孫志遠,王 晶,喬彥峰

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春130033)

環(huán)境對中波紅外探測器測溫精度的影響

孫志遠,王 晶,喬彥峰

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春130033)

為了分析環(huán)境輻射和大氣吸收對紅外輻射特性測量精度的影響,對基于中波紅外探測器的紅外測溫進行了研究。首先,介紹了影響中波紅外探測器測溫精度的幾種輻射能,根據(jù)測溫模型得出了紅外探測器像元灰度值和輻射照度之間的關(guān)系公式,并進一步推導出輻射測溫的修正公式。以高精度面黑體為目標進行了測溫實驗,對紅外探測器像元的灰度值進行修正并計算測溫誤差。結(jié)果顯示,修正前、后測溫誤差的均方根分別為3.56℃和0.27℃,測溫精度得到了顯著的提高,表明該修正公式可準確地修正環(huán)境和大氣吸收對中波紅外探測器測溫精度的影響。

紅外焦平面陣列;紅外測溫;環(huán)境輻射修正;黑體;平行光管

1 引言

20世紀80年代以來,紅外搜索跟蹤系統(tǒng)和裝有紅外成像制導裝置的各式導彈有了長足的發(fā)展,在這種形勢下,研究目標的紅外輻射特性具有十分重要的軍事意義。一方面,它可為紅外系統(tǒng)提高探測、識別和跟蹤精度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為紅外系統(tǒng)仿真提供目標的物理特性及數(shù)字模型;另一方面,也可為目標紅外隱身技術(shù)的研究提供一定的理論依據(jù)。

環(huán)境輻射和大氣吸收對目標的紅外輻射特性影響很大,因此,進行紅外輻射特性測量時必須考慮這些影響因素。近年來,紅外焦平面陣列(IRFPA)已廣泛應用于目標紅外輻射特性的測量,由于大氣吸收及雜散輻射的影響,紅外探測器像元的灰度值并不是目標能量的真實響應,必須對目標圖像的灰度值進行相應地修正,才可以準確測量得到目標的表面溫度值等輻射特性。本文基于中波紅外焦平面陣列進行了紅外測溫研究。介紹了影響中紅外探測器測溫精度的輻射能,推導出了紅外探測器像元灰度值和輻照度之間的關(guān)系公式,并得出了輻射測溫的修正公式。最后以面黑體為對象進行了測溫實驗。

2 環(huán)境輻射能

使用紅外探測器測量目標的輻射特性時,探測器接收到的能量不僅包括目標自身的輻射能,還包括目標表面反射的周圍環(huán)境輻射能,目標和紅外探測器之間大氣通道的輻射能及紅外相機內(nèi)部的非聚焦能量,如圖1所示。

(1)目標反射周圍環(huán)境的輻射能:這部分能量是由周圍環(huán)境的輻射能通過目標的反射到達探測器的能量,與目標的散射特性和周圍環(huán)境的溫度相關(guān),可用下式表示[1,2]

圖1 紅外探測器接收到的能量示意圖Fig.1 Energy focused on infrared detector

其中,ρ(λ)和 ε(λ)分別為目標的反射率和發(fā)射率,Mb(Tsur)為周圍環(huán)境的輻射能,Tsur為環(huán)境溫度。

(2)大氣通道的輻射能:目標和探測器之間的大氣輻射能對紅外探測器產(chǎn)生的能量疊加。

式(2)中,τ(λ)為目標與鏡頭之間的大氣透過率, Tatm為大氣溫度,Mb(Tatm)為大氣的輻射能,當目標處在一個溫度穩(wěn)定的空間內(nèi)時,可以認為 Tatm=Tsur。

(3)相機內(nèi)部的非聚焦能量:由于光學系統(tǒng)的冷欄效率沒有達到100%,所以相機內(nèi)壁會有一部分輻射能量通過冷欄而疊加在探測器上,由于該能量沒有通過光學系統(tǒng),所以稱該雜散能量為非聚焦能量。

將以上輻射統(tǒng)稱環(huán)境輻射。

3 探測器像元的灰度值與輻射照度的關(guān)系

通過理論研究和相關(guān)實驗分析了環(huán)境輻射對紅外探測器像元灰度值的影響。

紅外光學系統(tǒng)的焦距為 f,輻射源的面積為As,與紅外系統(tǒng)的距離為l,輻射源通過紅外光學系統(tǒng)在探測器上形成的像的面積為Ai,如圖2所示。

在中波紅外探測器的響應波段3.7～4.8 μ m內(nèi),表面溫度為T,發(fā)射率為ε(λ,T)的目標在紅外探測器像元上的輻照度E′可以表示為[3,4]

圖2 目標通過紅外光學系統(tǒng)成像時的物像關(guān)系Fig.2 Relation of object and image

式中τopt為光學系統(tǒng)的透過率,τair為大氣透過率, M為目標的輻射出射度(W/m2),D為光學系統(tǒng)入瞳直徑,C1和C2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。

探測器像元對該能量響應的灰度值h可以表示為:

式中,G為探測器響應灰度值和電壓之間的增益系數(shù)。

假設(shè)目標的發(fā)射率在探測器的響應波段3.7～4.8 μ m內(nèi)變化不大(多數(shù)目標滿足該情況),則探測器像元的灰度值h和輻射照度E′的比值可表示如下:

根據(jù)光子探測器的光譜響應曲線公式[5]:

式中,λc為截止波長,Rλc為截止波長處的響應率。

將式(6)代入式(5)得到

令

的KEh值,結(jié)果如表1所示。

表1 目標在不同溫度時的KEh值Tab.1 Values of KEhat different temperatures

從表1可以看出,KEh在10～55℃變化了

0.7%,可以近似認為:

