紅外輻射測量系統(tǒng)外場標(biāo)定方法及飛行目標(biāo)亮度反演方法

祿曉飛，盛 捷，趙 慧

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紅外輻射測量系統(tǒng)外場標(biāo)定方法及飛行目標(biāo)亮度反演方法

祿曉飛，盛 捷，趙 慧

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

對于外場紅外輻射特性測量設(shè)備，標(biāo)定建立了輸出灰度和輸入能量之間的對應(yīng)關(guān)系。通過構(gòu)建中心紅外系統(tǒng)外場標(biāo)定體系，分析了直接擴(kuò)展源標(biāo)定、間接擴(kuò)展源標(biāo)定、小面元黑體近距離成像標(biāo)定的能量傳遞過程、標(biāo)定試驗(yàn)過程以及3種標(biāo)定方法得到的系統(tǒng)響應(yīng)度和系統(tǒng)底灰度的物理含義，指出了它們的相同和不同之處，進(jìn)行了一致性分析。給出了采用標(biāo)定數(shù)據(jù)計算飛行目標(biāo)亮度的方法并提出了中距離外場紅外輻射測量實(shí)驗(yàn)方法，對大氣透過率軟件和標(biāo)定方法進(jìn)行驗(yàn)證。

外場標(biāo)定；平行光管；小面源黑體；幅亮度；大氣透過率

0 引言

隨著反導(dǎo)武器技術(shù)的快速發(fā)展，飛行器突防性能越來越受到重視，對飛行器突防性能綜合評估的要求也越來越高[1]。飛行器突防性能綜合評估包括理論分析和仿真計算、地面靜態(tài)測試、彈道靶試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)條件下外場動態(tài)目標(biāo)紅外特性測量等環(huán)節(jié)。其中外場動態(tài)紅外特性測量最接近實(shí)戰(zhàn)條件，是飛行器突防性能評估重要的參考依據(jù)。

在進(jìn)行外場動態(tài)紅外特性測量試驗(yàn)前后，需要對紅外輻射測量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，完成2項(xiàng)功能：①選擇紅外系統(tǒng)的工作模式，包括衰減片和積分時間，使得既能捕獲目標(biāo)又使得設(shè)備像素不飽和。②建立紅外測量設(shè)備的輸出和接收到的能量的關(guān)系，以能夠?qū)︼w行試驗(yàn)時外場動態(tài)紅外特性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取飛行器的紅外輻射特征，包括輻射強(qiáng)度（亮度）、溫度場等。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多研究實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方式（例如間接擴(kuò)展源標(biāo)定方法），然后用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定參數(shù)對近距離靜態(tài)目標(biāo)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，李云紅[2-3]等研究了標(biāo)定與測量條件相同時的精確測溫技術(shù)。陸段軍等[4]研究了采用積分球?qū)δ曅偷厍蜉椛涮綔y儀進(jìn)行標(biāo)定的方法。張曉龍等[5]研究了非致冷長波紅外熱像儀的輻射標(biāo)定方法。楊詞銀等[6]研究了大口徑紅外光電系統(tǒng)輻射定標(biāo)及誤差分析方法。

然而對于外場試驗(yàn)來講，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方式并不適用，這是由兩方面造成的：①外場拍攝目標(biāo)為高速飛行器，背景為天空，紅外輻射測量受到太陽、地面輻射、大氣的影響，環(huán)境十分復(fù)雜；②外場試驗(yàn)的紅外輻射測量設(shè)備大多為機(jī)動設(shè)備，經(jīng)緯儀方艙較小，一般無法采用實(shí)驗(yàn)室通用的平行光管標(biāo)定方式（間接擴(kuò)展源法）；部分固定式紅外輻射測量設(shè)備雖然可采用間接擴(kuò)展源標(biāo)定方式，然而實(shí)驗(yàn)室的工作環(huán)境是可以精確控制的，外場標(biāo)定試驗(yàn)的工作環(huán)境很難精確控制。這就要求研究與外場標(biāo)定試驗(yàn)配套的標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法，并且回答“外場標(biāo)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果能否直接應(yīng)用于飛行試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)中？”本文針對外場紅外輻射測量設(shè)備標(biāo)定方法多，標(biāo)定環(huán)境和飛行試驗(yàn)環(huán)境不同的情況，解決了把外場標(biāo)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)用于飛行試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)中的難題。

