外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法研究?

李滿良， 胡小春， 甄小龍， 俸新虎

(1中國(guó)人民解放軍63610部隊(duì) 庫(kù)爾勒 841001 2再入動(dòng)力學(xué)與目標(biāo)特性實(shí)驗(yàn)室 庫(kù)爾勒 841001)

外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法研究?

李滿良1，2， 胡小春1， 甄小龍1， 俸新虎1

(1中國(guó)人民解放軍63610部隊(duì) 庫(kù)爾勒 841001 2再入動(dòng)力學(xué)與目標(biāo)特性實(shí)驗(yàn)室 庫(kù)爾勒 841001)

紅外輻射標(biāo)定是紅外輻射特性測(cè)量的精度基準(zhǔn)。針對(duì)外場(chǎng)條件下紅外輻射標(biāo)定精度影響因素多的情況，開(kāi)展外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法研究。首先介紹適應(yīng)于外場(chǎng)條件的三類(lèi)紅外輻射標(biāo)定方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后分析黑體標(biāo)定溫度的影響、環(huán)境溫度對(duì)黑體實(shí)際輻射的影響、程輻射與地表輻射的影響等三大影響外場(chǎng)標(biāo)定精度的因素，最后給出各影響因素的解決方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用文中標(biāo)定方法可將輻射測(cè)量誤差由27.8%降低至11.4%。

外場(chǎng)輻射標(biāo)定； 黑體實(shí)際輻射； 響應(yīng)度； 輻射特性測(cè)量

引 言

規(guī)范的紅外輻射標(biāo)定是輻射特性測(cè)量數(shù)據(jù)分析和處理的前提，是測(cè)量數(shù)據(jù)可信性、可用性和可交換性的基礎(chǔ)[1]。地基紅外輻射特性測(cè)量設(shè)備因使用環(huán)境的特殊性，均需要在測(cè)量前后進(jìn)行外場(chǎng)輻射標(biāo)定以保證測(cè)量精度。因研制單位不同，所采用的外場(chǎng)標(biāo)定方法、標(biāo)定設(shè)備、解算基準(zhǔn)不一致，測(cè)量數(shù)據(jù)與測(cè)量設(shè)備存在相關(guān)性，因而測(cè)量結(jié)果的可信性和可交換性差。本文針對(duì)這種現(xiàn)象，開(kāi)展了外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定技術(shù)研究，通過(guò)分析當(dāng)前正在應(yīng)用的三類(lèi)外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法，推導(dǎo)了相應(yīng)的輻射傳遞計(jì)算公式，分析了影響標(biāo)定精度的主要因素，提出了相應(yīng)的解決方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可將輻射測(cè)量誤差由27.8%降低至11.4%。

1 外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定原理

總的來(lái)說(shuō)，外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定就是建立黑體輻射與紅外焦平面探測(cè)器響應(yīng)灰度之間的關(guān)系[2]，即

式中，DN為探測(cè)器像元輸出灰度，L為單個(gè)像元接收黑體輻射亮度，k為標(biāo)定系數(shù)，b為標(biāo)定常數(shù)。

通過(guò)改變黑體的溫度，可以得到對(duì)應(yīng)溫度下探測(cè)器的響應(yīng)灰度，對(duì)不同溫度的輻射亮度和響應(yīng)灰度采用最小二乘法即得到相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)和標(biāo)定常數(shù)。目前外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法主要有遠(yuǎn)距離腔式黑體法、腔式黑體+平行光管法和大面陣黑體直接標(biāo)定法三大類(lèi)，下面分別簡(jiǎn)要介紹。

1.1 遠(yuǎn)距離腔式黑體標(biāo)定法(方法1)

圖1為遠(yuǎn)距離腔式黑體標(biāo)定法的原理。該方法利用遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像完成輻射標(biāo)定，因工程中只能使用有限距離，即在望遠(yuǎn)鏡前一定距離處放置腔式黑體，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)變焦使黑體像清晰。根據(jù)輻射亮度定理和幾何光學(xué)理論，可推導(dǎo)出探測(cè)器像元接收的總輻射亮度L為

