目標(biāo)輻射特性現(xiàn)場校準(zhǔn)用大面積黑體輻射源技術(shù)研究

李 超，張玉國，劉保煒，曹 靜，郭亞玭，王加朋

（1.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院，陜西 華陰 714200；2.北京振興計(jì)量測試研究所，北京 100074；3.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引言

隨著紅外成像和紅外探測技術(shù)的發(fā)展，其在空間探測、對地觀測、安防監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣[1-2]。目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù)是紅外成像和紅外探測系統(tǒng)的重要保障數(shù)據(jù)，因此，目標(biāo)紅外輻射特性測量成為國內(nèi)外重要的研究方向，是獲取目標(biāo)特征、對目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的重要手段之一，可為目標(biāo)識(shí)別、跟蹤提供重要的特征信息。目標(biāo)紅外輻射特性包括目標(biāo)輻射亮度、輻射強(qiáng)度及輻射溫度等重要參數(shù)，可為紅外成像及探測設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化、探測能力分析、性能評估、驗(yàn)證試驗(yàn)等提供依據(jù)[3-5]。

在外場目標(biāo)輻射特性測量中，影響目標(biāo)特性測量準(zhǔn)確度的因素有背景輻射、大氣溫度、大氣透過率等，這些因素比較復(fù)雜，不同地區(qū)或同一地區(qū)不同時(shí)間，其值處于不斷的變化中，精確測量比較困難。因此，為了保證測量準(zhǔn)確性，必須利用大面積黑體輻射源對目標(biāo)特性測量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場輻射參數(shù)校準(zhǔn)[6-7]。

本文設(shè)計(jì)了一種大面積黑體輻射源，可在外場實(shí)際環(huán)境下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特性測量設(shè)備輻射參數(shù)的校準(zhǔn)，經(jīng)初步試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大面積黑體輻射源的功能是提供標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射源，在外場可對紅外目標(biāo)特性測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，主要包括輻射體、加熱分系統(tǒng)、溫度測量及控制分系統(tǒng)等，其中加熱分系統(tǒng)包括加熱片、保溫層、風(fēng)扇、把手等，溫度測量及控制分系統(tǒng)包括溫度傳感器、溫控器、航插、柴油發(fā)電機(jī)等，保證在外場可靠工作，其構(gòu)成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

輻射體采用鋁材質(zhì)并發(fā)黑處理，在輻射面背后貼加熱膜，可為輻射面提供加熱源，控溫儀擬采用PID 控制器，可在現(xiàn)場直接操作或通過RS485 串口遠(yuǎn)程通信，對黑體輻射源進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和控制。

大面積黑體輻射源溫度控制采用PID 控制算法，其工作原理如圖2 所示。高溫黑體中的傳感器將黑體的溫度值實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇ID 控制器中，PID 控制器將黑體的實(shí)測溫度與設(shè)定溫度做差值運(yùn)算，溫度控制器對該值做PID 運(yùn)算，得到一個(gè)輸出控制信號(hào)，此控制信號(hào)控制加熱驅(qū)動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)部件根據(jù)控制量的大小，輸出直流電壓，從而驅(qū)動(dòng)加熱器工作。由于黑體工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，在室外環(huán)境可通過自然輻射持續(xù)降溫，相當(dāng)于黑體輻射源有一個(gè)制冷功率。因此，通過調(diào)節(jié)黑體的加熱功率即可構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，使黑體穩(wěn)定在設(shè)定的溫度點(diǎn)。

圖2 大面積黑體輻射源控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of large area blackbody radiation source control

2 分系統(tǒng)組成

2.1 輻射體分系統(tǒng)

為了滿足黑體均勻性、加熱效率和便攜性的要求，輻射板選擇熱傳導(dǎo)率較高的材料，通過對重量、熱平衡和剛性的綜合考慮，選用輻射板厚度約10 mm，有效輻射面約1 000 mm×1 000 mm，輻射板的組成結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 輻射板結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of radiant panel