1 外場紅外系統(tǒng)標(biāo)定體系

紅外系統(tǒng)一般工作在線性區(qū)。通過外場標(biāo)定建立輸入能量和輸出的關(guān)系。圖1顯示了紅外探測器輸出電壓和接收能量存在如下的關(guān)系。從圖中可看出紅外輻射測量系統(tǒng)與能量可分為3個區(qū)：線性區(qū)、非線性區(qū)和飽和區(qū)。

圖1 紅外探測器接受輻射能量與輸出的典型響應(yīng)曲線

紅外系統(tǒng)的外場標(biāo)定方式分為3類：直接擴(kuò)展源法、間接擴(kuò)展源法、黑體近距離成像方法[7-12]。針對不同類型紅外輻射測量設(shè)備要選擇相應(yīng)的標(biāo)定方式及配套設(shè)備。

1）對于固定紅外系統(tǒng)可建立活動板房，在其內(nèi)設(shè)置滑軌式平行光管，試驗(yàn)前后采用間接擴(kuò)展源法對其進(jìn)行標(biāo)定；試驗(yàn)期間將板房移開。在試驗(yàn)間隙將滑軌式平行光管移動到固定庫房中。

2）活動紅外系統(tǒng)根據(jù)飛行試驗(yàn)試驗(yàn)需要布設(shè)在不同的站點(diǎn)，為了保證設(shè)備的機(jī)動性，標(biāo)定設(shè)備的尺寸往往不大，不能內(nèi)置小型平行光管，可使用小面元黑體近距離（幾十米）標(biāo)定，也可使用直接擴(kuò)展源進(jìn)行覆蓋式標(biāo)定。

3）部分活動紅外系統(tǒng)尺寸較大，而且口徑較小，可內(nèi)置小型平行光管，可使用平行光管對紅外探測器部分像素進(jìn)行標(biāo)定。

4）目前大面元黑體已經(jīng)開始在紅外系統(tǒng)中應(yīng)用，然而大面元黑體的升降溫較慢，面元溫度一致性不易控制，且配套的附屬設(shè)備尺寸較大，不適合活動紅外系統(tǒng)。

2 間接擴(kuò)展源標(biāo)定方法

在望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)系統(tǒng)入瞳處放置出瞳面積大于并覆蓋主光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積的大口徑平行光管，在平行光管焦面上放置均勻面源黑體，以此作為標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射源進(jìn)行標(biāo)定。平行光管一般由3部分組成：離軸拋物鏡、車床。小面元黑體發(fā)出的紅外光線經(jīng)過平行光管后形成平行光，為了保證精度，需要使得平行光管出射光線與紅外系統(tǒng)的主光軸對準(zhǔn)，如圖2所示。

平行光管標(biāo)定光路見圖3。

2.1 平行光管成像關(guān)系

記平行光管的焦距為g，紅外系統(tǒng)清晰成像的焦距為，紅外探測器單像元尺寸為，面積為d＝2，其對應(yīng)的小面元黑體面積為B。圖3中，小面元黑體處發(fā)射出紅外光線經(jīng)過平行光管后形成平行光，經(jīng)紅外系統(tǒng)在紅外探測器上成像在探測器處。d和B存在如式(1)的關(guān)系：

2.2 相機(jī)像素接收能量

黑體的輻射亮度為B，黑體B發(fā)射且進(jìn)入探測器像元的能量為[8]：

d表示相機(jī)探測器像元d接收光線的亮度，則d接受的能量為（見圖4）：

圖2 紅外系統(tǒng)與平行光管標(biāo)定示意圖

圖3 間接擴(kuò)展源標(biāo)定方法

圖4 探測器接受能量示意圖

令g表示紅外能量經(jīng)過平行光管的能量損失，即：

d＝gB

因此，

這里o，d，都是常數(shù)，只有B是可調(diào)的（通過調(diào)整黑體溫度）。在執(zhí)行試驗(yàn)時，由于飛行器距離較遠(yuǎn)，設(shè)備的焦距設(shè)為。當(dāng)飛行器的亮度為時（不考慮大氣吸收），探測器中心像元接收的能量為：

如果接受的能量（表現(xiàn)為灰度）與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中接受的能量相等，則可得到飛行器的亮度。

