红外热像仪的对焦与测温：图像清晰度对读数的影响

一、空间分辨力有两个来源，算式只算了其中一个

红外热像仪拍出来的图清不清楚，往往被当成一件只影响观感的事。在测温这一头，它不是观感问题。清晰度直接改的是每一个像元拿到的辐射量，像元拿到的量变了，读出来的温度便跟着变。

GB/T 19870-2018《工业检测型红外热像仪》的 3.5 条给空间分辨力下的定义里，把这件事的两半都写了。原文是：热像仪分辨物体空间几何形状细节的能力。它与所使用的红外探测器像元面积大小、光学系统焦距和像质、信号处理电路带宽等有关。一般也可用探测器像元张角或瞬时视场来表示。此参数通常可近似计算得出，算式是二倍圆周率乘水平视场角度，除以三百六十度与水平像元数之积。

这一条里藏着一处容易滑过去的对照。定义说空间分辨力与四个东西有关，像元面积、焦距、像质、电路带宽，落到可代进算式的近似式里却只剩两个量：水平视场角与水平像元数。像质去哪了？它不在式子里。瞬时视场之所以能用来表示空间分辨力，靠的是「一般也可用」这四个字，而近似算式本身也标了近似二字。

于是有了一条分界。镜头与像元那一半是几何，可以用视场角与像元数算出来，算出来的那个毫弧度值在出厂时便定死了。对焦带来的那一半是像质，它不在算式里，每次拍摄都要重新做一次，做不好读数便跟着走。前一半是选型时的事，后一半是每一次按下快门时的事。

像质里还有镜头像差那一份，它与对焦不是一回事，出厂时便定下来了，现场改不了。对焦是像质里能在现场改的那一项，也是本文往下要讲的这一项。两半分开看。

表1 空间分辨力的两个来源

二、离焦让能量摊开：弥散斑是怎么来的

合焦的时候，目标上一点发出的红外辐射经镜头会聚，落在探测器上的一个像元里。离焦的时候，会聚点落在探测器平面之前或者之后，落到探测器上的不再是一个点，而是一个小圆斑。光学上把这个圆斑叫弥散斑，它的直径随离焦量增大而增大，镜头相对孔径越大，同样的离焦量给出的斑也越大。

弥散斑带来的后果是能量重新分配。原本集中在一个像元里的辐射，被摊到斑覆盖的那几个像元上，每个像元分到一份。反过来，每一个像元也不再只接收目标上对应那一小块的辐射，它同时收进了周围一圈的东西。目标与背景的辐射在探测器这一层被混到了一起。

这一层混和发生在成像之前，不在信号处理那一层。数字变焦、超像素、图像锐化这些办法都在成像之后做，它们能改观感，改不了探测器上已经混掉的辐射。混掉的那一份，后期补不回来。这一步在前面。

三、读数往哪边走，取决于背景是冷还是热

混的是目标与背景两边，读数的走向便由哪一边的温度高来定。

背景比目标冷是电力现场的多数情形。一个发热的线夹悬在空中，周围是温度低得多的空气与远处景物，合焦时中心像元读到的接近线夹本体的温度，离焦之后掺进来的冷辐射把读数往下压。这一侧的后果是温升被吃掉一截，缺陷看着没有那么热。

背景比目标热时方向反过来。夏季午后的母线与构架被晒透，测一片温度偏低的部位，离焦掺进来的热辐射把读数往上抬。冬季对着天空测线路，天空的等效温度常比设备低几十开尔文，此时离焦又把读数往下压得比平时更狠。同一台仪器同一处目标，换个季节、换个背景，离焦带来的偏差方向可以不一样。

这一条常被漏掉。把离焦的后果记成一律偏低，遇到被热背景抬高读数的场合便会判反，把一处正常部位当成发热缺陷。方向先分清。

四、一个能算的量级：从九个像元摊到二十五个

偏差有多大，可以用一幅简单的图估出来。设目标是一处发热接头，比周围背景高 20 K，在选定的距离上它占三个乘三个共九个像元。合焦时中心像元读到的温升接近 20 K。

离焦之后弥散斑变大，目标的能量摊到五个乘五个共二十五个像元上。按能量均摊做粗略估计，中心像元里来自目标的那一份约占九除以二十五，即三成六，其余六成四来自背景，读到的温升约 7.2 K。再重一点的离焦摊到七个乘七个共四十九个像元，比例降到九除以四十九，约一成八，温升约 3.7 K。

