窗口自發(fā)輻射對(duì)于紅外探測(cè)器系統(tǒng)性能的影響

金 和，任棲鋒，陳 為

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窗口自發(fā)輻射對(duì)于紅外探測(cè)器系統(tǒng)性能的影響

金 和，任棲鋒，陳 為

( 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209 )

針對(duì)窗口自發(fā)輻射對(duì)于紅外探測(cè)器系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，利用ASAP軟件對(duì)紅外探測(cè)器窗口的自發(fā)輻射進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果以在探測(cè)器前方等效黑體輻射的方式呈現(xiàn)，同時(shí)紅外探測(cè)器在不同溫度黑體的輻射下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)的等效黑體輻射。通過(guò)兩種仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，分析了當(dāng)紅外探測(cè)器探測(cè)不同溫度時(shí)，兩種仿真方案與實(shí)際真實(shí)值的誤差，最終確定方案二適于仿真紅外探測(cè)器窗口。方案二同時(shí)也可以為其他透明光學(xué)組件自發(fā)輻射的仿真建模提供參考。

紅外探測(cè)器；自發(fā)輻射；仿真；光學(xué)組件

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，紅外探測(cè)器的性能越來(lái)越高。當(dāng)目標(biāo)信號(hào)很弱時(shí)，紅外探測(cè)器的探測(cè)性能由背景輻射決定時(shí)，我們稱它為背景限探測(cè)，但是在不斷降低背景輻射后，紅外探測(cè)器的性能轉(zhuǎn)而由探測(cè)器系統(tǒng)輻射和電子噪聲決定，就不再是背景限探測(cè)[1]。由于紅外探測(cè)器電子噪聲比較穩(wěn)定，本文中忽略其影響。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體，由于自身原子的熱運(yùn)動(dòng)，會(huì)向外產(chǎn)生熱輻射。探測(cè)器的系統(tǒng)熱輻射就是由于系統(tǒng)組件具有溫度而產(chǎn)生的熱輻射造成的。

通常意義上，紅外探測(cè)器的雜散光來(lái)源于三方面：1) 除目標(biāo)外的光源發(fā)出的光進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)[2-5]；2) 紅外探測(cè)器自身輻射進(jìn)入到探測(cè)器成像面上[6-10]；3) 目標(biāo)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)器件光路不正導(dǎo)致的雜散光[11-12]。由于探測(cè)器窗口自身發(fā)射輻射，同時(shí)因其本身在主光路上，故窗口熱輻射對(duì)探測(cè)器的性能有較大影響。通常，人們通過(guò)降低光學(xué)組件的溫度來(lái)降低其熱輻射，從而提高紅外探測(cè)器的探測(cè)性能。但有時(shí)由于環(huán)境不允許降溫，比如在降溫會(huì)引起水霧的情況下，我們就要考慮光學(xué)組件的自發(fā)輻射對(duì)于紅外探測(cè)器的影響。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種仿真方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而為光學(xué)組件自發(fā)輻射的紅外建模提供參考。

1 原 理

物體由于具有熱運(yùn)動(dòng)而不停地向外輻射能量。理想黑體的發(fā)射率為1，黑體輻射能量最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)隨著物體溫度變化而變化。普朗克輻射定律則給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量為

式中：(,)為黑體的光譜輻射亮度(W·m-2·Sr-1·μm-1)，為輻射波長(zhǎng)(μm)，為黑體絕對(duì)溫度(K)。

除了激光輻射具有很好的方向性以外，一般講，輻射源都不是定向發(fā)射輻射功率的。而且，它們發(fā)射的輻射功率在空間的不同方向上并不一定很均勻，往往有較復(fù)雜的角分布。本文假設(shè)材料的輻射分布遵從朗伯余弦定律，即單位表面積向空間指定方向(如觀測(cè)方向)單位立體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射功率和該指定方向與表面法線夾角的余弦成正比。朗伯源的與的簡(jiǎn)單關(guān)系為=π。

在半透明物體內(nèi)，同時(shí)產(chǎn)生和吸收輻射。在給定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的輻射，當(dāng)發(fā)射出去之前必向表面?zhèn)鞑?。在傳播過(guò)程中按吸收定律衰減。在體內(nèi)產(chǎn)生并向表面?zhèn)鞑サ囊徊糠州椛?，從表面?nèi)側(cè)被重新反射回到體內(nèi)。這部分反射回去的輻射，在未穿過(guò)表面逸出或被材料內(nèi)部吸收之前，必然在材料兩表面間往返貫穿多次。

圖1所示的具有平坦平行表面的半透明板內(nèi)，設(shè)單位面積和d厚的材料層產(chǎn)生的光譜輻射功率為p()d，這個(gè)輻射向4π方向發(fā)射，在軸線垂直于表面的小立體角d內(nèi)通過(guò)的光譜輻射功率是。如果假想的材料層處于表面之下的深度處，則向表面?zhèn)鞑ブ校竭_(dá)表面內(nèi)側(cè)的部分輻射會(huì)被吸收，由于實(shí)驗(yàn)中材料的透明度高，吸收只占極小部分，所以本文忽略不計(jì)。把該材料層到達(dá)表面內(nèi)側(cè)的光譜輻射功率從=0到=積分，則得到從厚度為的半透明板內(nèi)各層向表面?zhèn)鞑ゲ⒌竭_(dá)表面內(nèi)側(cè)的總光譜輻射功率。

