錢范源QIAN Fan-yuan；孫曉東SUN Xiao-dong；李可LI Ke；周海淵ZHOU Hai-yuan；徐如祥XU Ru-xiang

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

0 引言

紅外輻射特性測量系統(tǒng)是獲取目標特性，對目標進行識別的重要手段之一[1]。對目標進行紅外輻射特性測量可以獲得可見光難以獲得的目標信息，如目標亮度、輻射強度及溫度等信息，從而對目標進行識別和跟蹤。動態(tài)范圍通常是指由最高溢出值到最低值之間的范圍。紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍定義為系統(tǒng)有效測量到的目標發(fā)出的一系列輻射亮度或輻射溫度的最大值與最小值的比[2，3]。在CMOS、CCD 傳感器應用的諸多領域中，都給出了探測器的動態(tài)范圍。探測器的動態(tài)范圍越大，表示其測量的能力越強，輸出圖像的質(zhì)量就越好，圖像細節(jié)就越清晰[4-6]。對于紅外輻射特性測量系統(tǒng)而言，動態(tài)范圍越大，系統(tǒng)就能夠采集到越豐富的目標信息，就能夠測量越高的目標輻射溫度。隨著科學技術的快速進步，目前各類新式飛行目標的飛行速度趨于越來越快，目標輻射溫度的變化范圍也越來越大。紅外輻射特性測量系統(tǒng)為應對各種類型的被測目標，獲得被測目標的全部輻射信息，尤其是為了避免丟失重要敏感信息，必須提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍以提高系統(tǒng)的測量能力[7，8]。本文通過理論推導，研究分析了影響紅外輻射特性測量系統(tǒng)動態(tài)范圍的因素，并提出了一種通過改變系統(tǒng)積分時間和增加系統(tǒng)光學衰減，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍的方法。隨后通過某紅外輻射特性測量系統(tǒng)對該方法進行了實驗驗證，驗證結(jié)果表明，該方法切實有效，能夠較大幅度地提高紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

1 動態(tài)范圍影響因素分析

1.1 動態(tài)范圍定義

紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍DR 定義為系統(tǒng)能夠有效測量到的目標發(fā)出的一系列輻射亮度的最大值與最小值的比，可以表述為：

其中，Lmax（T）為紅外輻射特性測量系統(tǒng)所能測量到的最大輻射亮度值，Lmin（T）為紅外輻射特性測量系統(tǒng)能測量到的最小輻射亮度值。

1.2 數(shù)字灰度值與目標輻射出射度的關系

目標輻射出射度是指單位時間內(nèi)從輻射源單位面積上所輻射出的輻射能量。

紅外探測器焦平面陣列其響應為一個很窄的波長范圍，記為λ1～λ2，該波長范圍內(nèi)的輻射出射度M（T）可以表示為[9]：

其中λ 為波長，T 為絕對溫度，M 為波長范圍λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度，ε 為發(fā)射率，c1、c2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)[10]。

數(shù)字灰度也稱DN 值或數(shù)字量化值，通常用來表示某些還沒有校準到具體意義單位的像素值，是對接收到的輻射進行量化的一個數(shù)值，大小與量化的深度有關。

紅外焦平面陣列其每個像素在線性響應區(qū)域，像元的輸出數(shù)字灰度G 與輻射源的出射度M 呈線性關系。

其中G 為探測器數(shù)字灰度值，單位為DN，B 為整個波段范圍內(nèi)的平均響應偏置，R 為整個波段響應范圍內(nèi)的平均響應率，T 為絕對溫度。R 是紅外輻射特性測量系統(tǒng)的固有性質(zhì)，與目標的輻射出射度無關。

由于紅外輻射特性測量系統(tǒng)工作于線性響應區(qū)域，所以其平均響應偏置B 可表示為：

Bout為外部偏置，主要由紅外輻射特性測量系統(tǒng)的外部因素產(chǎn)生，如光機結(jié)構的內(nèi)、外雜散輻射，會隨積分時間呈線性變化；Bin為內(nèi)部偏置，主要因工藝設計的缺陷產(chǎn)生，如由紅外焦平面陣列的放大電路和量子阱產(chǎn)生，與積分時間無關。

結(jié)合（3）和（4）可以得到：

若輻射源是朗伯體（指在半球范圍內(nèi)任意方向的輻射亮度都相等的輻射體），則R1=R/π。L 為輻射亮度，t 為積分時間，T 為絕對溫度。

理論上只要得到三組G 和M 的對應數(shù)據(jù)即可求解公式（5）中的三個未知量R、Bout、Bin，實驗過程中可以使用最小二乘法對多組實驗數(shù)據(jù)進行擬合，最終獲取系統(tǒng)的標定方程。