式中，Lbb為黑體的積分輻亮度，A0為光學(xué)系統(tǒng)入瞳孔徑面積，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，R為黑體與光學(xué)系統(tǒng)之間的距離，Ad為探測(cè)器像元面積，Lbkg為背景的積分輻亮度。

圖1 遠(yuǎn)距離腔式黑體標(biāo)定法原理

1.2 腔式黑體加平行光管標(biāo)定法(方法2)

圖2是腔式黑體加平行光管標(biāo)定法的原理。該方法使用腔式黑體與平行光管組成一個(gè)輻射照明系統(tǒng)，將腔式黑體的紅外輻射利用平行光管準(zhǔn)直成平行光，再入射到設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)，從而使黑體成像清晰，實(shí)現(xiàn)等效于黑體放置在無(wú)窮遠(yuǎn)處的效果[3]。探測(cè)器像元接收的總輻射亮度L為

式中，τ′opt為平行光管透過(guò)率，Ac為平行光管孔徑面積。

圖2 腔式黑體加平行光管標(biāo)定法原理

1.3 大面陣黑體直接標(biāo)定法(方法3)

圖3是大面陣黑體直接標(biāo)定法的原理。該方法在設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)入瞳處放置均勻面源黑體，面源黑體輻射面積大于入瞳面積，且覆蓋入瞳面積。因黑體為標(biāo)準(zhǔn)朗伯體，探測(cè)器像元接收的總輻射亮度L就是黑體的輻射亮度，即

1.4 三類(lèi)標(biāo)定方法優(yōu)缺點(diǎn)

從設(shè)備配置、效率、精度及實(shí)現(xiàn)難度對(duì)三類(lèi)標(biāo)定方法進(jìn)行比較，如表1所示。

圖3 大面陣黑體直接標(biāo)定法原理

表1 三類(lèi)標(biāo)定方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 標(biāo)定誤差分析及其控制方法

2.1 黑體溫度范圍需求分析

式(1)成立的前提是紅外焦平面探測(cè)器處于響應(yīng)的線性區(qū)，在標(biāo)定時(shí)黑體溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輻射亮度應(yīng)均勻分布在整個(gè)線性區(qū)。理論上數(shù)據(jù)點(diǎn)越多標(biāo)定精度越高，但外場(chǎng)標(biāo)定時(shí)由于客觀條件的限制，數(shù)據(jù)點(diǎn)一般控制在4個(gè)點(diǎn)，因此需要分析測(cè)量系統(tǒng)在滿足相應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍內(nèi)標(biāo)定黑體的溫度范圍。

紅外焦平面探測(cè)器的單像元接收能量與設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑(D/f)直接相關(guān)，而出于紅外焦平面探測(cè)器冷屏匹配的要求，其光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑一般固定，通常為1/2或1/4，即F數(shù)為2或4，因而不同的紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)黑體溫度范圍需求具有一致性。

黑體最低溫度需求由單像元最低可探測(cè)輻射能量決定[4，5]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，單像元最低可探測(cè)輻射能量由式(5)得到。

式中，SNRmin為最低可探測(cè)信噪比，D?為探測(cè)器的歸一化探測(cè)率，Ad為探測(cè)器像元面積，Δf為探測(cè)器帶寬。

前述三類(lèi)標(biāo)定法的黑體在最低溫度時(shí)輻射出射度計(jì)算公式分別如下

式中，τopt為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，τa為大氣傳輸透過(guò)率，s為平行光管焦距與光學(xué)系統(tǒng)焦距之比。根據(jù)設(shè)備參數(shù)即可計(jì)算得到三類(lèi)標(biāo)定方法對(duì)黑體溫度需求，見(jiàn)表2。

表2 三種標(biāo)定方法對(duì)黑體溫度的要求

黑體最高溫度需求由動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍上限決定[6]。在不進(jìn)行光學(xué)增益調(diào)整(即不加衰減片)和不改變積分時(shí)間的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍上限由其下限和放大器線性范圍決定。在不考慮光學(xué)增益、不改變積分時(shí)間的條件下，兼顧短、中、長(zhǎng)三個(gè)波段標(biāo)定需求，方法1、方法2、方法3三種方法線性段對(duì)應(yīng)的黑體溫度范圍分別為-62℃ ～443℃、-44℃ ～487℃、-65℃ ～445℃。因此，可以確定標(biāo)定黑體工作溫度指標(biāo)及外場(chǎng)標(biāo)定時(shí)黑體溫度設(shè)置范圍，從而提高標(biāo)定精度。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)黑體實(shí)際輻射的影響