仿真半透明介質(zhì)材料時(shí)，最佳的方法是采用取無(wú)限多的d材料層進(jìn)行仿真。但由于計(jì)算機(jī)性能有限，故不能取太多的d材料層。本文采取兩種方案，方案一就是把窗口當(dāng)一個(gè)整體，前端面代表朝前的輻射，后端面代表朝后的輻射。方案二是把窗口細(xì)分為兩層，每層薄到一個(gè)表面，該表面能雙向輻射。從仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差來(lái)說(shuō)明仿真方案是否達(dá)到工程實(shí)踐的要求。

2 仿 真

使用ASAP對(duì)窗口的自身輻射進(jìn)行仿真。將面光源設(shè)置到窗口的端面上，仿真窗口自身產(chǎn)生的熱輻射傳播到紅外探測(cè)器接收面的能量變化。建立的模型如圖2所示，窗口為直徑16 mm，厚1 mm的圓柱體，窗口的折射率為3.4。濾波片為直徑14.5 mm，厚0.3 mm的圓柱體，折射率為4。探測(cè)器表面面積為3.84 mm′4.8 mm，探測(cè)波段為3.7 μm ~4.8 μm。

我們知道“透射率+反射率+吸收率=1”。由于在窗口表面鍍了增透減反膜，故忽略反射造成的影響。

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到窗口的透射率為0.98。由于窗口前后對(duì)稱，故窗口單面的透射率為=0.989。窗口的單面吸收率為1-0.989=0.011。我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種仿真方案。

2.1 仿真方案一

因?yàn)榇翱谳椛渥罱K只能通過(guò)窗口的前端和后端出射，所以在仿真中我們只是簡(jiǎn)單地將窗口的自身輻射全部集中在窗口的前端和后端，窗口的前端只是向前發(fā)射輻射，窗口的后端只是向后發(fā)射輻射。窗口將吸收的能量用于產(chǎn)生自發(fā)輻射，默認(rèn)窗口的發(fā)射率等于吸收率。由于窗口等同地向前后端輻射，故后端窗口的發(fā)射率為0.011。我們將面光源設(shè)置在窗口后端面上，初始光束數(shù)量設(shè)置為一百萬(wàn)根，設(shè)置光通量為1 W，通過(guò)ASAP軟件的光束追跡，可以得到到達(dá)探測(cè)器表面上的光通量為0.205 6′10-1W。ASAP在使用仿真表面發(fā)光體時(shí)，所有的光線具有相同的光通量，但是光線密度是根據(jù)該光線與發(fā)射表面垂直的角度而調(diào)整。圖3是光束在探測(cè)器表面上的分布圖，從圖中我們可以看到，窗口的自發(fā)輻射在探測(cè)器的表面上均勻分布，圖4是經(jīng)過(guò)光通量加權(quán)后的光線分布圖，窗口的自發(fā)輻射在探測(cè)器表面上光通量也是均勻分布，即在探測(cè)器所成的圖像上只是加了一個(gè)均勻的背景，不造成像差。

2.2 仿真方案二

在仿真中我們同時(shí)考慮了窗口前后端面每個(gè)面向前向后同時(shí)發(fā)射輻射。

首先我們分析了窗口前端向后發(fā)射輻射的情況。窗口前端向4π方向發(fā)射輻射，其中向后的輻射為總輻射量的二分之一，故向后的發(fā)射率為0.011/2=0.005 5。當(dāng)將光束數(shù)量設(shè)置為一百萬(wàn)根時(shí)，能夠到達(dá)探測(cè)器表面上的光束只有1 705條，這顯然不能滿足需求。眾所周知，當(dāng)光束的數(shù)量越多時(shí)，跟蹤結(jié)果越精確，但花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間相應(yīng)地增加，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求也越高。由于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，不能仿真過(guò)多的光束，所以將光束設(shè)置為一千萬(wàn)根時(shí)，到達(dá)探測(cè)器表面上的光束多于一萬(wàn)條，光通量為0.1764′10-3W，從圖5、6可得，窗口前端自身輻射發(fā)出的光雖然會(huì)受到折射的影響，但是在探測(cè)器表面上的分布依然是均勻的，即不影響成像。窗口后端的仿真我們沿用方案一的結(jié)果，只是把窗口后端的發(fā)射率重新設(shè)為0.011/2=0.005 5。

2.3 對(duì)比

方案一和方案二的仿真方式的差異均不會(huì)對(duì)探測(cè)器的成像分布產(chǎn)生影響，這與實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況相同。通過(guò)黑體輻射公式計(jì)算得，300 K黑體輻射的出射度為10.749 7 W?m-2。方案一中300 K窗口在探測(cè)器上的輻射功率為