2.3 平行光管透過率tg標(biāo)校

標(biāo)校方法為：

1）用小口徑紅外系統(tǒng)（與紅外輻射測量系統(tǒng)波段相同）依次對面源黑體在2個以上溫度點(diǎn)T測量，計算小口徑相機(jī)輻射定標(biāo)系數(shù)。

令為小口徑紅外系統(tǒng)的響應(yīng)度，則其對面源黑體定標(biāo)測量計算公式為：

(T)＋

這里小口徑相機(jī)接收的面源黑體輻亮度(T)為：

式中：()為小口徑相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù)；1為第一輻射常數(shù)；2為第二輻射常數(shù)。

2）用小口徑紅外系統(tǒng)（與紅外輻射測量系統(tǒng)波段相同）依次對平行光管在2個以上溫度點(diǎn)T測量，計算小口徑相機(jī)輻射定標(biāo)系數(shù)。

小口徑紅外系統(tǒng)對平行光管定標(biāo)測量計算公式為：

式中：g為平行光管幅亮度。

根據(jù)小口徑相機(jī)對平管、面源黑體多個溫度的測量結(jié)果，以最小二乘法求解得到平管子系統(tǒng)各個波段的透過率g。

2.4 像素輻照度、入瞳輻照度和像素入瞳輻照度

像素輻照度定義為：

進(jìn)入到單個像素的能量對應(yīng)的入瞳輻照度為：

2.5 小面元平行光管實(shí)驗(yàn)

考慮大氣對紅外能量的吸收，目前紅外輻射測量往往在3個波段進(jìn)行測量：短波1～3mm，中波3～5mm，長波8～12mm。紅外測量設(shè)備本身吸收部分紅外能量，吸收特性由光譜響應(yīng)()表示，其往往由衰減片檔位確定。因此探測器接受的亮度為：

式中：(,)表示溫度為的黑體在波長處發(fā)射的亮度。

由于飛行器在再入段發(fā)出強(qiáng)烈的能量，因此紅外輻射測量設(shè)備往往會設(shè)置多檔位的積分時間和衰減片。當(dāng)紅外測量設(shè)備波段1～2、積分時間、衰減片檔位設(shè)定后，利用紅外測量系統(tǒng)（短波、中波、長波）對黑體經(jīng)過平行光管出射的能量進(jìn)行測量，調(diào)整黑體溫度T，＝1,…,，建立輻射輸入與像素灰度G的關(guān)系：

假設(shè)某臺紅外輻射測量設(shè)備可測量3個波段的紅外圖像，積分時間有5檔，衰減片有3檔，因此共有3×5×3＝45種組合，￥、￥也有45組。

2.6 標(biāo)定參數(shù)B￥物理含義分析

根據(jù)式(7)、￥的含義是：在外場的條件下，黑體為絕對零點(diǎn)時，探測器產(chǎn)生的灰度輸出，包括2部分：①紅外系統(tǒng)沒有任何能量進(jìn)入時紅外系統(tǒng)的輸出灰度；②平行光管標(biāo)定時，光學(xué)系統(tǒng)的熱輻射能量opt和平行光管的雜散輻射能量g進(jìn)入探測器產(chǎn)生的輸出。

3 直接擴(kuò)展源標(biāo)定方式

用大面元黑體覆蓋在紅外設(shè)備入瞳上，探測器直接測量黑體發(fā)射的能量，可不考慮平行光管標(biāo)定和小面元近距離標(biāo)定引入的雜散輻射等不可控因素，見圖5。然而大面元黑體的制作比較困難，面元溫度一致性和高發(fā)射率難以完成。

入射到探測器上某一像素的能量由入瞳上所有點(diǎn)出射某一方向上能量的集合，不考慮紅外測量設(shè)備的損失，像素接受輻射能量的亮度為黑體的輻射亮度，為dBo/2。

圖5 直接擴(kuò)展源標(biāo)定原理示意圖

黑體中心與紅外輻射測量設(shè)備主光軸對齊，設(shè)置測量波段、積分時間、衰減片檔位后，調(diào)整黑體溫度，記錄測量圖像，建立黑體幅亮度和系統(tǒng)響應(yīng)（灰度）的對應(yīng)關(guān)系：