求取獲得R、Bout、Bin后，可以通過獲得的標定方程進行反演計算，得出線性響應區(qū)被測目標的數(shù)字灰度值G，從而得到被測目標的輻射亮度L。

1.3 系統(tǒng)動態(tài)范圍與積分時間的關系

在實際求取系統(tǒng)動態(tài)范圍DR 的過程中，由于公式（5）的關系，通常用Gmax代替Lmax（T），用Gminx代替Lmin（T）。Gmax為線性輸出數(shù)字灰度最大值，Gmin為線性輸出數(shù)字灰度最小值[11]。

假設Gmax滿足：

為了保證測量信號的可信性，信號的信噪比應該大于1，此時紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍DR 為[12]：

由公式（7）可以分析得到，隨著系統(tǒng)積分時間的縮短，紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍會隨之增加。

1.4 動態(tài)范圍與系統(tǒng)衰減之間的關系

若紅外輻射特性測量系統(tǒng)中，設計增加了衰減片，且衰減片的衰減率為α，則此時紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍DR 為：

通過公式（8）可以分析得到，隨著系統(tǒng)衰減倍率的增加，紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍也可以得到有效提高。

2 實驗結(jié)果及驗證

2.1 實驗條件

為了驗證通過改變紅外輻射特性測量系統(tǒng)的積分時間和改變系統(tǒng)光學衰減可以有效提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍，利用某口徑為400mm 的紅外輻射特性測量系統(tǒng)設計進行一系列的驗證實驗。在該系統(tǒng)的光路中設計有100%，20%，5%和2%四檔中性衰減濾光片，光學衰減機構示意圖如圖1 所示。光學系統(tǒng)的技術參數(shù)如表1 所示。實驗中用來定標的黑體的技術參數(shù)如表2 所示。

圖1 光學衰減機構示意圖

表1 光學系統(tǒng)的技術參數(shù)

表2 黑體的技術參數(shù)

2.2 提高動態(tài)范圍驗證

實驗時，黑體定標采用5℃的溫度間隔，從100℃升到150℃。在系統(tǒng)選用不同透過率的光學衰減片的情況下，將系統(tǒng)的積分時間分別設為4ms，0.76ms，0.12ms，可以得到不同衰減率和不同積分時間的定標結(jié)果，如圖2 所示。

由圖2（a）中可以看出，在紅外輻射特性測量系統(tǒng)使用100%透過率的光學濾光片情況下，在系統(tǒng)積分時間為4ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為160℃；在積分時間為0.76ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為220℃；在積分時間為0.12ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為300℃。可以驗證得到，減小系統(tǒng)積分時間可以使紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍得到有效增加。

圖2 不同衰減率和積分時間的定標結(jié)果

由圖2（b）中可以看出，在紅外輻射特性測量系統(tǒng)使用2%透過率的光學濾光片情況下，在系統(tǒng)積分時間為4ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為310℃；在積分時間為0.76ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為420℃；在積分時間為0.12ms 時，探測器輸出灰度值達到飽和時的測量溫度為590℃。結(jié)合圖2（a）和圖2（b），可以驗證得到，隨著光學衰減片衰減倍率的增加，可以進一步增加紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

2.3 不同動態(tài)范圍的標定方程

系統(tǒng)選用不同透過率的光學衰減片和不同的積分時間可以導致紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍不一致?？梢允褂米钚《朔▽νㄟ^實驗獲得的多組數(shù)進行擬合，從而得到系統(tǒng)不同的動態(tài)范圍下的標定方程如表3 所示。

表3 的標定方程中x 為輻射溫度T，y 為數(shù)字灰度值G，因此，通過標定方程可反演計算出與輻射溫度T 相對應的數(shù)字灰度值G，從而得到輻射亮度L。

結(jié)合圖2 和表3 標定方程可以分析得到，紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍與其標定方程的斜率存在直接關系，斜率越小，系統(tǒng)的動態(tài)范圍越大。因此，可以驗證得到，紅外輻射特性測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍隨著系統(tǒng)積分時間的減小而增大，隨著系統(tǒng)衰減的增加而增大。

表3 不同動態(tài)范圍下的標定方程

3 結(jié)束語

本文針對紅外輻射特性測量系統(tǒng)為了實現(xiàn)對各種不同類型的被測目標的跟蹤測量、獲得被測目標的全部輻射信息，必須提高自身的動態(tài)范圍以提高系統(tǒng)的測量能力的需求，通過理論分析，推導出了影響紅外輻射特性測量系統(tǒng)動態(tài)范圍的影響因素，提出了一種通過減小紅外輻射特性測量系統(tǒng)的積分時間和增大光路系統(tǒng)的衰減倍率可以在一定范圍內(nèi)有效提高系統(tǒng)動態(tài)范圍的方法。通過實驗驗證，該方法對提升紅外輻射特性測量系統(tǒng)動態(tài)范圍具有一定意義，但需要在此說明的是，如果積分時間調(diào)得過短，將會對圖像的信噪比產(chǎn)生影響，如果衰減倍率調(diào)得過大，衰減片自身對系統(tǒng)測量的影響將會增加，所以在這種方法中積分時間不可能無限調(diào)小，衰減倍率也不可能無限調(diào)大。