胡長德，張海波，王朝暉，王林旭，李子楊，劉婕

（1.航天工程大學(xué) 士官學(xué)校，北京 102200；2.航天工程大學(xué) 職業(yè)教育中心，北京 101416）

引言

直至20 世紀(jì)70 年代中期，反導(dǎo)防御系統(tǒng)一直采用雷達(dá)探測識別目標(biāo)。隨著反雷達(dá)識別技術(shù)不斷提高，采用雷達(dá)從大量干擾物中識別出彈頭變得愈來愈困難。而因為彈頭、彈體、誘餌等目標(biāo)在高速飛行中的溫度變化及其熱輻射有著很大差別[1-3]，運用紅外技術(shù)進行目標(biāo)識別就具有一定優(yōu)勢。在高度深冷空間，輕誘餌由于本身熱容量小，其表面溫度將下降很快，而彈頭的溫度變化卻很小，因此可以利用彼此“冷熱”的不同來區(qū)分真假目標(biāo)。目前，紅外輻射特性測量設(shè)備越來越多地被運用到了導(dǎo)彈突防性能鑒定試驗中。這些設(shè)備的操作維護一般由士官來完成。因此在士官院校的日常教學(xué)訓(xùn)練中，就必須配備紅外輻射特性測量設(shè)備，用以學(xué)習(xí)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)原理，訓(xùn)練相應(yīng)的操作技能。而現(xiàn)在用于武器鑒定試驗的紅外輻射特性測量設(shè)備往往價格昂貴，耗資均在千萬元以上，在士官院校很難實現(xiàn)按需配備。且用于執(zhí)行任務(wù)的紅外輻射特性測量設(shè)備的集成化程度高，操作與任務(wù)結(jié)合緊密，一些核心器件本身的指標(biāo)，如紅外相機的響應(yīng)率、遲滯、重復(fù)性等，無法在現(xiàn)有測量設(shè)備中檢測獲得。而這些指標(biāo)參數(shù)對于學(xué)員更好地學(xué)習(xí)理解設(shè)備組成原理，掌握操作技能，進而獲取更精確的任務(wù)數(shù)據(jù)具有重要作用[4-6]。因此，研制價格相對低廉、具備實踐教學(xué)功能的教學(xué)系統(tǒng)就顯得尤為必要。

本研究提出了一種紅外輻射特性測量教學(xué)系統(tǒng)，采用非制冷普通紅外相機、黑體以及紅外輻射特性測量軟件。該系統(tǒng)價格不到20 萬元/套，僅為實裝設(shè)備售價的百分之一。除了具備實際設(shè)備所具有的輻射特性測量、標(biāo)定及非均勻性校正等操作科目外，所提出的教學(xué)系統(tǒng)還增加了諸如響應(yīng)率、遲滯、重復(fù)性等紅外輻射特性測量系統(tǒng)中紅外相機器件相關(guān)指標(biāo)測試的實踐科目。操作科目總計近20 個，對于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理學(xué)習(xí)大有幫助。

1 紅外輻射特性測量系統(tǒng)的組成

結(jié)合紅外輻射特性測量的設(shè)備任務(wù)及崗位要求，除設(shè)備和崗位的操作測試外，本教學(xué)系統(tǒng)增加了紅外探測器這一核心器件的指標(biāo)探測，同時增加典型材料紅外輻射特性數(shù)據(jù)庫，以幫助進行目標(biāo)分析與識別。

1.1 紅外輻射特性測量系統(tǒng)硬件組成

紅外輻射測量系統(tǒng)的組成如圖1 所示，由非制冷型紅外探測器、光學(xué)鏡頭、黑體和紅外輻射測量軟件組成。該系統(tǒng)可以根據(jù)獲取的紅外圖像數(shù)據(jù)，反演出目標(biāo)的紅外輻射亮度和亮溫。首先由光學(xué)鏡頭收集來自目標(biāo)的紅外輻射，經(jīng)紅外探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)紅外探測器接口電路送至數(shù)字處理板進行處理，然后通過主機顯示并由輻射測量處理軟件完成相應(yīng)處理。具體實物圖見圖2。