輻射板下加熱片分為7 個(gè)區(qū)域，在每個(gè)加熱區(qū)安裝多個(gè)傳感器以便進(jìn)行溫度控制，保障整個(gè)輻射面的溫度均勻性。為提高輻射板發(fā)射率，輻射板表面進(jìn)行粗糙化處理后噴涂高發(fā)射率涂層[8-10]，發(fā)射率可達(dá)到0.98，為進(jìn)一步提高輻射面溫度均勻性和外場適應(yīng)性，在輻射板四周設(shè)計(jì)絕熱層。

2.2 加熱分系統(tǒng)

熱控系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，是黑體輻射源的重要部件，通過合理選擇加熱功率分布可以有效提高黑體輻射源的均勻性和控制穩(wěn)定性。加熱區(qū)域與輻射板分區(qū)對應(yīng)，分為7 個(gè)區(qū)域，對每個(gè)區(qū)域的熱工作情況進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)其功率密度不同，熱工作狀態(tài)仿真圖如圖4 所示。

圖4 熱工作仿真圖Fig.4 Simulated diagram of thermal working

加熱片為多層結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖5 所示。加熱片上下層均為絕緣層和勻熱層，可防止低溫脆化損壞造成輻射板短路。

圖5 加熱片剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sectional structure diagram of heating plate

2.3 溫度測量及控制分系統(tǒng)

溫度測量選用Pt100 高低溫傳感器，并通過計(jì)量保證其測量精度，在安裝時(shí)確保與輻射板接觸良好，保證測量準(zhǔn)確性。大面積黑體輻射源輻射面積大、均勻性高，并且需要在外場工作，存在風(fēng)力、太陽輻照、溫度、濕度等多種變化的干擾因素。此外，為了實(shí)現(xiàn)均勻加熱，采用的是分區(qū)加熱，由7 個(gè)加熱區(qū)域組成，屬于多輸入多輸出系統(tǒng)，各加熱區(qū)之間存在耦合，造成控制模型無法確定，控制性能嚴(yán)重下降，因此，本系統(tǒng)屬于非線性、時(shí)變性強(qiáng)的耦合系統(tǒng)，整體控制難度大。

傳統(tǒng)的溫度控制方法解決單一問題是有效的，對對象的傳遞函數(shù)的非線性和時(shí)變性考慮較少，無法滿足本項(xiàng)目溫度控制要求。

大面積黑體輻射源采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多區(qū)域高均勻性溫度協(xié)同控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積黑體輻射源的溫度控制?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，能夠適應(yīng)控制，并實(shí)現(xiàn)多輸入、多輸出間的映射，能彌補(bǔ)經(jīng)典PID 控制方法的缺陷，兩者結(jié)合對于非線性、時(shí)變性系統(tǒng)的工作性能優(yōu)越，具有良好的控制穩(wěn)定性和可靠性。

為了進(jìn)一步提升性能，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，屬于典型的多層前向網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用3 層結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱層、輸出層，如圖6 所示。圖6 中給出BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，即多溫區(qū)控制系統(tǒng)中的單溫區(qū)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層神經(jīng)元為4 個(gè)，分別對應(yīng)某溫區(qū)設(shè)定溫度r，實(shí)際溫度y1，誤差信號(hào)e和相鄰溫區(qū)的實(shí)際溫度y2，引入相鄰溫區(qū)的反饋信號(hào)，并考慮到不同溫區(qū)間的耦合作用，因而作為參考信息，提升控制均勻性。隱層神經(jīng)元為5 個(gè)，對應(yīng)中間過程變量，輸出神經(jīng)元為3 個(gè)，對應(yīng)PID 參數(shù)kp、ki、kd。

圖6 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Structural model of BP neural network

網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為

網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入及輸出為

隱含層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)為正負(fù)對稱的S函數(shù)，即：

網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入輸出為

由于kp、ki、kd不能為負(fù)值，所以輸出層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)為非負(fù)的S函數(shù)，即：

采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多區(qū)域高均勻性溫度協(xié)同控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積可重構(gòu)紅外輻射源的溫度控制?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，能夠適應(yīng)控制，并實(shí)現(xiàn)多輸入、多輸出間的映射，能彌補(bǔ)經(jīng)典PID 控制方法的缺陷，兩者結(jié)合對于非線性、時(shí)變性系統(tǒng)的工作性能具有良好的控制穩(wěn)定性和可靠性。

