一种单像素红外测温的温度补偿方法及系统与流程

本发明涉及传感器温度补偿，具体而言，涉及一种单像素红外测温的温度补偿方法及系统。

背景技术：

1、红外辐射测温技术通过接收被测目标在特定波段范围内的红外电磁辐射实现非接触式温度测量。单像素热电堆红外传感器因成本低、体积小、功耗低等优势，广泛应用于便携式测温产品、智能家居、工业巡检等领域。然而，该类传感器在实际应用中面临一系列技术问题，制约了其测温精度与适用场景。如：一、小目标测温的系统性失真问题：当被测目标的几何尺寸小于传感器视场光斑时，传感器接收到的辐射能量并非全部来自目标本身，而是目标辐射与背景辐射的混合信号。这一物理限制导致传感器输出的表观温度显著低于目标的真实温度；目标在视场中的占比越小，测量偏差幅度越大。现有常规方案缺乏有效的定量修正手段，使得单像素热电堆传感器在测量亚光斑尺寸小目标时测温精度严重不足。二、传统填充比计算方法的精度缺陷：现有方案普遍采用“目标面积/光斑面积”的均匀面积比假设来计算填充比，即默认视场内的灵敏度处处一致。然而，热电堆传感器的角灵敏度特性实际呈“中心高、边缘平滑衰减”的高斯型分布，均匀面积比假设严重偏离器件的真实物理响应特性。该缺陷导致高估视场边缘背景区域的辐射权重、低估中心目标区域的辐射贡献，在小目标测量场景下填充比的计算误差可达20%以上，直接劣化了温度反解的准确性。三、高成本替代方案无法适配普及型产品：焦平面阵列测温方案需要多像素读出电路与图像处理单元，硬件成本为单像素方案的5-10倍，体积与功耗显著增加，无法适配低成本、小型化的便携测温产品需求。机械斩波方案需要增加电机、斩波片与驱动电路，引入运动部件，不仅体积和功耗大幅上升，还存在磨损寿命限制与可靠性问题。上述方案均不适用于对成本、体积和可靠性有严格要求的普及型测温产品。四、背景追踪鲁棒性不足：在动态测量环境中，背景温度并非恒定不变，环境温度漂移、空气流动、传感器自身热平衡变化等因素均会导致背景辐射的缓慢波动。传统方案采用固定阈值进行背景跳变判定，无法适配不同传感器个体的噪声差异与环境温变工况，容易出现两种失效模式：一是误触发，即背景跟随目标跳变导致修正失效；二是漏触发，即背景漂移无法及时更新导致反解温度稳定性差。

2、再者，经检索，现有相关专利技术同样未能有效解决上述问题。cn102661799a公开了环境温度补偿方法，但其填充比计算仍基于均匀面积比假设，未对传感器的角灵敏度曲线进行建模。cn122192521a公开了一种激光加热测温校准系统，采用物理信息神经网络（pinn）在隐藏层嵌入约束处理背景干扰，但该方法依赖大量标注数据训练、算力需求高、模型黑盒可解释性差，难以在资源受限的嵌入式平台上部署。此外，基于环境辐射分离建模的数字补偿方法虽有一定探索，但尚未形成适用于单像素热电堆传感器的、以纯嵌入式软件实现的完整解决方案。

3、因此，亟需一种在无需增加硬件成本的前提下，基于单像素热电堆传感器实现小目标场景下的高精度温度测量，同时保证算法在资源受限的嵌入式平台上的可部署性与鲁棒性。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种单像素红外测温的温度补偿方法及系统，旨在解决上述问题中的一种或多种。

2、一方面，本发明提出了一种单像素红外测温的温度补偿方法，包括：

3、将单像素热电堆红外测温传感器的角灵敏度函数建模为轴对称高斯分布，根据所述传感器的标称半视场角确定高斯分布的标准差；

4、基于极坐标下高斯函数对圆形目标的面积积分，推导得到有效填充比的闭式解析解，根据目标半张角与所述高斯分布的标准差得到所述有效填充比；

5、根据三级背景温度优先级规则确定背景温度值，并基于简化斯特藩-玻尔兹曼热辐射定律根据所述背景温度值确定背景辐射出射度；

6、获取所述传感器测量得到的总辐射出射度，并构建所述总辐射出射度与目标真实辐射出射度和背景辐射出射度之间的函数关系，通过代数反解得到所述目标真实辐射出射度，并根据所述目标真实辐射出射度得到目标真实温度。