圖1 紅外輻射特性測量系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of the infrared radiation characteristic measurement system

圖2 紅外輻射特性測量系統(tǒng)實物圖Fig.2 Photo of the infrared radiation characteristic measurement system

1.2 紅外輻射特性測量系統(tǒng)軟件組成

輻射測量處理軟件由計算機和對測量圖像數(shù)據(jù)進行處理分析的各種軟件組成，具有目標(biāo)輻射功率、輻射強度、輻射出射度、紅外探測器性能等指標(biāo)的測試功能。輻射測量處理軟件均基于Windows 平臺，運用VC 語言編程。在軟件設(shè)計的過程中重點考慮了可重用性和可擴展性?？芍赜眯允侵杆O(shè)計的代碼不作修改或稍加改動就可多次重復(fù)使用；可擴展性是指隨著紅外輻射測量技術(shù)的不斷發(fā)展，其功能可不斷加以完善。

從功能劃分，紅外輻射特性測量系統(tǒng)軟件主要包括輻射測量控制軟件模塊和數(shù)據(jù)綜合處理軟件模塊。輻射測量控制軟件模塊：完成輻射測量系統(tǒng)的各項控制管理功能；提供標(biāo)定過程中所需的軟件支撐；定義紅外輻射標(biāo)定單元的軟件接口；將標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果供其他模塊使用。數(shù)據(jù)綜合處理軟件模塊：精確計算各項輻射測量、反演及材料分析識別結(jié)果，并形成分析報告。

由圖3 可知，系統(tǒng)軟件的工作流程如下：

圖3 紅外輻射特性測量系統(tǒng)軟件邏輯組成框圖Fig.3 Diagram of the infrared radiation characteristic measurement system with interpolation

1）輻射測量控制軟件模塊

輻射測量控制模塊主要包括系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)自檢、定標(biāo)和測量控制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄和回放等功能，并在用戶信息窗口顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)（正?；虍惓＃⒆詸z結(jié)果，以及定標(biāo)和測量控制、數(shù)據(jù)接收等功能模塊的工作信息。

紅外輻射測量數(shù)據(jù)顯示功能主要完成目標(biāo)紅外圖像、溫度分布、波段輻射亮度分布等測量數(shù)據(jù)的處理和分析。實時顯示計算的X軸和Y軸的溫度曲線；實時計算和顯示最高溫度、最低溫度、平均溫度、任意點溫度值及其坐標(biāo)；計算矩形區(qū)域內(nèi)/外溫度的最高值、最低值、平均值；三維方式顯示圖像；放大圖像中任意區(qū)域。紅外探測器指標(biāo)測試包括響應(yīng)率測量、遲滯測量、重復(fù)性測量、非均勻性測量及校正等。

2）數(shù)據(jù)綜合處理軟件模塊

數(shù)據(jù)綜合處理模塊主要對紅外探測器和輻射標(biāo)定采集的圖像和數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、綜合計算分析，反演計算目標(biāo)和背景在當(dāng)時氣象條件下的真實紅外輻射特性（溫度分布、溫度變化率測量），并將結(jié)果信息存儲，建立靶場數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有的材料輻射特性進行目標(biāo)材料的分析識別。

2 紅外輻射特性測量系統(tǒng)標(biāo)定原理

紅外跟蹤與測量分系統(tǒng)的主要功能是對目標(biāo)的紅外輻射量進行測量，因此就需要對系統(tǒng)的輻射響應(yīng)進行精確標(biāo)定[5]。其具體標(biāo)定方法如下：

在實驗室采用均勻輻射圓形孔狀的標(biāo)準(zhǔn)黑體源作為均勻紅外輻射目標(biāo)，該目標(biāo)通過輻射計光學(xué)系統(tǒng)成像在輻射計探測器紅外焦平面上。平行光管是無擋光的離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，其口徑大于輻射計望遠(yuǎn)鏡口徑，黑體孔的像大于紅外焦平面一個單元的面積。標(biāo)定時采用中心點標(biāo)定。