外場(chǎng)標(biāo)定中配置的標(biāo)定黑體均為實(shí)驗(yàn)室條件下黑體，沒(méi)有適合外場(chǎng)環(huán)境溫度的黑體，當(dāng)外場(chǎng)環(huán)境溫度偏離實(shí)驗(yàn)室條件過(guò)大時(shí)，黑體實(shí)際輻射已不能由其溫度控制器所顯示的溫度來(lái)表示，必須作相應(yīng)的修正以消除誤差。

圖4為腔式黑體的傳熱分析理論模型，其延伸段為雙層夾套，夾套中間裝有保溫材料，延伸段內(nèi)壁面受到面源黑體的輻射，致使這部分溫度發(fā)生變化。內(nèi)壁面與環(huán)境之間的熱交換主要為傳導(dǎo)方式傳熱；在黑體面，則由于氣體的溫度差異產(chǎn)生氣體密度的差異，這部分的傳熱主要表現(xiàn)為自然對(duì)流[7，8]。

圖4 腔式黑體傳熱分析理論模型

按照斯忒藩—波爾茲曼定律，黑體的輻射能量(也稱為黑體的輻射力)與黑體的絕對(duì)溫度的四次方成正比[9，10]，對(duì)于實(shí)際物體，其輻射力E為

式中，σ0為斯忒藩—波爾茲曼常數(shù)，ε為發(fā)射率，T為實(shí)際物體的絕對(duì)溫度。

因此，物體與環(huán)境輻射光譜換熱計(jì)算公式為

式中，Q(1，2)λ為物體向環(huán)境的凈光譜輻射換熱量；Fs為物體的輻射表面積；Ta為環(huán)境的絕對(duì)溫度；ελ為實(shí)際物體的光譜發(fā)射率；C1為第一輻射常數(shù)，即3.7417749×10-16W·m2；C2為第二輻射常數(shù)，即1.4387× 10-2m·K；λ為波長(zhǎng)。

利用式(10)即可計(jì)算環(huán)境溫度對(duì)實(shí)際輻射的影響。圖5為中波波段環(huán)境溫度對(duì)黑體實(shí)際輻射能力的影響曲線。在外場(chǎng)標(biāo)定過(guò)程中，可以采用實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，然后計(jì)算影響量修正標(biāo)定結(jié)果，從而減小環(huán)境溫度對(duì)黑體實(shí)際輻射能力的影響。

2.3 程輻射及地面輻射對(duì)標(biāo)定的影響

圖5 不同溫度黑體在不同環(huán)境溫度下的輻射能量變化曲線(3～5μm波段)

對(duì)于方法1，設(shè)備俯仰角一般工作在0°左右，此時(shí)背景輻射的主要來(lái)源為地表輻射，其強(qiáng)度與設(shè)備測(cè)量中心離地高度有關(guān)。由于地表輻射的計(jì)算難度大且精度難以保證，為提高外場(chǎng)標(biāo)定精度，要求標(biāo)定選擇在地面溫度較低的時(shí)段進(jìn)行，可即便如此仍無(wú)法徹底消除影響，為此本文提出雙黑體交替標(biāo)定方法。其原理是在相同距離的緊鄰兩個(gè)位置放置兩個(gè)相同型號(hào)的黑體，兩個(gè)黑體的設(shè)置溫度不同(見(jiàn)圖6)，同時(shí)記錄兩個(gè)黑體的溫度和接收?qǐng)D像。因?yàn)槭峭粫r(shí)刻測(cè)量，可以認(rèn)為兩個(gè)黑體成像的程輻射相同。已知標(biāo)定曲線是黑體像100%充滿像元且在探測(cè)器線性區(qū)時(shí)獲取的，即滿足式(1)，記錄的灰度值為黑體和程輻射共同作用的結(jié)果，滿足