通過(guò)在窗口前方320 mm處設(shè)置半徑為140 mm的面黑體，將窗口的輻射等效到黑體上。當(dāng)黑體溫度為210.9 K(輻射出射度為0.109 4 W?m-2)時(shí)，其在探測(cè)器表面上產(chǎn)生的輻射功率(在不考慮窗口的自發(fā)輻射時(shí))，和通過(guò)方案一仿真得到的300 K窗口的自發(fā)輻射產(chǎn)生的結(jié)果相同。方案二得到的結(jié)果相當(dāng)于202.5 K的黑體(輻射出射度為0.059 4 W?m-2)。故窗口的自身輻射會(huì)對(duì)探測(cè)器探測(cè)低溫目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生誤差影響。目標(biāo)的溫度越低，窗口產(chǎn)生的影響越大。當(dāng)目標(biāo)溫度低于248.1 K的時(shí)候，方案一仿真的窗口對(duì)于目標(biāo)溫度的測(cè)量影響大于10%，當(dāng)黑體溫度低于237.5 K的時(shí)候，方案二仿真的窗口對(duì)于黑體溫度的影響大于10%。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將探測(cè)器放入真空艙內(nèi)，在探測(cè)器的前方320 mm處設(shè)置有直徑280 mm的類黑體，黑體的溫度與低溫艙的冷頭溫度保持一致。在抽真空并制冷到166 K后停止制冷，通過(guò)加熱裝置使黑體溫度升高。實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)從180 K到300 K，每隔5 K取一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)溫度點(diǎn)的積分時(shí)間分別為500 ms、1 000 ms、1 500 ms、2 000 ms，每次連續(xù)存100幀圖像。溫度與探測(cè)器總灰度的關(guān)系如圖7所示。將溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探測(cè)面上的輻射照度計(jì)算出來(lái)，并繪制探測(cè)器總灰度與輻射照度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖如圖8(a)所示。

圖8(a)中的每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系式為=500 ms，=147.27+472 562，2=0.977 3；=1 000 ms，=402.82+471 743，2=0.989 2；=1 500 ms，=667.44+473 124，2=0.996 7；=2 000 ms，=932.15+475 886，2=0.998 1。

從圖中可以看出，探測(cè)器的總灰度值與輻射照度成線性關(guān)系，2值均在0.97以上，最好的擬合為0.9991。圖8的各條直線的截距灰度值大致在470 000左右，所以我們?cè)僦匦氯?70 000附近的點(diǎn)，擬合圖如圖8(b)。

圖8(b)中的每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系式為

=500 ms,=120.15+474 254，2=0.998 1；=1 000 ms,=257.45+476 197，2=0.999 2；=1 500 ms,=424.57+478 359，2=0.999 3；=2 000 ms,=640.24+480 523，2=0.999 8。

可以看到2值整體上提升至0.99以上，擬合得到的各條直線截距處灰度，為窗口自發(fā)輻射在探測(cè)面上的總灰度響應(yīng)，與黑體溫度200 K時(shí)探測(cè)器的總灰度響應(yīng)相同，即當(dāng)黑體溫度低于200 K時(shí)，窗口自發(fā)輻射占主要影響，和仿真方案二結(jié)果吻合。

4 結(jié) 論

對(duì)于仿真探測(cè)器窗口來(lái)說(shuō)，仿真方案二比方案一更準(zhǔn)確，且方案二的誤差在可接受范圍內(nèi)。但方案二中由窗口前端輻射出來(lái)的光束，從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)，79%的光束發(fā)生了全反射，即使不發(fā)生全反射，但還是會(huì)增大出射角，從而使到達(dá)探測(cè)器的光束數(shù)量明顯減少，當(dāng)研究遠(yuǎn)距離窗口自發(fā)輻射對(duì)探測(cè)器成像產(chǎn)生的影響時(shí)，會(huì)造成光束數(shù)量不足而導(dǎo)致誤差。本文也為其他透明光學(xué)組件自發(fā)輻射的建模提供了參考。

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The Influence of Spontaneous Emission of Window on the Performance of Infrared Detector System

JIN He，REN Qifeng，CHEN Wei

( Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China )

For studying the effect of spontaneous emission of window on the performance of infrared detector system, we used ASAP software to simulate the spontaneous radiation of infrared detector window. The simulation results were presented in the way of equivalent black body radiation in front of the detector, and infrared detector under different temperature of black body radiation experiments were conducted to get real equivalent blackbody radiation. Through the comparison of two kinds of simulation results with experimental results, the error of the two kinds of simulation methods and the actual value were analyzed when the infrared detector detected different temperature. Finally, scheme two was suitable for the simulation of infrared detector window. Scheme two could also provide reference for the simulation modeling of other transparent optical components.

infrared detector; spontaneous emission; simulation; optical components

1003-501X(2016)08-0084-05

TN215

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.014

2015-11-27；

2016-01-26

國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目

金和(1991-)，男(漢族)，浙江樂(lè)清人。碩士研究生，主要從事低溫紅外方面的研究。E-mail: 1073457231@qq.com。