圖7 為基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器結(jié)構(gòu)，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行PID 控制參數(shù)解算，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性控制?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器為兩分區(qū)溫控系統(tǒng)，將其進(jìn)行擴(kuò)展，考慮將不同溫區(qū)之間的耦合、各類環(huán)境因素的干擾等因素組成任意輸入、任意輸出的溫控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大面積可重構(gòu)紅外輻射源的溫度控制。

圖7 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器Fig.7 Controller based on BP neural network

本文依據(jù)具體的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合基本經(jīng)驗(yàn)采用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器?？刂破鞯妮斎胱兞繛閷?yīng)某溫區(qū)設(shè)定溫度r，實(shí)際溫度y1，誤差信號(hào)e和相鄰溫區(qū)的實(shí)際溫度y2，引入相鄰溫區(qū)的反饋信號(hào)，輸出變量為比例參數(shù)kp、微分參數(shù)kd、積分參數(shù)ki。

PID 參數(shù)的整定必須考慮到不同時(shí)刻3 個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系以及對溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的影響。通過對大面積黑體輻射源的觀測，根據(jù)如下情況確定：

1） 當(dāng)溫度偏差信號(hào) |e|較大時(shí)，選擇較大的kp值，快速消除偏差，加快響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)為了避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)量去掉積分，為避免產(chǎn)生微分飽和選擇較小的kd值。

2） 如果偏差e、偏差變化量e（c）同向，則表示溫控系統(tǒng)的溫度偏差變化方向?yàn)橹饾u增大。若|e|較大，為使e值迅速減小，kp應(yīng)該選擇較大的值，為防止發(fā)生震蕩，ki的值取較小值，kd的值選擇中等可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能；如果 |e|較小，需要改變偏差增大的變化趨勢，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)該選取較大值的ki、較小值kd，為了避免發(fā)生振蕩，選擇中等值的kp；當(dāng) |e|和|e(c)|為中等大小時(shí)說明系統(tǒng)處在跟隨狀態(tài)，kp值可以選小些，ki和kd選取適中，若kp、kd和ki取值太大，則會(huì)增大超調(diào)量。

3） 如果e、e（c）反向，則表示溫控系統(tǒng)的溫度偏差向絕對值減小的方向變化。若 |e|較大，選擇中等的kp值，較小的ki值和中等的kd值，使e值迅速減小；若 |e|較小，此時(shí)可取較小的kp，ki可取較大，kd取較小。

通過上面的討論，結(jié)合kp、kd、ki對系統(tǒng)輸出的影響情況，可以歸納出對應(yīng)的不同e、e（c），對參數(shù)kp、ki、kd不同情況進(jìn)行仿真，圖8～圖13 是控制器的PID 參數(shù)整定曲線。

圖8 溫區(qū)1 的kp 整定曲線Fig.8 kp setting curve of temperature zone 1

圖9 溫區(qū)1 的ki 整定曲線Fig.9 ki setting curve of temperature zone 1

圖10 溫區(qū)1 的kd 整定曲線Fig.10 kd setting curve of temperature zone 1

圖11 溫區(qū)2 的kp 整定曲線Fig.11 kp setting curve of temperature zone 2

圖12 溫區(qū)2 的ki 整定曲線Fig.12 ki setting curve of temperature zone 2

圖13 溫區(qū)2 的kd 整定曲線Fig.13 kd setting curve of temperature zone 2

比例、積分和微分系數(shù)在溫度偏差較大時(shí)變化較劇烈，在偏差減小時(shí)趨于穩(wěn)定。證明該算法具有不錯(cuò)的自適應(yīng)能力和抗干擾特性，伴隨溫度的運(yùn)行狀態(tài)PID 參數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)整。根據(jù)仿真值進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，確定最終各區(qū)的參數(shù)初始值，由算法根據(jù)控制情況計(jì)算參數(shù)值。