在系統(tǒng)的工作動態(tài)范圍中取一系列不同的黑體輻射溫度作為紅外輻射標(biāo)定點。直接改變黑體輻射溫度，可從被測系統(tǒng)的輻射響應(yīng)信號輸出中得到一系列測量值，該響應(yīng)值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后用灰度級表示。由此可得到被測系統(tǒng)輻射響應(yīng)值同黑體目標(biāo)輻射量的對應(yīng)曲線[7-8]。

根據(jù)普朗克黑體輻射定律，黑體在 λ1～λ2波段中的輻射發(fā)射量為：

式中：C1=3.741 5×10-12W·cm2；C2=1.438 8 cm·K。

對充滿紅外焦平面一個像元的黑體目標(biāo)，入射在該敏感單元上的輻射功率為：

式中：τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率；A0為望遠(yuǎn)鏡通光面積；ω為系統(tǒng)瞬時視場。

輻射計焦平面單元尺寸為 12 μm×12 μm，光學(xué)系統(tǒng)焦距為48.3cm，瞬時視場立體角為ω=4μ2=6.86×10-3Sr。那么黑體在系統(tǒng)入射孔徑上的輻射照度H與黑體輻射發(fā)射量W的關(guān)系為：

定標(biāo)時，將黑體設(shè)定在不同的溫度T，計算出8～14 μm 波段的黑體輻射發(fā)射量W，進一步得到系統(tǒng)入射孔徑上的輻射照度值。當(dāng)系統(tǒng)輸出信噪比為1 時即為系統(tǒng)的噪聲等效輻射照度（即系統(tǒng)的靈敏度）。輻射計用H進行標(biāo)定，得到灰度級與輻射照度的曲線。

各灰度等級G對應(yīng)的目標(biāo)輻射照度H可按下式計算：

式中：G0為顯示灰級值（滿度為256 灰級）；W為黑體輻射發(fā)射量；H為輻射照度。

當(dāng)?shù)玫捷椛溆嬢敵龅幕叶燃壓?，先根?jù)目標(biāo)所在區(qū)域和波段進行非均勻性校正，而后通過定標(biāo)曲線得到照度值H，即可計算出實際目標(biāo)的輻射強度[9-12]。

3 紅外探測器指標(biāo)測試科目設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 紅外探測器指標(biāo)測試科目設(shè)計

為了更好地理解輻射特性測量設(shè)備的工作原理，掌握輻射特性測量設(shè)備的操作技能，在研究和設(shè)計該系統(tǒng)時增加了紅外探測器指標(biāo)測試操作科目。這些指標(biāo)參數(shù)可以通過手動測試計算，也可以通過軟件自動計算獲得。下面主要闡述響應(yīng)率、遲滯這兩個指標(biāo)測試操作科目的設(shè)計實現(xiàn)。

3.2 紅外探測器指標(biāo)測試科目計算模型

1）紅外探測器響應(yīng)率測量

紅外探測器的響應(yīng)率表征的是探測器對于目標(biāo)紅外輻射的響應(yīng)程度。即探測器電輸出信號的基本量與輸入功率基本量的比值，單位是V/W。

式中：Uλ為來自目標(biāo)的均值波長為λ的紅外輻射經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換輸出的電壓值；Pλ為來自目標(biāo)的均值波長為λ的紅外輻射功率。對于已知溫度的黑體，其輻射功率也是已知的。探測器的口徑也是一定的，比黑體要小，在進行實際操作時，紅外探測器與黑體的距離很近，可以忽略掉大氣衰減，實際進入探測器能量與紅外探測器的口徑成正比[13-15]，假設(shè)探測器口徑和黑體面積的比值為α，Uλ為紅外探測器實際輸出。

對于該操作科目，檢測時設(shè)置一系列黑體溫度（N個），分別為T1、T2、T3、···、TN，分別記錄對應(yīng)的紅外輻射功率Pλ1、Pλ2、Pλ3、···、PλN，紅外探測器輸出電壓值Uλ1、Uλ2、Uλ3、···、UλN。可以得到響應(yīng)率為：

2）紅外探測器遲滯測試

遲滯是指傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵霾灰恢碌某潭取Ｔ撝笜?biāo)說明，紅外探測器在測量目標(biāo)時，對于升溫目標(biāo)與降溫目標(biāo)，同樣的溫度變化，其輸出結(jié)果不一致的程度[16-17]。

