一种面目标红外辐射特性测量方法.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言红外辐射特性测量随着红外技术的发展，在武器红外性能评估、目标识别探测、目标温度分布获取和隐身效果评估等诸多领域应用越来越广泛。按搭载平台样式可分为地基、海基、空基和天基，其中地基红外辐射特性测量系统在国内使用较多，与传统获取外弹道信息相比，是光学测量的一个重要分支。通常按目标与探测器像面像元数量的关系，目标可分为点目标和面（扩展源）目标。理想中的点源是指目标在探测器像面上所成像的面积小于或等于一个像元，但实际中，通常将几何成像面积小于88像元数的作为点目标，将几何成像面积大于或等于88像元数的作为面目标。由于面目标会包含目标更多的信息，例如测量得到的红外辐射亮度，可描述目标在不同位置沿着空间不同方向的辐射分布特性，因此，研究面目标红外辐射测量方法具有重大应用前景。2定标原理为获得红外辐射特性测量系统灰度输出量与收稿日期：2022年11月2日，修回日期：2022年12月17日作者简介：韩璐，男，硕士，助理工程师，研究方向：红外辐射特性测量。总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5一种面目标红外辐射特性测量方法韩璐李桂芝（92941部队44分队葫芦岛125000）摘要随着红外技术的快速发展，红外辐射特性测量在红外精确制导、目标探测与识别、武器性能评估、隐身反隐身、突防与反突防和预警侦察等方面应用越来越广泛。由于面目标测量结果中包含目标更多的辐射特性信息，因此研究面目标测量方法意义重大。论文提出了一种面目标辐射特性的测量方法，为验证该方法的有效性，通过测量830m处黑体辐射亮度进行实验。实验结果表明，在积分时间为2ms和3ms时，最大测量误差分别为11.38%和8.08%，均方根误差分别为6.64%和4.66%，测量精度较高，论文提出的方法简单、实用、有效。关键词红外辐射测量系统；面目标；辐射反演中图分类号P422.6+1DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.037A New Radiometry Method on Extended Surface TargetHAN LuLI Guizhi（Unit 44，No.92941 Troops of PLA，Huludao125000）AbstractWith the rapid development of infrared technology，infrared radiation characteristics measurement is more andmore widely used in infrared precision guidance，target detection，recognition，weapon performance evaluation，stealth，anti-stealth，penetration，anti-penetration and early warning reconnaissance.Considering the measurement results of area targets contain more information about the radiation characteristics of targets，it is of great significance to study the measurement methods of area targets.In this paper，a method for measuring the radiation characteristics of extended surface targets is proposed.In order to verify the effectiveness of this method，experiments are carried out by measuring the blackbody radiance at 830m.The experimental results show that when the integration time is 2ms and 3ms，the maximum measurement error is 11.38%and 8.08%respectively，andthe root mean square error is 6.64%and 4.66%respectively.The measurement accuracy is high.The method proposed in this paperis simple，practical and effective.Key Wordsinfrared radiation measurement，area target，radiation inversionClass NumberP422.6+1185总第347期光学系统入瞳辐射亮度的关系，需要对系统进行定标。