一種提高紅外輻射測量系統(tǒng)動態(tài)范圍的方法

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(biāo)特性，對目標(biāo)進(jìn)行識別的重要手段之一[1]。對目標(biāo)進(jìn)行紅外輻射特性測量可以獲得可見光難以獲得的目標(biāo)信息，如目標(biāo)亮度、輻射強(qiáng)度及溫度等信息，從而對目標(biāo)進(jìn)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(biāo)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(yīng)用的諸多領(lǐng)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(qiáng)，輸出圖像的質(zhì)量就越好，圖像細(xì)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(biāo)信息，就能夠測量越高的目標(biāo)輻射溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，目前各類新式飛行目標(biāo)的飛行速度趨于越來越快，目標(biāo)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(yīng)對各種類型的被測目標(biāo)，獲得被測目標(biāo)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(dǎo)，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(xué)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法切實(shí)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(biāo)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(biāo)輻射出射度的關(guān)系

目標(biāo)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(yīng)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(zhǔn)到具體意義單位的像素值，是對接收到的輻射進(jìn)行量化的一個數(shù)值，大小與量化的深度有關(guān)。

紅外焦平面陣列其每個像素在線性響應(yīng)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(guān)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(yīng)偏置，R 為整個波段響應(yīng)范圍內(nèi)的平均響應(yīng)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(biāo)的輻射出射度無關(guān)。

由于紅外輻射特性測量系統(tǒng)工作于線性響應(yīng)區(qū)域，所以其平均響應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)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(shè)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(guān)。

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(yīng)數(shù)據(jù)即可求解公式（5）中的三個未知量R、Bout、Bin，實(shí)驗(yàn)過程中可以使用最小二乘法對多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終獲取系統(tǒng)的標(biāo)定方程。

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

1.3 系統(tǒng)動態(tài)范圍與積分時間的關(guān)系

在實(shí)際求取系統(tǒng)動態(tài)范圍DR 的過程中，由于公式（5）的關(guān)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(shè)Gmax滿足：

為了保證測量信號的可信性，信號的信噪比應(yīng)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(guān)系

若紅外輻射特性測量系統(tǒng)中，設(shè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了驗(yàn)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(xué)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(shè)計進(jìn)行一系列的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在該系統(tǒng)的光路中設(shè)計有100%，20%，5%和2%四檔中性衰減濾光片，光學(xué)衰減機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示。光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。實(shí)驗(yàn)中用來定標(biāo)的黑體的技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

圖1 光學(xué)衰減機(jī)構(gòu)示意圖

表1 光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

表2 黑體的技術(shù)參數(shù)

2.2 提高動態(tài)范圍驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)時，黑體定標(biāo)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(xué)衰減片的情況下，將系統(tǒng)的積分時間分別設(shè)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(biāo)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(xué)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(dá)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(dá)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(dá)到飽和時的測量溫度為300℃?？梢则?yàn)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(biāo)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(xué)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(dá)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(dá)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(dá)到飽和時的測量溫度為590℃。結(jié)合圖2（a）和圖2（b），可以驗(yàn)證得到，隨著光學(xué)衰減片衰減倍率的增加，可以進(jìn)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(biāo)定方程

系統(tǒng)選用不同透過率的光學(xué)衰減片和不同的積分時間可以導(dǎo)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(shí)驗(yàn)獲得的多組數(shù)進(jìn)行擬合，從而得到系統(tǒng)不同的動態(tài)范圍下的標(biāo)定方程如表3 所示。

表3 的標(biāo)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(biāo)定方程可反演計算出與輻射溫度T 相對應(yīng)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(biāo)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(biāo)定方程的斜率存在直接關(guān)系，斜率越小，系統(tǒng)的動態(tài)范圍越大。因此，可以驗(yàn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)對各種不同類型的被測目標(biāo)的跟蹤測量、獲得被測目標(biāo)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。