式(8)中系統(tǒng)響應(yīng)度與平行光管標(biāo)定系統(tǒng)響應(yīng)度相同，但是系統(tǒng)底灰度0只包括和紅外系統(tǒng)熱輻射產(chǎn)生的能量。

4 黑體近距離成像標(biāo)定

對于沒有平行光管的紅外輻射測量設(shè)備，可采用黑體近距離成像標(biāo)定方法，這時不考慮大氣對黑體輻射能量的衰減。小面元黑體放置在距離紅外輻射測量設(shè)備處（一般為十幾米至幾十米，見圖6），調(diào)整和焦距f使得黑體在探測器上清晰成像，且至少充滿1個像素。根據(jù)成像關(guān)系，近距離黑體成像時探測器像面與焦平面不在同一個位置，探測器的接收立體角不為常數(shù)，而與黑體與望遠(yuǎn)鏡的距離有關(guān)，f＝＋。近距離標(biāo)定時中心像素接收的能量為：

黑體中心與紅外輻射測量設(shè)備主光軸對齊，設(shè)置測量波段、積分時間、衰減片檔位后，調(diào)整黑體溫度，記錄測量圖像，建立黑體幅亮度和系統(tǒng)響應(yīng)（灰度）的對應(yīng)關(guān)系：

4.1 標(biāo)定參數(shù)BR物理含義分析

根據(jù)式(10)、B包括2部分：①紅外系統(tǒng)沒有任何能量進(jìn)入時紅外系統(tǒng)的輸出灰度；②近距離標(biāo)定時，光學(xué)系統(tǒng)的熱輻射能量、地面熱輻射和大氣程輻射進(jìn)入探測器產(chǎn)生的輸出。因此B受外場影響很大，若外場的條件發(fā)生變化，外場測量的B也是不同的。圖7給出了某設(shè)備白天/夜間中波標(biāo)定結(jié)果。很明顯，白天標(biāo)定與夜間標(biāo)定灰度數(shù)據(jù)相比，B值有一個提升。

4.2 K￥和KR的關(guān)系

對于相同的測量波段、積分時間、衰減片檔位，相同的系統(tǒng)狀態(tài)（、相同），近距離標(biāo)定和平行光管標(biāo)定的系統(tǒng)響應(yīng)度存在如下關(guān)系：

由于f＞，故￥＞K。

同一黑體設(shè)置相同的溫度進(jìn)行兩種標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，平行光管實(shí)驗(yàn)測得的灰度為￥，近距離成像測得灰度為G：

5 中距離紅外輻射測量實(shí)驗(yàn)

將黑體設(shè)置在距離設(shè)備幾公里處，調(diào)整黑體的溫度，用紅外輻射測量設(shè)備對其進(jìn)行測量。用設(shè)備提供的大氣透過率軟件計算大氣透過率，對測量目標(biāo)進(jìn)行反演，進(jìn)而對標(biāo)定方法、數(shù)據(jù)處理方法、大氣透過率計算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

在穩(wěn)定的環(huán)境中，黑體與紅外系統(tǒng)的距離為，黑體清晰成像時紅外系統(tǒng)的焦距為d，設(shè)定多個溫度點(diǎn)T，紅外系統(tǒng)測量得到灰度G：

這里為黑體與紅外系統(tǒng)之間大氣的透過率。(14)式可以轉(zhuǎn)化為：

5.1 Bd值分析

紅外系統(tǒng)與黑體相距為，其間的大氣會輻射能量，因此值不但包括相機(jī)固有的紅外輻射和還應(yīng)包括大氣的程輻射和地面熱輻射及反射太陽能量。

5.2 驗(yàn)證大氣透過率計算精度

圖6 小面源黑體近距離標(biāo)定原理示意圖

圖7 白天、夜晚兩次標(biāo)定的中波輻射出射度與灰度關(guān)系曲線

5.3 驗(yàn)證紅外數(shù)據(jù)反演方法

6 飛行器亮度反演

熱特征是識別真假彈頭的重要信息。通過目標(biāo)紅外輻射參數(shù)的測量，根據(jù)黑體輻射定律，可以獲得目標(biāo)的溫度特征、平均溫度變化率、譜分布特征、發(fā)射率-面積之積、姿態(tài)運(yùn)動特征、輻射強(qiáng)度方向圖等重要特征。