三个数摆在一起，量级是清楚的：本来 20 K 的温升，在明显的离焦下只剩个位数开尔文，再重一点便掉到三四个开尔文。这个量级对判读的意义不小，缺陷等级的划分是按温升与相对温差分段落的，温升被吃掉一半，分段可能直接落下一档。

这个算例要加两句限定。头一句，能量均摊是粗略假设，真实的点扩散函数不是平顶，中心那一块权重更高，实际衰减没有这里算的这么快，数值只用来看量级。第二句，目标与背景温差越大，摊薄带来的读数偏差越大，温差小的场合离焦的后果反而没那么显眼。

表2 目标占九个像元时，不同离焦程度下的读数保留比例

五、哪一类目标经不起离焦：占像元少的那些

离焦的后果对大目标与小目标并不一样。一片占满几十个像元的套管压接板，边缘那几个像元糊掉，中心那一大片依然读到本体温度，读数变化有限。一个只占三五个像元的螺栓接头，糊掉一两个像元便等于被换掉一大半，读数立刻往下走。

这个差别可以用像元数解释清楚。目标占的像元数越多，被弥散斑换掉的只是边缘一圈，中心区仍然干净。占的像元数越少，边缘那一圈占比越大，换掉的比例越高。目标尺寸与像元尺寸之比，决定了离焦能造成多大伤害。

判读时常用的三乘三个像元门槛，说的是合焦状态下的要求。离焦等于把这个数往下压，一幅看着占了三乘三个像元的图，离焦之后有效像元可能只剩一两个，门槛在画面上看不出来，却在数值上已经破了。数值说了算。

边缘这一圈占多少，可以算。目标占三个乘三个共九个像元时，边缘一圈有八个，占九分之八。目标占十个乘十个共一百个像元时，边缘一圈有三十六个，占一百分之三十六。同样是糊掉一圈，小目标被换掉的比例是大目标的两倍多。这组数解释了同一个缺陷为什么在大面积部位上读数稳、在小接头上读数飘。

改进的办法只有两条，走近或者换更长焦距的镜头，两条都在加大目标占的像元数。反过来，若目标本来便占满几十个像元，离焦的容忍度便宽得多，这也是大面状发热部位比小接头好测的原因之一。

六、可分辨温差这个指标，是在调好焦的状态下取得的

GB/T 19870-2018 的 3.13 条定义了可分辨温差，记为 MRTD，原文是：目标与背景间的温差，即在特定的空间频率下，观察者刚好能分辨出四杆靶时的温差，是综合评价热像仪温度分辨力与空间分辨力的特征参量，包括观察者的主观影响。同一份标准 6.1.7 条按档给出门槛，高分辨率高灵敏度型、高灵敏度型、普通型分别不大于 0.6、0.8、1.3 摄氏度。

定义里那一句「综合评价温度分辨力与空间分辨力的特征参量」值得单独拿来看。这一项把两个原本分开的能力合成一个指标，任何一侧变差，合成出来的数跟着变差。对焦劣化的是空间那一侧，落到这一项上便是可分辨温差实际达不到标称的那一个值。

还要明白这一项是怎么测出来的。考核要用四杆靶，靶标经平行光管成像，观察者判断能不能分辨出条纹。这一个测试流程里，把焦调到清晰是操作的前提，没有人会在离焦状态下测这一项。标称值因此对应的是合焦状态，离焦时实际的可分辨温差只会比它差。以上是测试条件推出来的推论，标准条文里没有直接写离焦对这一项的影响，写进记录时按推论对待。

定义末尾那一句也要留意，这一项包括观察者的主观影响。判定靠观察者看四杆靶的条纹能不能分辨，人的判断在里头占一份。离焦之后条纹变糊，人眼分辨的难度上升，主观那一份也跟着变差。换一句说，离焦在这一项上劣化了两次，一次在空间分辨那一侧，一次在观察者判断那一侧。

七、规程把成像清晰写进了条文

电力这一侧的现行依据是 DL/T 664-2025《带电设备红外诊断应用规范》，2025 年 12 月 18 日发布、2026 年 6 月 18 日实施，代替 2016 版。它的 5.3.1 条在讲诊断性检测的操作方法时，头一句便是：热像仪对地面设备检测宜靠近被检设备，使被检设备或目标成像清晰。

条文把靠近与成像清晰放在同一句里，是有道理的。靠近同时做了两件事，一件是加大目标占的像元数，一件是让对焦更容易判。远距离拍摄时目标占的像元少，本来便在离焦敏感区，画面上又缺少可供判断的边缘，对焦是否到位更难看出来。近距离拍摄时这两件事一起改善。