對大面積黑體輻射源進(jìn)行性能測試。溫度穩(wěn)定性是指在正常工作狀態(tài)下，大面積黑體輻射源的溫度隨時(shí)間的變化幅度。由于溫度隨時(shí)間隨機(jī)變化，是一個(gè)隨機(jī)過程，溫度穩(wěn)定性的驗(yàn)證方法是在保證測量條件不變，將面源黑體設(shè)置在測試目標(biāo)溫度，待其穩(wěn)定后，每隔5 min 記錄液晶顯示屏顯示的溫度值，記錄50 次。按上述操作步驟重復(fù)測試323 K、373 K 下的溫度穩(wěn)定性，如圖14 和圖15所示。

圖14 目標(biāo)溫度為323 K 時(shí)溫度穩(wěn)定性曲線Fig.14 Temperature stability curve at 323 K

圖15 目標(biāo)溫度為373 K 時(shí)溫度穩(wěn)定性曲線Fig.15 Temperature stability curve at 373 K

由圖14 和圖15 可以看出，目標(biāo)溫度在323 K時(shí)達(dá)到穩(wěn)定后在49.9985 K～50.0010 K 之間波動(dòng)；目標(biāo) 溫度 在373 K時(shí)達(dá)到穩(wěn)定后在99.9980 K～100.0010 K 之間波動(dòng)，穩(wěn)定性均在0.03 K 之內(nèi)。同時(shí)，通過多傳感器的溫度讀數(shù)，判定通過多區(qū)耦合控制，在373 K 設(shè)置溫度條件下，均勻性在0.2 K 之內(nèi)，經(jīng)過標(biāo)定，溫度傳感器測量精度在0.1 K 之內(nèi)。最終大面積黑體輻射源實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)：

1） 發(fā)射率，≥0.98；

2） 穩(wěn)定性，0.03 K；

3） 均勻性，0.2 K；

4） 溫度測量精度，0.1 K。

3 參數(shù)校準(zhǔn)方法

根據(jù)紅外目標(biāo)特性測量設(shè)備采集到的紅外圖像序列、地面定標(biāo)黑體實(shí)時(shí)溫度等數(shù)據(jù)，通過建立的專用數(shù)學(xué)模型，分析得出整個(gè)測量過程中目標(biāo)紅外輻射特性并進(jìn)行校準(zhǔn)。目標(biāo)輻射溫度及輻射亮度初步校準(zhǔn)方案[11-13]如下：

由普朗克定律，黑體光譜輻射亮度為

式中：L(λ,T)為溫度T的黑體輻射源在波長為 λ處的光譜輻射亮度； ε為黑體輻射源的發(fā)射率；c1、c2分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。

由（1）式可得，在 λ1～λ2波段黑體積分輻射亮度為

在同一幀紅外圖像中，靶標(biāo)與地面黑體的灰度值分別為DB和DT,k為比例系數(shù)，與被校系統(tǒng)響應(yīng)度相關(guān)。則靶標(biāo)的輻射亮度為

因此輻射亮度根據(jù)（6）式和（7）式可反演靶標(biāo)輻射溫度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用大面積黑體輻射源在外場對無人機(jī)載紅外目標(biāo)特性測量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)[14-16]，原理圖如圖16 所示。

圖16 無人機(jī)載紅外目標(biāo)特性測量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)示意圖Fig.16 Field calibration diagram of UAV infrared target characteristics measuring equipment

在中波波段對校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 無人機(jī)載紅外目標(biāo)特性測量設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Field calibration verification test data of UAV infrared target characteristics measuring equipment

以大面積黑體輻射源為基準(zhǔn)對外場目標(biāo)進(jìn)行測量，并與地面標(biāo)準(zhǔn)熱像儀測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行不確定度評估[17]。最終評估結(jié)果為：環(huán)境溫度為26.8 ℃，濕度為60%時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，輻射溫度測量不確定度為0.4 ℃（k=2）。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種大面積黑體輻射源，可在外場實(shí)際環(huán)境下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特性測量設(shè)備輻射參數(shù)的校準(zhǔn)，并取得了較好的應(yīng)用效果。將基于此技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)品化、系列化，具有靈活的對外接口及環(huán)境適應(yīng)性，可用于其他領(lǐng)域，如地球測繪、海洋觀測、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境及氣候監(jiān)測、地球資源探測等，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。