么增大像素?cái)?shù)，或兩者兼有。比如：視場(chǎng)角不變，選擇160*160點(diǎn)陣的成像儀，則測(cè)線夾角為：