同一份规程的附录 B 表 B.1 在「成像性能」一栏里单列了「调焦」一项，给出的要求是自动、手动、电动三种方式皆可。同一张表在同一栏里还给了可分辨温差的门槛，三档分别为 1.3、0.8、0.6 摄氏度，备注栏写明在 0.5 f0 下，与 GB/T 19870-2018 的 6.1.7 条是同一组数。两项指标被放在相邻的格子里，也说明它们属于同一类能力。

条文里用的是「宜」字，不是「应」。够不着的地方照样要测，测的时候把成像状态一并记进记录，让看这份记录的人知道这一帧的可信程度。够不着要注明。

八、自动对焦不是免检：三种失效情形

自动对焦省了手动调焦的动作，省不掉对焦这件事本身。现场有三类场合它会给出错误的合焦位置。

头一类是低对比场景。自动对焦靠找边缘的对比度工作，一片温度均匀、边界平缓的发热面，画面里没有可供它锁定的边缘，它可能在一段行程里来回找，停在一个不是焦面的位置上。取景框里若只有目标本体没有周围参照物，这一类的概率更高。

第二类是隔着东西拍。开关柜的观察窗、设备的防护网、玻璃纤维的罩壳，自动对焦常把这些挡在前面的东西当成目标，焦点落到遮挡物上，后面的设备本体反而是虚的。这类场合的画面特征是对焦完成后遮挡物的纹理格外清楚，而目标的边界发虚。

第三类是目标在画面里占比过小。自动对焦的评价区域通常落在画面中央的一块，目标若只占这一小块里的一小部分，评价区域的大部分来自背景，焦点会按背景来定。远距离拍小部件时这一条尤为常见。

三类场合的共同处置办法是切到手动对焦，或者先对一处与目标等距的高对比参照物，锁定之后再转向目标。对完不看读数，先看画面。

自动对焦完成后还要留意一件事。它给出的合焦位置对应的是对焦评价区域，这一区域里若同时装进了前景与背景，焦点可能落在两者之间，画面看着清楚，目标那一层却是虚的。把评价区域收到目标本体上，或者改用点测对焦，能避开这一类。评价区域要收窄。

九、现场判对焦到位的四招

头一招，看边缘过渡。合焦时目标与背景的交界处，温度过渡只跨一两个像元，边界线干净。离焦时过渡铺开好几个像元，边界变成一段渐变的带子。把画面放大到能看见单个像元的程度，看这条带子有多宽，比看整体画面清楚得多。

第二招，微调焦距看读数变不变。合焦之后微调焦距，读数应当基本不动。若微调一小段读数还在单向变，说明此前的位置不是焦面，继续调到读数不动为止。这一招用数值判，比用眼睛判可靠，也顺带把对焦引到被测的那一个点上。

第三招，换位置复测。5.3.1 条要求宜选取几个不同的角度和位置观察，一是确定合适的检测位置并记录，其次是避开发射与反射的干扰。换个位置重新对焦重测，两次读数对得上，说明对焦与取景都站得住。对不上，先查对焦再查别的。

第四招，反推占像元数。已知目标短边尺寸与测量距离，按瞬时视场算出它占几个像元，再看画面里是不是真的占了这么多。算出来该占九个、画面里看着只占了四五个，中间少的那几个便是对焦与抖动吃掉的。算一次便知。

表3 现场判对焦到位的四招与各自抓什么

十、调焦之外的三件事：遮挡、入镜阳光与抖动

影响清晰度的不只是对焦，另外三件常与它混在一起。

头一件是遮挡。DL/T 664-2025 的 4.3 条在环境与设备要求里写了一句应避开视线中的遮挡物。视线里有一根树枝、一片铁丝网、一段护栏，热像仪拍到的是遮挡物的温度，不是设备的。遮挡物往往温度接近环境，于是读数被压向环境温度，形态上很像离焦带来的偏低，成因却完全不同。

第二件是入镜的阳光。同一条还写明，白天在室外应避开阳光直射或通过被摄物反射进入仪器镜头。阳光直接进镜头会在画面上形成一片高亮区，反射进来的则叠加在设备本来的辐射上。前者让局部读数虚高，后者让整幅的基数抬高。这一项与对焦无关，靠改变站位与角度解决。

第三件是抖动。曝光期间仪器与目标之间若有相对位移，画面上出现的是运动模糊，它与离焦在探测器上的后果几乎一样，都是能量摊开。区别只在成因，一个是焦面没对准，一个是拍的时候动了。长焦镜头与远距离拍摄对抖动更敏感，手持测小目标时这一点要单独留意。稳住再按。