對于該科目，檢測時設(shè)置一系列正（升溫）行程黑體溫度（N個），分別為T1、T2、T3、···、TN，分別記錄對應(yīng)紅外探測器輸出灰度值H1、H2、H3、···、HN。然后開始降溫，設(shè)置同樣的反（降溫）行程黑體溫度（N個），分別為TN、TN-1、TN-2、···、T1，分別記錄對應(yīng)的紅外探測器輸出灰度值不難看出，最大灰度值為HN，即。則遲滯 γ為：

式中：i為自然數(shù)，1≤i≤N；為正反行程中同溫度值時的最大差值。

4 實驗驗證

紅外輻射特性測量系統(tǒng)實驗如圖4 所示，由黑體輻射源、光學(xué)鏡頭、紅外相機、輻射測量軟件組成。根據(jù)任務(wù)及教學(xué)訓(xùn)練要求，主要闡述分析標(biāo)定、目標(biāo)紅外輻射特性、紅外探測器遲滯實驗結(jié)果。

圖4 紅外輻射特性測量系統(tǒng)實驗組成Fig.4 Experimental composition of the infrared radiation characteristic measurement system

4.1 標(biāo)定實驗

選擇自動定標(biāo)，自動定標(biāo)參數(shù)起始溫度設(shè)置為30 ℃，截止溫度設(shè)置為200 ℃，步長為5 ℃。重復(fù)定標(biāo)5 次，獲得定標(biāo)系數(shù)如表1 所示。

表1 定標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration data

由表1 數(shù)據(jù)可得，該系統(tǒng)的紅外輻射響應(yīng)和溫度變化基本呈線性關(guān)系，在30～200 ℃的范圍內(nèi)的響應(yīng)系數(shù)為136.4。

4.2 目標(biāo)紅外輻射特性實驗

完成標(biāo)定后，在紅外輻射特性測量反演軟件中導(dǎo)入標(biāo)定實驗的實驗結(jié)果，系數(shù)K和偏移量B，對實測目標(biāo)紅外輻射特性進行測量，獲取數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 目標(biāo)紅外輻射特性實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of the infrared radiation characteristics of the target

由表2 數(shù)據(jù)可得，該系統(tǒng)可以進行目標(biāo)溫度和目標(biāo)溫度分布測量，具備目標(biāo)特性分析功能，能夠完成該方面的實踐教學(xué)。

4.3 紅外探測器遲滯實驗

按照3.2 節(jié)中分析得出的遲滯計算模型式（7），測試紅外探測器對黑體溫度在30～100 ℃響應(yīng)遲滯情況。從30 ℃開始，每間隔5 ℃記錄1 次，依次獲得黑體溫度正（增大）行程時的探測器響應(yīng)值。然后從100 ℃開始記，依次記錄黑體溫度反（減?。┬谐虝r的探測器響應(yīng)值。所得數(shù)據(jù)如表3。

表3 紅外探測器遲滯實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of the infrared detector hysteresis

由表3 的數(shù)據(jù)可得，該系統(tǒng)的遲滯為0.031，能夠幫助完成紅外輻射特性測量系統(tǒng)遲滯指標(biāo)測試實踐教學(xué)，有助于學(xué)員進一步理解紅外輻射特性測量系統(tǒng)。

5 結(jié)論

提出了一種紅外輻射特性測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合紅外輻射特性測量設(shè)備任務(wù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計了近20 個操作科目，闡述了紅外輻射特性測量系統(tǒng)標(biāo)定原理，設(shè)計實現(xiàn)了紅外輻射特性測量教學(xué)系統(tǒng)的軟硬件，研究并確立了紅外探測器指標(biāo)測試操作科目的計算模型。最后進行了一系列的實驗驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足教學(xué)訓(xùn)練要求。所設(shè)計的系統(tǒng)對于士官院校日常教學(xué)中紅外輻射特性測量系統(tǒng)原理、指標(biāo)參數(shù)的學(xué)習(xí)大有幫助。