7、优选的，根据所述传感器的标称半视场角确定高斯分布的标准差时，所述高斯分布的标准差根据下式确定：

8、

9、其中，表示传感器的标称半视场角，σ表示高斯分布的标准差；

10、所述高斯分布的表达式为：

11、

12、表示灵敏度，θ表示传感器的偏轴角。

13、优选的，所述有效填充比的闭式解析解的表达式为：

14、

15、其中，表示有效填充比，表示目标半张角，σ表示高斯分布的标准差。

16、优选的，所述目标半张角根据下式确定：

17、

18、其中，表示目标半张角，表示被测目标半径，d表示传感器与被测目标之间的测量距离。

19、优选的，所述三级背景温度优先级规则具体为：

20、第一级为手动锁定值，通过按键或上位机指令将当前环境温度读数存入作为背景温度值，设定为最高优先级；

21、第二级为自适应指数滑动平均追踪值，以慢速指数滑动平均跟踪背景追踪器的输出基线作为背景温度值，设定为默认优先级；

22、第三级为所述传感器内置环境温度通道的读数作为背景温度值，设定为最低优先级；

23、所述三级背景温度优先级规则按优先级从高到低的级别自动切换。

24、优选的，确定所述自适应指数滑动平均追踪值时，还包括：

25、获取中值绝对偏差估计值，基于所述中值绝对偏差估计值确定跳变阈值，所述跳变阈值=k×中值绝对偏差估计值；

26、若当前测量温度值与背景追踪器输出基线值的偏差超过所述跳变阈值，判定被测目标切入市场，并立即停止背景追踪器；若当前测量温度值与背景追踪器输出基线值的偏差回落至所述跳变阈值，则自动恢复背景追踪器进行背景追踪。

27、优选的，所述中值绝对偏差估计值的指数滑动平均迭代公式为：

28、

29、其中，表示更新后的中值绝对偏差估计值，表示更新前的中值绝对偏差估计值，表示当前测量温度值，表示背景追踪器输出基线值，α表示平滑系数。

30、优选的，构建所述总辐射出射度与目标真实辐射出射度和背景辐射出射度之间的函数关系时，所述函数关系的表达式为：

31、

32、其中，表示总辐射出射度，表示有效填充比，表示目标真实辐射出射度，表示背景辐射出射度。

33、优选的，通过代数反解得到所述目标真实辐射出射度，并根据所述目标真实辐射出射度得到目标真实温度时，所述目标真实辐射出射度的代数反解表达式为：

34、

35、所述目标真实温度根据下式确定：

36、

37、其中，所述目标真实温度基于简化斯特藩-玻尔兹曼热辐射定律确定，所述简化斯特藩-玻尔兹曼热辐射定律的表达式为：

38、

39、其中，m表示辐射出射度，t表示温度。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将单像素热电堆红外测温传感器的角灵敏度函数建模为轴对称高斯分布，并根据传感器标称半视场角直接推导高斯分布的标准差。在此基础上，基于极坐标下高斯函数对圆形目标的面积积分，推导得到有效填充比的闭式解析解，通过目标半张角与高斯标准差直接计算，无需任何数值迭代。有效填充比的计算精度相比传统均匀面积比方案提升20%以上，从根本上消除了因忽略传感器高斯角灵敏度特性而引入的系统性误差；闭式解析解的计算复杂度与传统的简单面积比方案相当，无需数值迭代，普通8位/32位单片机即可实时运行，算力开销极低；模型参数均具有明确的物理含义（传感器视场角、目标尺寸、测量距离），可解释性强，无需训练或标定过程。

41、本发明基于斯特藩-玻尔兹曼热辐射四次方定律，将传感器测量得到的总辐射出射度表示为目标真实辐射出射度与背景辐射出射度的加权叠加，通过代数反解，再经四次方开根与单位换算得到目标真实温度。从热辐射物理定律出发建立了严格的辐射能量叠加模型，而非经验拟合或黑盒映射，保证了反解结果的理论严谨性与泛化能力；通过精确扣除背景辐射分量，有效消除了小目标测量场景下背景辐射对测温结果的污染，显著提升了亚光斑目标的测温精度；当有效填充比≥0.99时，系统自动判定目标完全填满视场、背景辐射占比小于1%，跳过反解计算，在保证精度的前提下降低算力开销。

42、本发明建立了三级优先级的背景温度确定机制：第一级为手动锁定值（用户通过按键或上位机指令设定，最高优先级），第二级为自适应指数滑动平均追踪值（默认优先级），第三级为传感器内置环境温度通道读数（最低优先级），三级机制按优先级自动切换。手动锁定级适用于背景固定的高精度测量场景，用户可主动干预确保背景温度的准确性；自适应ema追踪级适用于背景缓慢变化的动态场景，无需人工干预即可自动跟踪环境基线漂移；传感器环境温度通道兜底级确保了在任何极端情况下系统的基础可用性，三级机制覆盖了从固定背景到动态变化的全场景需求，大幅提升了方法的适用范围与工程可靠性。

43、另一方面，本技术还提供了一种单像素红外测温的温度补偿系统，用于应用上述单像素红外测温的温度补偿方法，包括：

44、高斯角灵敏度建模单元，被配置为将单像素热电堆红外测温传感器的角灵敏度函数建模为轴对称高斯分布，根据所述传感器的标称半视场角确定高斯分布的标准差；

45、有效填充比确定单元，被配置为基于极坐标下高斯函数对圆形目标的面积积分，推导得到有效填充比的闭式解析解，根据目标半张角与所述高斯分布的标准差得到所述有效填充比；

46、三级背景温度管理单元，被配置为根据三级背景温度优先级规则确定背景温度值，并基于简化斯特藩-玻尔兹曼热辐射定律根据所述背景温度值确定背景辐射出射度；

47、温度补偿反解单元，被配置为获取所述传感器测量得到的总辐射出射度，并构建所述总辐射出射度与目标真实辐射出射度和背景辐射出射度之间的函数关系，通过代数反解得到所述目标真实辐射出射度，并根据所述目标真实辐射出射度得到目标真实温度。

48、可以理解的是，本技术提供的一种单像素红外测温的温度补偿方法及系统具有相同的有益效果，在此不再赘述。