十一、离焦与别的误差源，谁的量级更大

把几种误差源摆在一起，才知道该先管哪一头。

发射率取错是量级偏大的一类。金属表面的发射率随氧化程度在很大一段区间里变，取错带来的读数偏差可以到几十开尔文，比本文第四章那个算例里的离焦偏差高一个量级。这一项的处置靠按材质选值与贴高发射率胶带做参照。

发射率的量级可以看一组数。DL/T 664-2025 附录 D 给的参考值里，抛光铝或铝箔在 100 摄氏度时取 0.09，完全生锈的铁板在 25 摄氏度时取 0.80，两者相差近九倍。同一处金属部件，按抛光面取值与按锈蚀面取值，读出来的温度差出几十开尔文并不稀奇。对焦那一档的偏差是十几开尔文，发射率这一档能高出一个量级。

对焦排在其次。按第四章的估算，明显离焦能把 20 K 的温升压到个位数开尔文，偏差在十几开尔文这一档。它比发射率那一档小，却比仪器本身大得多。

仪器本身排在末位。GB/T 19870-2018 的 6.1.3 条给允许误差限，23 摄氏度加减 5 摄氏度的条件下不超过正负 2 摄氏度或被测温度的正负百分之二，取两者中偏大的一个。这是零点几到二开尔文的量级。同一份标准 6.1.6 条给测温一致性，视场内不同区域温度测量结果的一致性不超过正负 2 摄氏度或读数的正负百分之二。

三档摆开，顺序便清楚了：先管发射率，再管对焦，仪器的那一项是底噪。现场反过来做的情形并不少，把精力花在挑仪器指标上，拍摄时却不看焦点，等于抓了末一项放过头两项。顺序别颠倒。

十二、常见误用六条

其一，把清晰度当成只影响观感的事。它改的是每个像元拿到的辐射量，像元拿到的量变了，读数便跟着变。

其二，认定离焦一律让读数偏低。偏差方向由背景与目标的温度高低定，背景比目标热时读数往上走。

其三，用数字变焦与超像素去补对焦。两者都在成像之后做，改观感不改探测器上已经混掉的辐射。

其四，依赖自动对焦不复核。低对比场景、隔着遮挡物拍、目标在画面里占比过小，三类场合它都会给出错误的合焦位置。

其五，远距离拍小部件不核算占像元数。三乘三个像元的门槛说的是合焦状态，离焦之后有效像元数往下掉，门槛在画面上看不出来。

其六，把遮挡与入镜阳光造成的偏差算到对焦头上。三者都表现为读数偏离，成因不同，处置办法也不同。

十三、装备落点：阳明把对焦做在了前面

阳明是北京康高特（KGT）自研的红外热像仪，探测器分辨率 640 乘 480，镜头有 6 度、12 度、24 度、48 度多支可选，对焦方式写的是全自动红外对焦系统，另支持 4 倍超像素与自动生成巡检任务包。

对焦这一环上，全自动红外对焦系统把第八章那三类失效情形的发生概率压下去不少，它替作业人员完成了找焦面的动作。压下去不等于清零，低对比的发热面、隔着观察窗拍摄、目标在画面里只占一小块，这三类场合仍然要切手动复核一次。复核的判据用第九章那四招，看边缘过渡、微调看读数、换位置复测、反推算像元数。

分辨率这一端，640 乘 480 的意义要放在像元数上看。同一支镜头下，像元数越多单个像元的张角越小，同样尺寸的目标占到的像元数越多，离焦的容忍度随之变宽。这也是大面阵机型在小接头这一类目标上更容易测稳的原因。

超像素这一项要说清楚。4 倍超像素通过多帧之间的亚像元位移重建出更细的图像，画面看着更清楚，判读形状更容易。它工作在成像之后，改变的是图像的呈现，不改变探测器上已经发生的辐射混和。对焦不到位时开超像素，得到的是一幅清楚的模糊图，读数不会因此变准。算法在后头。

表4 阳明在清晰度相关环节上的落点

结语：先看清，再读数

红外测温的误差来源可以排成一列，发射率那一档偏大，对焦其次，仪器本身是底噪。对焦这一档的位置有点尴尬，它既不是难懂的原理，也不是复杂的器件，只是一次按下快门之前的动作，可它带来的偏差有十几开尔文，比仪器自身的允许误差限高出好几倍。GB/T 19870-2018 给空间分辨力下定义时把像质写了进去，瞬时视场的近似算式里却没有这一项，这一处空缺正是每一次拍摄都要自己填上的那一份。看清了再读，那一列误差里便少掉一项不必有的。

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