孫志遠(yuǎn)，王 旻，常松濤，2

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

環(huán)境溫度對(duì)紅外輻射測(cè)量精度的影響及修正

孫志遠(yuǎn)1，王 旻1，常松濤1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為了提高靶場(chǎng)紅外系統(tǒng)的輻射特性測(cè)量精度，找出外場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響并進(jìn)行相應(yīng)地修正。首先，建立了紅外系統(tǒng)輻射定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，模型中包含雜散輻射噪聲影響和內(nèi)部暗電流噪聲的影響。接著，通過在高、低溫箱內(nèi)進(jìn)行輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，找出環(huán)境溫度變化對(duì)輻射定標(biāo)模型中各參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán)境溫度改變引起的雜散輻射變化對(duì)輻射特性測(cè)量精度有較大影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度變化時(shí)，雜散輻射引起的探測(cè)器像元灰度輸出變化量近似等于實(shí)測(cè)的全系統(tǒng)像元灰度變化量，最后根據(jù)這一結(jié)論提出一種簡(jiǎn)易的適合外場(chǎng)應(yīng)用的紅外系統(tǒng)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)修正方法，采用這種方法，以70℃黑體為目標(biāo)，在0～50℃的溫度范圍內(nèi)，黑體溫度測(cè)量誤差的均方根由0.8℃降低到0.095℃。在不增加操作難度的同時(shí)，大大地提高了外場(chǎng)紅外輻射特性測(cè)量精度。

輻射測(cè)量;輻射定標(biāo);雜散輻射;外場(chǎng)修正

1 引 言

隨著靶場(chǎng)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，越來越多的地基紅外測(cè)量設(shè)備具備紅外輻射特性測(cè)量功能。為了準(zhǔn)確地完成目標(biāo)的紅外輻射特性測(cè)量，需要對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行精確的輻射定標(biāo)。地基紅外測(cè)量設(shè)備的輻射定標(biāo)通常有兩種方式:實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)及外場(chǎng)定標(biāo)。其中實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定環(huán)境下進(jìn)行的輻射定標(biāo)，標(biāo)定數(shù)據(jù)重復(fù)穩(wěn)定性好;而外場(chǎng)定標(biāo)是指在外場(chǎng)環(huán)境下，目標(biāo)圖像采集前或采集后進(jìn)行的輻射定標(biāo)，外場(chǎng)定標(biāo)數(shù)據(jù)包含了外場(chǎng)環(huán)境影響，但操作過程復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)。通常情況下，外場(chǎng)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)存在較大差異，這種現(xiàn)象形成的原因是由于在外場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行紅外輻射特性測(cè)量時(shí)，紅外系統(tǒng)的溫度變化較大，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)件和結(jié)構(gòu)件的紅外輻射隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生較大變化。在外場(chǎng)環(huán)境下，如果仍然使用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲取的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差［1］。為了保證紅外系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下測(cè)量時(shí)均有較高的測(cè)量精度，可采取的方法主要有溫控法、外場(chǎng)定標(biāo)法和修正法。溫控法即對(duì)紅外系統(tǒng)整機(jī)進(jìn)行溫度控制，使紅外系統(tǒng)保持一個(gè)穩(wěn)定的溫度不變，國(guó)外地基紅外望遠(yuǎn)鏡［2－4］較多地采取這種方法，但是對(duì)于口徑較大的紅外系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)溫控的成本較高且不易實(shí)現(xiàn)［5］。外場(chǎng)定標(biāo)法存在同樣問題，由于口徑較大導(dǎo)致輻射定標(biāo)黑體的外場(chǎng)操作較復(fù)雜。修正法是通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以保證外場(chǎng)輻射特性測(cè)量精度。

本文提出了一種簡(jiǎn)易的適合外場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)修正方法，該方法將紅外系統(tǒng)自帶的鏡頭蓋涂覆高發(fā)射率材料，通過對(duì)不同環(huán)境溫度下鏡頭蓋的紅外圖像進(jìn)行處理來獲取修正參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該修正方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單和修正精度高的特點(diǎn)。

2 輻射定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型

對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行輻射定標(biāo)時(shí)，需要提供覆蓋紅外系統(tǒng)視場(chǎng)的高精度面黑體輻射源，同時(shí)為了減小大氣衰減和程輻射對(duì)輻射定標(biāo)的影響，只有將黑體放置于紅外系統(tǒng)鏡頭前并盡量靠近才能符合要求(當(dāng)系統(tǒng)口徑較大時(shí)，采用黑體加平行光管組合方式)，如圖1所示［6－8］。

