双色测温法与多色发射率光谱测温(n-Color TES)图像处理原理

辐射测温法将相机测得的红外辐射亮度与被测表面的温度建立关联。弱辐射温度结果未做发射率修正，该测量默认目标为黑体，即发射率ε=1。对于发射率ε<1的实际材料，测温读数会偏离物体的热力学温度(绝对温度)。相机默认观测目标的发射率等于1，然而物体实际发射率可能并不相同(例如ε=0.70)，因此必须对表面发射率进行修正，才能得到热力学温度。

在实际测量中，物体的表面发射率往往未知，并且会随温度、波长和时间动态变化。这给单波段热成像带来了巨大挑战，尤其在物体发生物理或化学变化时。发射率动态变化的典型场景包括燃烧与火灾、材料力学试验、焊接、金属增材制造以及极端传热过程。

双色测温法是一种为了克服发射率带来的局限而发展的一种先进实验方法。该方法假设:物体在两个相邻、不重叠的窄带通滤光片对应的波段内，光谱发射率近似相等，即ελ 1≈ελ 2。

根据普朗克定律，黑体光谱辐亮度是温度和波长的函数据此，带内辐亮度(IBR)可写为式(1)：

而两个邻近工作波段(入1、A2)对应目标温度与入1、A2的带内辐亮度(IBR)之比成正比：

由此得到，辐射亮度比值主要取决于温度，无需预先知道物体的发射率即可求解热力学温度。公式(1)和公式(2)中，h为普朗克常数，c为光速，λ i为波长，T为温度，kB为玻尔兹曼常数，T₀为绝对温度，ε(λ,T)为发射率。通过数值方法求解可得到热力学温度T₀。确定T₀后，可将计算所得温度代入辐射亮度方程，进一步估算发射率。

多色发射率光谱测温法(n-Color TES，温度-发射率分离法)将上述原理扩展至两个以上的光谱波段。该方法通过引入更多窄带通滤光片的测量信号，增加约束条件，从而同时求解温度与发射率。多光谱红外相机非常适合该方案，仅依靠单组成像探测器就能完成多光谱测量。

多光谱成像与数据处理

试验采用一台配备高速旋转8位滤光轮的Exosens MS M100k相机采集带内辐射亮度(IBR)数据。被测对象为碳氢液体燃料火焰加热的钢板，采集数据用于双色测温计算。Exosens MS系列为基于单探测器实现双色测温提供了实用方案。

MS M100k配备640x512像素的磅镉汞(MCT)焦平面阵列探测器，覆盖3-4.9μm光谱范围。在旋转滤光轮模式下，滤光轮的最大有效帧率为800Hz，即每个通道约为100Hz。本实验选用两片火焰透射型窄带滤光片，以获取双色处理所需的相邻光谱测量数据。

波段的选择对测量至关重要，因为高温燃烧气体在宽波段测量中产生强烈的红外辐射，掩盖目标表面自身的的辐射信号。火焰透射型滤光片选取在气体辐射贡献尽可能低的光谱窗口，保证被测信号以表面辐射为主。表1列出了本实验所用火焰透射型滤光片的参数。

表1:所用透焰滤光片规格

热成像结果

图1展示了光谱滤光的优势。在宽带图像(图1A)中，火焰与燃烧气体的辐射遮挡了钢板，而火焰透射波段(图1B)可大幅抑制这类干扰辐射，清晰呈现下方钢板的热结构。

采用逐像素的多色发射率光谱测温(n Color TES)算法，计算得到温度分布图与发射率分布图(图1C和图1D)。为减小积碳带来的影响，计算时取60帧图像的中值。热电偶作为独立的参考测量值，用于校验计算所得的温度。所得空间温度梯度与热电偶测量结果吻合，验证了该方法的可行性。发射率分布图中接近1的较高发射率区域，大概率是积碳造成的。图1D中的测温结果与热电偶数据一致性良好，最高约1200°C的温度一般对应于样品表面覆盖积碳的区域。

图1:燃烧钢板的红外图像。(A)宽波段图像;(B)火焰透射型滤光片1获得的图像;(C)和(D)分别为非燃烧区域的发射率分布图与测温温度分布图。

结论

研究选取两组经过优选的窄光谱波段，采用双色测温法，对火焰加热钢板的热力学温度与发射率开展计算，并与预埋热电偶测量结果作为对照，结果显示二者吻合良好。然而，双色测温法与多色发射率光谱测温(n-Color TES)属于先进实验方法，并未开箱即用的成套方案，高度依赖严谨的实验设计。该方法需要处理环境辐射干扰、完成标定与后处理验证，因此周密的实验设计至关重要。在条件控制得当的前提下，多光谱红外成像可作为灵活的技术平台，用于在复杂场景下同步获取温度与发射率信息。