定标作为定量测量目标红外辐射特性测量的基础，定标精度是系统的重要指标，对系统测量精度有直接影响。通常在使用黑体作为入瞳辐射亮度辐射源的情况下，要求系统定标不确定度需控制在15%以内。当前比较典型的系统定标方法，主要有扩展源黑体定标法和平行光管定标法两种，前者使用广泛12。2.1扩展源黑体定标法扩展源黑体定标法的原理是将高精度扩展（面）源黑体的有效辐射面积完全覆盖测量系统的入瞳位置，原理如图1所示。该方法可以有效消除大气等环境因素对透过率的影响，定标精度高；同时也可以对红外焦平面阵列所有像元同时进行定标，因而定标效率高。红外焦平面主光轴主光线f系统入瞳面源黑体面图1扩展源黑体定标法原理图单个像元对应的立体角可表示为=Ad.cos()f cos2=Adcos3f2（1）其中，Ad为单个像元的面积，为主光线与主光轴的夹角，f为光学系统的焦距。因此该像素接收的辐射通量可表示为=L(Tb)Adcosd=optL(Tb)Adcos44Df2（2）其中，opt为光学系统的透过率，Tb为黑体的工作温度，L(Tb)为黑体温度为Tb对应的红外辐射亮度，D为光学系统的有效通光口径。当黑体看做为标准朗伯体时，L(Tb)可表示为L(Tb)=12W(Tb)d（3）其中，为黑体的发射率，W(Tb)为黑体在波长处对应的辐射出射度，12为波段范围。2.2平行光管定标法平行光管定标法的原理是将中、高温腔型黑体放置于红外平行光管的像面处，通过平行光管对腔型黑体的细光束进行均匀扩束，同时将平行的入瞳位置完全覆盖测量系统，完成定标3，原理如图2所示。该方法的优点是可以实现高温定标，一定程度上弥补扩展源黑体定标法不能实现高温定标的缺陷，但该方法同样也有缺点，大口径平行光管体积庞大，机动性差，室内定标使用较多，外场定标使用不便4。平行光管反射镜腔型黑体红外焦平面探测器图2平行光管定标法原理图2.3变积分时间定标原理高精度红外特性测量系统，红外焦平面阵列通常使用制冷方式，以实现响应灰度与照射辐射亮度具有良好的线性度，表示为5Gij=RijL(Tb)+Bij（4）其中，Gij为焦平面阵列像元(ij)的输出灰度值，Rij为该像元对输入辐射亮度L(Tb)的响应增益，Bij为无辐射输入时的初始响应偏置，在探测器线性响应范围内，若考虑积分时间，则Bij可表示为Bij=tBoutij+Binij（5）其中，Boutij为与积分时间有关的外部杂散辐射所引起的偏置，Binij为与积分时间无关的探测器内部暗电流等引起的偏置。因此考虑积分时间，定标可表示为6Gij=tRijL(Tb)+Boutij+Binij（6）其中，Rij为单位积分时间内像元(ij)对输入辐射亮度L(Tb)的响应增益。3辐射特性测量原理3.1测量原理如图3所示，红外辐射特性测量系统接收到的能量主要包括三个部分710：经过大气吸收和散射产生衰减的目标辐射量、经过大气吸收和散射产生衰减的目标反射周围环境的辐射量、目标和测量系统路径之间的大气自身的辐射量。因此，焦平面阵列像元(ij)的输出灰度可表示为韩璐等：一种面目标红外辐射特性测量方法186舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期Gij=RijatmL(T0)+atm(1-)L(Te)+Lpath+Bij（7）其中，atm为大气透过率，为目标的发射率，L(T0)为目标温度T0对应的辐射亮度，L(Te)为环境温度Te对应的辐射量，Lpath为目标和测量系统之间的大气路径辐射量。太阳目标大气地基红外经纬仪地基红外经纬仪地表图3红外辐射特性测量系统示意图因此目标辐射亮度L(T0)可表示为L(T0)=Gij-Bij-RijLpath-Rijatm(1-)L(Te)Rijatm（8）其中，Rij和Bij可通过定标获得，atm和Lpath可通过大气传输计算软件获得，Te可通过大气测量设备获得，在确定的情况下，可实现目标辐射亮度、辐射强度、辐射功率、表面温度的反演。外场测量中，通常要求系统辐射特性测量不确定度需控制在30%以内。3.2面目标测量原理假设目标在像方的投影面积为At，目标理想成像面积为Ai，由几何成像关系可得1112：Ai=f2R2At=K2At（9）其中，f为系统焦距，R为目标距离，K为系统放大率。面目标辐射特性测量原理如图4所示。选取目标区域A，区域内含有整个目标（包括全部弥散斑）以及少量的背景，共有M个像元。选取区域 B，共有 N 个像元，且区域 A 完全在区域 B内，因此B和A之间背景区域只含有背景，像元数为N-M，当Ad为单个像元尺寸时，B和A之间的面积为(N-M)Ad，因此背景灰度均值Gb为Gb=i=1N-MGiN-M（10）其中Gi为背景区域像元灰度值，i=12.N-M。