將式(11)代入式(1)得

標(biāo)定中，對(duì)于兩個(gè)黑體而言，DNblackground相同，DNtotal1、DNtotal2分別是兩個(gè)黑體在探測(cè)器上產(chǎn)生的輸出，則可以得到

由式(13)可以解算出精確的k值。

圖6 雙黑體交替標(biāo)定時(shí)黑體圖像

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用設(shè)備測(cè)量某一紅外輻射特性已知的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別使用改進(jìn)前、后的標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)處理出的兩組紅外輻射實(shí)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出外場(chǎng)標(biāo)定新方法對(duì)測(cè)量精度的貢獻(xiàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量目標(biāo)

①實(shí)驗(yàn)設(shè)備：紅外輻射特性測(cè)量?jī)x；

②標(biāo)定黑體：腔式黑體HFY-205A；

③測(cè)量目標(biāo)：法國(guó)HGH公司生產(chǎn)的面元黑體。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①獲取標(biāo)定數(shù)據(jù)。利用腔式黑體HFY-205A進(jìn)行外場(chǎng)標(biāo)定，分別使用改進(jìn)前、后的標(biāo)定方法完成兩次標(biāo)定，采集標(biāo)定數(shù)據(jù)，并處理出標(biāo)定參數(shù)。

②獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。將目標(biāo)黑體放置于水塔上，使用某設(shè)備測(cè)量該黑體的紅外輻射特性；依次調(diào)節(jié)黑體溫度到不同溫度點(diǎn)，記錄每個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖7所示。

③數(shù)據(jù)處理。結(jié)合標(biāo)定時(shí)的氣象數(shù)據(jù)、標(biāo)定參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)，即可得到目標(biāo)紅外輻射照度，將其與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得到測(cè)量誤差的變化情況，如表3所示。由表3可以看出，采用改進(jìn)后的標(biāo)定方法測(cè)量誤差顯著降低，測(cè)量誤差平均值由27.8%降低到11.4%。

圖7 黑體在水塔上成像情況

表3 目標(biāo)黑體測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從三類(lèi)外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法及其模型入手，分析了影響標(biāo)定精度的主要因素，提出了相應(yīng)的解決方法，改進(jìn)了常規(guī)的外場(chǎng)紅外輻射標(biāo)定方法，提高了標(biāo)定精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文標(biāo)定方法可將輻射測(cè)量誤差由27.8%提高到11.4%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該對(duì)外場(chǎng)標(biāo)定方法、標(biāo)定設(shè)備及解算方法進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，以保證不同測(cè)量設(shè)備對(duì)同一目標(biāo)測(cè)量結(jié)果的一致性，這將是下一步研究重點(diǎn)。

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Research on Outfield Calibration Technology of Infrared Radiation

Li Manliang， Hu Xiaochun， Zhen Xiaolong， Feng Xinhu

The infrared radiation calibration is the precision reference of infrared radiation characteristics.According to infrared radiation outfield calibration factors，this paper carries out the research on calibrationmethods of infrared radiation.Firstly，three infrared radiation calibration methods and their advantages and disadvantages are introduced，and then the influences of blackbody temperature，environment temperature，optic radiation and surface radiation are analyzed.Finally，each factor solution is given and validated by the experiment.The experiment results show that the radiation measurement error can be reduced from 27.8%to 11.4%.

Outfield radiation calibration； Blackbody radiation； Responsivity； Radiation characteristic measurement

TN216；TP732.2

A

CN11-1780(2014)06-0061-06

李滿良 1970年生，高工，博士，主要研究方向?yàn)榧t外輻射特性測(cè)量及其信息處理。

胡小春 1964年生，高工，碩士，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控總體技術(shù)。

甄小龍 1976年生，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榘袌?chǎng)遙測(cè)總體技術(shù)。

俸新虎 1972年生，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榘袌?chǎng)光學(xué)測(cè)量總體技術(shù)。

?曾獲2011年度軍隊(duì)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)(2011SL3049)

2014-03-05 收修改稿日期：2014-05-27