圖1 面源黑體輻射定標(biāo)示意圖Fig.1 Sketch of radiation calibration for area blackbody

設(shè)面源黑體的溫度為T，黑體表面的光譜輻射亮度為L(zhǎng)λBB(T)，紅外系統(tǒng)的光譜響應(yīng)函數(shù)為Rλ，紅外系統(tǒng)觀測(cè)到的黑體輻射亮度可以表示為:

其中，Rλ可以通過對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行光譜定標(biāo)獲得，LλBB(T)可以用普朗克公式計(jì)算得到:

式中，ελBB，c1，c2分別為黑體的發(fā)射率、第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)。

在紅外系統(tǒng)線性響應(yīng)范圍內(nèi)，紅外探測(cè)器靶面上像元灰度值可以表示為［9－10］:

式中，hi，j為紅外探測(cè)器靶面上像元(i，j)的響應(yīng)灰度值;τ為積分時(shí)間;Gi，j為像元(i，j)對(duì)紅外輻射亮度的響應(yīng)率;LBB(T)為黑體輻射亮度;hi，jOT為像元(i，j)接收的雜散輻射(包括鏡頭的輻射及結(jié)構(gòu)件的輻射等)引起的探測(cè)器像元灰度輸出，hnoisei，j為探測(cè)器像元(i，j)的暗電流引起的探測(cè)器像元灰度輸出。

定標(biāo)過程如下:黑體放置在紅外系統(tǒng)前充滿系統(tǒng)的視場(chǎng)，設(shè)定不同的黑體工作溫度，并利用公式(1)、(2)計(jì)算黑體輻射亮度LBB(T)。根據(jù)公式(3)，對(duì)獲得的不同積分時(shí)間下的多組(hi，j(T)，LBB(T))進(jìn)行最小二乘線性擬合，即可獲取輻射定標(biāo)參數(shù)Gi，j、hi，jOT以及hi，jnoise。

如果標(biāo)定曲線以黑體輻射亮度LBB(T)為橫軸，以探測(cè)器像元灰度值hi，j為縱軸，根據(jù)公式(3)，標(biāo)定曲線還可以表示為另一種形式:

根據(jù)公式中各參數(shù)的物理意義:當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，反映紅外探測(cè)器自身像元特性的 Gi，j和hi，jnoise變化較小，而與環(huán)境溫度有關(guān)的hi，jOT隨環(huán)境溫度變化會(huì)有相應(yīng)的變化，所以環(huán)境溫度變化對(duì)標(biāo)定曲線的增益影響較小，只影響標(biāo)定曲線的偏置。

3 不同環(huán)境溫度下的輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)使用FLIR制冷型中波紅外探測(cè)器，測(cè)量波段為3.7～4.8μm，探測(cè)器像元大小為15μm，靶面大小為640×512，輸出位數(shù)14位，F(xiàn)/#=2;紅外鏡頭口徑為50 mm，焦距為100mm;輻射定標(biāo)用黑體為CI公司的SR－800型高精度面源黑體，輻射面大小為100 mm×100 mm，溫度精度為0.01℃，工作溫度范圍0～50℃。

(2)若CP(a)＞1,則P?(G)的連通分支個(gè)數(shù)為k(P?(G))=s1(P)-s1(Φ(P))+1.

圖2 不同環(huán)境溫度下輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Figure of radiation calibration at different temperature

將紅外系統(tǒng)和黑體放入高、低溫箱，黑體放置在紅外系統(tǒng)前，充滿紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)，設(shè)置高、低溫箱的溫度范圍0～50℃，以5℃為間隔，在不同環(huán)境溫度下對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行輻射定標(biāo)。同時(shí)使用溫度傳感器(溫度精度為0.1℃)監(jiān)測(cè)高、低溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度，由于高、低溫箱存在溫控誤差，以溫度傳感器顯示的溫度值為內(nèi)部溫度基準(zhǔn)值。

由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦页龈鲄?shù)隨環(huán)境溫度變化規(guī)律，所以沒有對(duì)整個(gè)靶面上的327680個(gè)像元都進(jìn)行處理，只是在靶面上選擇5個(gè)典型的像元(320，256)、(160，256)、(480，256)、(320，128)和(320，384)進(jìn)行處理分析。根據(jù)不同環(huán)境溫度下的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)分別計(jì)算像元對(duì)紅外輻射亮度的響應(yīng)率(Gi，j)、雜散輻射引起的像元灰度輸出(hi，jOT)和像元暗電流引起的灰度輸出(hi，jnoise)，并繪出各變量隨高、低溫箱溫度的變化曲線，如圖3所示。