依據(jù)上述分析,對于3.7～4.8 μ m波段的紅外探測器,當目標的表面溫度在較窄的溫度范圍內(nèi)變化時,紅外探測器像元的灰度值與輻射照度之間可以近似認為是線性的響應關(guān)系:

式中CEh為紅外探測器像元的灰度值 h與輻射照度E′之間響應系數(shù)。

4 環(huán)境輻射的修正研究

令

對于表面溫度為 T0,發(fā)射率為 ε的目標,距離紅外探測器的距離為l,探測器像元的灰度值可表示為:

而對于表面溫度與目標相同的黑體放置在鏡頭前標定得到的灰度值可以表示為:

當環(huán)境溫度變化不大時,大氣通道輻射和目標反射的環(huán)境輻射能可以表示為:

則

當Tsur=T0時,

又由于

可得

根據(jù)式(16),對于環(huán)境溫度點(T0,h0),有:

計算得到:

將k和b代入(18)式,整理得到:

本文把k和b統(tǒng)稱為測溫修正系數(shù),其中 k為斜率修正系數(shù),b為偏置修正系數(shù)。對目標像元的灰度值進行修正后就可以準確地計算目標的表面溫度。如果已知目標的發(fā)射率和大氣透過率[8～10],就可以準確地計算不同材料目標的表面溫度。

5 實 驗

以放置在紅外平行光管焦平面處的黑體靶為目標進行測溫實驗。

5.1 實驗設(shè)備

主要實驗設(shè)備有高精度面黑體及平行光管。

(1)面黑體:以 CI公司的“SR-800”寬范圍、高精度面黑體作為標定源,對紅外探測器進行標定。

(2)紅外平行光管:平行光管由兩個離軸反射鏡組成,平行光管的口徑為 600 mm,焦距為6 m,兩個反射鏡反射率均為0.95。

(3)黑體靶:放置在平行光管焦平面處,且黑體靶的溫度穩(wěn)定可控。

5.2 實驗方案

實驗室的環(huán)境溫度約為28℃,實驗步驟如下:

(1)非均勻校正:紅外探測器開機并進行非均勻校正;

(2)標定過程:將“SR-800”寬范圍高、精度面黑體放置在紅外相機鏡頭前,設(shè)定標定范圍為10～54℃,標定間隔選擇2℃,將黑體放置在鏡頭前進行標定[6]。

(3)測量過程:將大面陣黑體放置在平行光管的焦平面處,通過平行光管成像,設(shè)定大面陣黑體的起始溫度為12℃,間隔6℃采集一次溫度數(shù)據(jù),共7個溫度點。采集各溫度點的紅外圖像。

5.3 實驗結(jié)果

式(21)的斜率修正系數(shù)和偏置修正系數(shù)的計算需要已知目標發(fā)射率ε和大氣透過率τair,其中,黑體發(fā)射率為0.97;由于實驗處在一個較穩(wěn)定的環(huán)境中,而且目標距離紅外探測器距離較近,所以大氣透過率可以近似為平行光管兩個反射鏡反射率的乘積0.95×0.95≈0.9。

表2 修正前、后測溫誤差的比較Tab.2 Temperature measurement errors before and after amending conditions

在消除紅外探測器的灰度漂移條件下[7],分別計算未經(jīng)任何修正和環(huán)境影響修正后兩種情況下的測溫誤差,單位為℃,結(jié)果如表2及圖3所示。

從圖3的誤差曲線可以看出,未做任何修正時,測溫誤差在環(huán)境溫度附近(28℃)是準確的,而當目標溫度低于或高于環(huán)境溫度,與環(huán)境溫度溫差越大時,測溫誤差也越大。經(jīng)過環(huán)境影響修正后,測溫誤差在誤差為零的橫軸上下跳動且較穩(wěn)定;經(jīng)計算,環(huán)境影響修正前后的測溫均方根誤差分別為3.56℃和0.27℃,測溫精度得到了明顯的提高。

圖3 補償前、后測量誤差曲線Fig.3 Error curves before and after amendings

6 結(jié)論

本文基于中波紅外探測器的測溫進行了理論及實驗研究,并在實驗室以黑體為目標進行了測溫實驗,實驗結(jié)果表明,經(jīng)過環(huán)境影響修正后的測溫精度得到了顯著的提高,證明了本文中環(huán)境影響的修正方法是準確可行的,為提高中波紅外系統(tǒng)測溫精度提供了重要的參考依據(jù)。

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Influence of environment on temperature measurement precision based on middle-wave IRFPA

SUN Zhi-yuan,WANG Jing,QIAO Yan-feng

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

In order to analysis the influences of environment radiation and atmosphere absorbing on the measurement precision,the infrared temperature measurement by using a middle-wavelength infrared detector is studied.Firstly,several environment radiations which influence the measurement precision of a middle-wave Infrared Focal Plane Array(IRFPA)are introduced,and the relation between the gray and the absorbed radiation of the infrared detector is deduced.Then the amending formulae of environment radiations are achieved. Using the blackbody as the measurement target,the measurement error are 3.56℃ and 0.27℃ before and after amendings,respectively,and the measurement precision is improved evidently.The results show that the amending formulae could modify the influences of environment radiation and atmosphere absorbing correctly.

Infrared Focal Plane Array(IRFPA);infrared temperature measurement;environment radiation amending;blackbody;collimator

國防科技預研基金資助項目(No.1040603)

TN215

A

1674-2915(2010)06-0659-06

2010-07-15;

2010-09-16

孫志遠(1982—),男,遼寧沈陽人,博士,副研究員,主要從事紅外輻射特性測量、紅外系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。E-mail:zhiyuansun1982@yahoo.com.cn