6.1 飛行試驗(yàn)時探測器像元接收能量

像素灰度為：

所以飛行器的波段幅亮度為：

飛行試驗(yàn)時，紅外輻射測量設(shè)備鏡筒瞄準(zhǔn)天空，fly值由光學(xué)系統(tǒng)的熱輻射、固有灰度、飛行器與相機(jī)之間的大氣輻射、飛行器反射太陽輻射能量產(chǎn)生。

6.2 大氣透過率

從飛行器來的輻射功率在到達(dá)紅外傳感器前，會被大氣中某些氣體有選擇地吸收，大氣中懸浮微粒能使光線散射，吸收、散射雖然機(jī)理不同，其作用結(jié)果均使輻射功率在傳輸過程中發(fā)生了衰減。大氣的衰減包括大氣分子的衰減（吸收和散射）、氣溶膠的衰減（吸收和散射）。吸收系數(shù)、散射系數(shù)均隨波長、路徑和大氣環(huán)境變化而變化。

根據(jù)Beer定律，單色距離大氣透過率可表示為：

為大氣組分的消光系數(shù)，主要包括：

ext＝a＋m＋m(21)

式中：a、m、m分別為氣溶膠粒子消光系數(shù)、大氣分子散射系數(shù)和吸收系數(shù)。

白天用多波段太陽輻射計測量可見光到近紅外多波段的大氣光譜透過率，其中1～2個波段可用來遙測整層大氣水汽總含量；夜晚用激光雷達(dá)測量大氣氣溶膠光學(xué)厚度和大氣能見度。用自動氣象站測量地表大氣溫度、濕度、氣壓，以及風(fēng)速、風(fēng)向。根據(jù)建立的當(dāng)?shù)卮髿鈪?shù)數(shù)據(jù)庫和這些實(shí)時測量數(shù)據(jù)可以根據(jù)大氣透過率計算軟件（LowTran、ModTran、Cart）計算單色大氣透過率a()。

根據(jù)(18)式：

6.3 背景灰度的物理含義

飛行試驗(yàn)測量得到的紅外圖像，目標(biāo)占據(jù)較少的區(qū)域，目標(biāo)周圍的區(qū)域稱為背景區(qū)域，背景區(qū)域的灰度b是由于光學(xué)系統(tǒng)的熱輻射、固有灰度、整個大氣層紅外輻射產(chǎn)生。

對于晚上執(zhí)行的試驗(yàn)，沒有反射的太陽輻射，可認(rèn)為fly是背景灰度。特別當(dāng)飛行器的高程較高，由于外層大氣很稀薄且溫度低，目標(biāo)與紅外系統(tǒng)之間的大氣輻射近似等于整個大氣層輻射。因此式(19)轉(zhuǎn)化為：

6.4 亮度反演

7 結(jié)論

本文研究了間接擴(kuò)展源標(biāo)定方法、直接擴(kuò)展源標(biāo)定方法、小面元黑體近距離成像標(biāo)定方法的能量傳遞過程和標(biāo)定試驗(yàn)過程，分析了3種標(biāo)定方法得到的系統(tǒng)響應(yīng)度和系統(tǒng)底灰度的物理含義。最后又研究了飛行器的亮度反演方法，討論了波段內(nèi)大氣透過率的等效算法，為外場紅外輻射數(shù)據(jù)處理奠定了基礎(chǔ)。

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Outdoor Calibration System of Infrared Device and Method of Computing Luminance of Aircraft

LU Xiao-fei，SHENG Jie，ZHAO Hui

（,732750,）

For outdoor infrared device, the calibration process establishes the relationship between input energy and output gray. This paper constructs the outdoor calibration system of infrared device, analyzes the energy transporting process of calibration by collimator, calibration by near blackbody, calibration by overlap blackbody, and demonstrates the process of calibration. By analyzing the physical meaning of calibration parameters, this paper points out the same aspects and different aspects of system response，based on which the method of computing luminance of aircraft is proposed. Also this paper proposes the method of measuring blackbody with middle range, which can be applied to validate the atmospheric transmittance and method of calibration.

outdoor calibration，collimator，small surface blackbody，luminance，atmospheric transmittance

TN216

A

1001-8891(2015)02-0154-07

2014-03-04；

2014-10-01.

祿曉飛（1981-），男，工程師，博士，主要從事紅外物理研究。E-mail：Luxf08@163.com。