目标区域A背景区域B噪声图4面目标辐射特性测量原理图区域A总灰度值为GA=i=1MGi（11）区域A中的背景辐射灰度值为GA，背景=(M-AiAd)Gb=(M-K2AtAd)Gb（12）区域A中的目标辐射灰度值为GA，目标=AiAdRijatmL(T0)+RijL(Tpath)+Bij=K2AtAdRijatmL(T0)+K2AtAdGb（13）由GA=GA，目标+GA，背景可得：i=1MGi=MGb+K2AtAdRijatmL(T0)（14）因此L(T0)为L(T0)=i=1MGi-MGbK2AtRijatmAd（15）4实验验证为验证本文提出的面目标特性测量方法的有效性，利用某中波红外辐射特性测量系统进行实验。光学系统D为600mm，f为1200mm，探测器工作波段为3.7m4.8m，像元尺寸为15m15m，像元数为640512。测量目标为面源黑体，黑体水平放置于距离光学系统830m处。实验气象条件：能 见 度 30km、湿 度 20%、气 温 7.4、气 压89.9KPa。利用大气传输计算软件可得，atm和Lpath分别为0.7354和0.2115 Wm-2sr-1。黑体工作温度从50升温至110，间隔10，探测器积分时间选2ms和3ms。通过黑体辐射亮度测量结果与理论值相比，得出测量误差曲线，如图5所示。187总第347期405060708090100110120温度/20151050-5-10辐射亮度/（Wsr-1m-2）理论辐射亮度反演辐射亮度（a）反演辐射结果及误差（2ms积分时间）2520151050辐射亮度/（Wsr-1m-2）理论辐射亮度反演辐射亮度405060708090100110120温度/（b）反演辐射结果及误差（3ms积分时间）图5测量误差曲线实验表明，当积分时间为2ms和3ms时，最大测量误差分别为11.38%和8.08%，且均方根误差分别为6.64%和4.66%，测量精度较高。5结语本文提出了一种面目标辐射特性的测量方法，为验证该方法的有效性，通过测量830m处黑体辐射亮度进行实验。对比测量值与理论值可得，系统辐射特性测量误差在积分时间为2ms和3ms时，最大误差分别为11.38%和8.08%，均方根误差分别为6.64%和4.66%，测量精度较高，本文提出的面目标辐射特性测量方法具有简单、实用、有效等优点。参 考 文 献1李宁，张云峰，刘春香，等.1m口径红外测量系统的辐射定标J.光学精密工程，2014，22（8）：2054-2060.2SUN Z Y，CHANG S T，ZHU W.Radiometric calibrationmethod for large aperture infrared system with broad dynamic rangeJ.Applied Optics，54（15）：4659-4666.3常松涛.红外经纬仪结构设计及提高其辐射测量精度的关键技术研究 D.北京：中国科学院大学，2015：23-30.4曹立华，李宁，杨词银，等.35m红外探测器的辐射定标 J.红外与激光工程，2012，41（4）：858-864.5孙志远.基于中波红外探测器的常温目标测温实验研究 D.长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2008：50-76.6李周，乔彦峰，常松涛，等.宽动态范围红外辐射测量系统快速定标算法 J.红外与激光工程，2017，46（5）：151-159.7杨词银，张建萍，曹立华.基于大气透过率比例校正的目标辐射测量 J.光学精密工程，2012，20（7）：1626-1635.8杨词银，曹立华.大口径红外光电系统辐射定标及误差分析 J.红外与激光工程，2014，40（9）：1624-1628.9孙志远，王旻，常松涛.环境温度对红外辐射测量精度的影 响 及 修 正J.激 光 与 红 外 工 程，2014，44（5）：522-527.10罗茂捷，周金梅，傅景能，等.考虑积分时间变量的红外系统辐射响应定标 J.红外与激光工程，2013，42（1）：36-40.11 孙志远，常松涛，朱玮，等.应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标 J 光学精密工程，2015，23（2）：356-362.12Chang S，Li Z.Single-reference-based solution for two-point non-uniformity correction of infrared focal plane arrays J.Infrared Physics&Technology，2019：96-104.韩璐等：一种面目标红外辐射特性测量方法188