圖3 Gi，j、hi，jOT和hi，jnoise隨環(huán)境溫度變化情況Fig.3 Relation between G、hOT、hnoisei，ji，ji，j and environmental temperature

從圖3(a)可以看出，雖然各探測(cè)器像元的響應(yīng)率不同，但在0～50℃的溫度范圍，響應(yīng)率的變化小于1%;圖3(b)所示的各像元雜散輻射引起的像元灰度輸出近似相同，但隨著溫度升高而急劇增加;而探測(cè)器像元的暗電流引起的灰度輸出量值很小，如圖3(c)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

如圖4所示為探測(cè)器中心像元(320，256)在0℃、25℃和50℃下的輻射定標(biāo)曲線，從圖中可以看出，環(huán)境溫度變化的影響主要表現(xiàn)為對(duì)輻射定標(biāo)曲線的偏置有較大影響，而對(duì)增益影響很小。

假設(shè)紅外系統(tǒng)在25℃的環(huán)境條件下進(jìn)行輻射定標(biāo)，選取幾個(gè)特征環(huán)境溫度點(diǎn)，計(jì)算環(huán)境溫度變化引起的輻射定標(biāo)曲線的灰度誤差及輻射亮度誤差，如表1所示。

圖4 (320，256)像元在不同環(huán)境溫度下的輻射定標(biāo)曲線Fig.4 Radiation calibration curve of(320，256) at different environmental temperature

表1 環(huán)境溫度變化引起的灰度和亮度誤差Tab.1 Gray and luminance error caused by environmental temperature variety

為了更直觀的表述環(huán)境溫度變化對(duì)輻射定標(biāo)精度的影響，以70℃的黑體為目標(biāo)，計(jì)算表1所述亮度誤差引起的黑體溫度測(cè)量誤差，如表2所示。

表2 環(huán)境溫度變化引起的黑體溫度測(cè)量誤差Tab.2 Temperaturemeasurement error of blackbody at70℃caused by environmental temperature variety

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度與標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度(25℃)偏差越大，測(cè)溫誤差越大。經(jīng)計(jì)算，在0～50℃的溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度變化引起的70℃黑體的溫度測(cè)量均方根誤差為0.8℃。所以當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)，需要對(duì)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)地修正。

4 環(huán)境影響的修正

實(shí)驗(yàn)中，將黑體放置在紅外系統(tǒng)前，充滿紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)，保持黑體在一個(gè)穩(wěn)定的溫度值，在不同的環(huán)境溫度下采集黑體的紅外圖像，對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理即可得到環(huán)境溫度變化引起的灰度值變化量，這里稱為全系統(tǒng)像元灰度變化量。

表3 雜散輻射引起的灰度輸出變化量與實(shí)測(cè)值之間關(guān)系Tab.3 Relationship between gray varieties caused by stray radiation and measurement data

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，雜散輻射引起的像元灰度輸出變化量和實(shí)測(cè)值之間偏差的均方根為13.8，與紅外探測(cè)器暗電流的波動(dòng)在一個(gè)量級(jí)上?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論:環(huán)境溫度變化時(shí)，雜散輻射引起的灰度輸出的變化量近似等于全系統(tǒng)像元灰度變化量。

根據(jù)以上結(jié)論，提出一種簡(jiǎn)易的適合外場(chǎng)應(yīng)用的紅外輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)修正方法，具體操作如下:

1)制備一個(gè)材料樣片，鏡頭蓋表面涂覆退光黑漆，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，涂覆退光黑漆的表面發(fā)射率優(yōu)于0.95，在高、低溫箱內(nèi)使用紅外探測(cè)器對(duì)樣片進(jìn)行定標(biāo)，獲得不同積分時(shí)間條件下樣片表面溫度與像元灰度值之間的關(guān)系曲線Ci，jM(T，τ);

2)在環(huán)境溫度T0下進(jìn)行全口徑、全動(dòng)態(tài)范圍的輻射定標(biāo)，計(jì)算得到紅外系統(tǒng)的像元響應(yīng)率(Gi，j)、雜散輻射引起的像元灰度輸出(hi，jOT)和像元暗電流引起的灰度輸出(hi，jnoise)等參數(shù);

