2022年，立秋已过，中秋将至，今年的寒意似已传遍大街小巷，乃至各行业；光学行业也未能例外。翘首以盼原定于9月7-9日深圳国际会展中心每年一度的光学行业盛会（CIOE），也因疫情警报而延期，更增几分市场寒意。
记得 2021 CIOE 上，笔者感受最深的是光学材料、光学设备、红外、及正值风口的车载、激光雷达等兴起...感叹光学行业技术发展更新迅速；得益于此，也因疫情下的特殊加成，近两年红外测温设备得到更广泛应用；笔者也借此写几篇红外测温相关博文与大家学习、探讨。
目前间接红外测温使用较多的是测温枪、热成像仪。本篇重点介绍热像仪工作原理。
热成像特点：
温度场差异成像，真实拍照是RGB灰度成像。
红外测温属于间接测量，被测物体通常与测试设备有一定空间距离，因此有必要介绍下大气中的光谱吸收窗口：
光谱大气吸收窗口：
1、1.4~1.9μm，近红外窗口，透过率为60%~95%，其中1.55~1.75μm透过率较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。比如，TM的5、7b波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。
2、2.0~2.5μm，近红外窗口，透过率约80%。
3、3.5~5.0μm，中红外窗口，透过率为60%~70%。该波段物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体自身也有长波辐射。比如，NOVV卫星的AVHRR遥感器用3.55~3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。
4、8.0~14.0μm，热红外窗口，透过率约80%。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。
5、1.0~1.8mm，微波窗口，透过率约35%~40%。
6、2.0~5.0mm，微波窗口，透过率约50%~70%。
7、8.0~1000.0mm，微波窗口，透过率约100%。由于微波具有穿云透雾的特性，因此具有全天候、全天时的工作特点。而且由前面的被动遥感波段过渡到微波的主动遥感波段。
图1
图2（大气吸收谱线图）
黑体辐射与测温原理：
自然界中，绝对零度（-273.15℃），此时物体不会向外界辐射电磁波，当物体高于此温度时，会不断向外辐射电磁波。理论上，只要能测量出不同温度条件下的色温曲线，就可确定被测物体的实际温度。
绝对温度与摄氏度换算：
T=t+273.15
下图是20°C到1500°C的黑体辐射色温曲线。
图3
物体在不同温度下辐射的红外能量的峰值波长是不同的，温度越高，辐射峰值波长越短，因此，当物体加热到1200°C以上，我们会逐步看到物体发出可见光，如再升高温度，如加热到1500°C或更高，我们便看到物体颜色逐步由红色变成黄色。
因此，我们小时候常用火炉加热铁棒，当加热时间越长时，会看到亮的发黄的铁棒
黑体辐射测温原理中，还有几点需了解：
第一点：普朗克光谱辐出度随波长λ的分布规律
以上公式，可得出：Mb为黑体的辐出度，不同的T（黑体温度），在λ1到λ2之间光谱辐射强度曲线是唯一的。因此测量出强度曲线后，即可求出T，在根据T-273.15得到摄氏温度值。
第二点：维恩位移定律
从普朗克曲线中可看到黑体在不同温度下辐射存在一个峰值波长，维恩位移定理指出，黑体辐射的峰值波长与温度的乘积为一常数：
为什么选择红外波段测温：
图4
图5
结合以上两张图片数据，在更大场景下，物体并没有辐射出可见光，因此，我们日常使用的可见光CCD/COMS作为传感器的拍摄设备均不能用于温度测量。结合光谱大气吸收窗口，目前在红外成像领域研究较多的是采用中波红外（3μ m～5μ m）和长波红外（8μ m～14μ m）两个波段进行探测 。
红外测温三种方法：
自然界中物体都不是绝对黑体，所有辐射测温方法都是将物体看做等效黑体近似求解。所以，仪器所测量的温度不是物体的真实温度，属于表面温度。测试温度方法有三：
1、全波段测温法
2、亮度测温度法
3、双波段比色法
全波段测温法：
根据全波段辐射测温是基于斯特芬·玻尔兹曼定律。简单的讲就是对图4中的色温曲线进行积分，得到被测点的成像灰度值。由于红外热像仪得到的是辐射对应的灰度值，图像的灰度值与温度的高低并非严格的线性关系，仅能定性的显示物体的温度分布。因为物体红外辐射还受物体表面发射率、环境和自身辐射的影响。所以，基于红外成像仪的辐射测温需要涉及辐射定标。定标技术是使用温度特定已知的标准辐射源（一般为高发射率、高精度的近似黑体），用红外成像系统对不同温度的目标黑体进行热图像采集，根据热图像灰度值与已知温度的标准辐射源拟合出温度与灰度值的关系曲线。在实际测温中，根据拟合的关系曲线，由热图像灰度值计算绝对温度值，获得温度二维分布图像。
全温测试法看似比较全面，但是精度并不高，如果类似光谱照度计这类方案加以改进，整体精度可能会达到更高的水平。
亮度测试法（单波长测试法）：
根据维恩波长偏移定理：
物体辐射曲线的峰值波长λm 跟T是一一对应的参量，因此只需要测试出峰值波长即可测量出辐射源的表面温度。
双波段比色法：
双波段比色法最早应用于双波比色测温仪，实现对特定点的温度进行测量。具体描述如下公式，两个窄带波段的辐射输出度之比是与温度相关的线性函数。因为两者之间具有一一对应的关系，可通过两个窄带波段的辐射之比反演出温度：
图6
双波段比色法属于相对测量方法，因此受到的外界干扰较小，测量结果稳定。测试出不同的温度下的标准黑体R（T）值曲线作为标准曲线。在测量被测物体的值R物（T），与标准值对比，得出被测物体的间接测量温度。
主要用于医疗成像、夜视、过程控制、监察及安全方面。
红外热成像系统：
图7
上图为实验测试系统，红外镜头成像，经过不同的滤光片后成像在红外热像仪探测器上，经过计算处理得出R（T）值，进而计算出待测物体的表面温度。
红外探测器：
图8
UL03191红外探测器性能、参数如下：
焦平面阵列
材料：非晶电阻硅热时间常数<7毫秒
阵列格式：384 × 288像素间距25微米
温度范围：-40℃至+ 85℃
光谱响应：8 - 14微米
典型的信号响应：7毫伏/K
低功耗<150毫瓦
友好的用户界面
单一的模拟视频输出
整合TEC的温度的稳定性
重量≤25克
外形尺寸（毫米）：32 × 23.5 × 7.4引脚输出排除。
主要用于医疗成像、夜视、过程控制、监察及安全方面。
CMOS 像源：
COMS的像源也具备不同波长的探测功能，例如
图9
图10
图9、图10 为RGB 可见光CMOS的像源示意图，同样，在红外波段工作的CMOS，也存在不同波长的像源，通过计算不同像源的灰度值（强度）后，得出被测物体表面点R(T)值，从而得到被测物体的表面温度。
图11
圆圈区域为物方点成像区域，通过读取M1，M2后，即可通过计算求出R(T),从而得到物方表面点的测量温度值。
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