3)在環(huán)境溫度T0下，將設(shè)置溫度傳感器的鏡頭蓋(鏡頭蓋內(nèi)表面涂覆樣片材料)蓋上，采集鏡頭蓋的圖像，像元灰度值為Hi，j(T0，τ0);

4)在外場(chǎng)環(huán)境下，將鏡頭蓋拿下進(jìn)行目標(biāo)的圖像采集;

5)目標(biāo)圖像采集結(jié)束后，此時(shí)環(huán)境溫度變化為T1，再將鏡頭蓋蓋上，在積分時(shí)間為τ0的條件下采集鏡頭蓋的圖像，此時(shí)像元灰度值為Hi，j(T1，τ0);

6)環(huán)境溫度變化修正量為:

修正量分為兩項(xiàng)，第一項(xiàng)為全系統(tǒng)像元灰度值變化量，第二項(xiàng)為鏡頭蓋溫度變化引起的像元灰度值變化量，兩式相減即為雜散輻射引起的灰度輸出變化量。用公式(5)對(duì)公式(3)進(jìn)行修正，得到:

公式(6)即為經(jīng)過環(huán)境影響修正后的外場(chǎng)輻射定標(biāo)模型，使用修正后的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)境溫度T1時(shí)采集的目標(biāo)圖像，就可以近似地消除環(huán)境溫度變化的影響。使用修正后的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)表2重新處理，結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)境溫度變化引起的黑體溫度測(cè)量誤差(修正后)Tab.4 Temperaturemeasurement error of blackbody at70℃ caused by environmental temperature variety(after correcting)

從表4看出，經(jīng)環(huán)境影響修正后，測(cè)量精度得到了較大提高，經(jīng)計(jì)算，在0～50℃的溫度范圍內(nèi)，70℃黑體的溫度測(cè)量均方根誤差由修正前的0.8℃降低為0.095℃。

5 結(jié)論

本文對(duì)通過對(duì)輻射定標(biāo)的理論模型的分析及高、低溫箱內(nèi)的輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，找出了環(huán)境溫度變化引起的雜散輻射變化是影響紅外輻射測(cè)量精度的主要因素，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一種簡(jiǎn)易的適用外場(chǎng)應(yīng)用的紅外系統(tǒng)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)修正方法，該方法通過高發(fā)射率鏡頭蓋對(duì)環(huán)境溫度變化影響進(jìn)行修正，修正后黑體的測(cè)溫誤差由0.8℃降低到0.095℃。該方法在不用進(jìn)行復(fù)雜的外場(chǎng)輻射定標(biāo)，只是通過采集鏡頭蓋的紅外圖像就可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確修正，大大地提高了紅外測(cè)量系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，使紅外系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化較大的情況下，仍然保持較高的測(cè)量精度，對(duì)靶場(chǎng)輻射特性測(cè)量研究具有重要意義。

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Effect and correction of environmental temperature on infrared radiation measurement precision

SUN Zhi-yuan1，WANG Min1，CHANG Song-tao1，2
(1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033; 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049)

In order to enhance the radiation characteristic measurement precision of infrared system，the influence of the complex temperature change at field condition on the measurement precision is found out and corrected correspondingly.Firstly，themodel for infrared radiation calibration is constructed，which includes influences of stray radiation noise and inner dark current，and the effect of temperature variety on the parameters of infrared radiation calibration is found out through the experiment carried in the high/low temperature test chamber.Experimental results show that the stray radiation variety caused by environmental temperature variety is the dominant factor for infrared radiation measurement precision，and at the same experiment，it is found that the gray variety caused by stay radiation is equal to the whole infrared system’s gray variety when the environmental temperature changes，and based on this conclusion，a simplemeans for field infrared calibration data correction is put forward.Adopting thismethod，the blackbody at70℃ ismeasured，the RMS error of blackbody temperaturemeasurement is able to reduce from 0.8℃ to 0.095℃within the temperature range of0～50℃，which enhances themeasurement precision greatly without increasing the operational difficulty.

radiationmeasurement;radiation calibration;stray radiation;outfield correction

TN219

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.010

1001-5078(2014)05-0522-06

孫志遠(yuǎn)(1982－)，男，博士，副研究員，主要從事紅外輻射定標(biāo)，紅外輻射特性測(cè)量等方面的研究。E-mail:15843047922 @163.com

2013-09-16