CN101793563B - 多波段红外辐射自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多波段红外辐射自动测量系统，可适时自动测量复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，完全满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求。该多波段红外辐射自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和控制系统/电路，其中扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上；扫描装置包括可旋转的保护窗、旋转反射镜和固定的双黑体校正组件。本发明使用光谱分光以及波段调制扫描技术，选用两个中、长波探测器与之匹配，增加了可测量的光学通道，有效形成对更多的长波和中波波段的辐射定标测量；且压缩了黑体辐射腔所要求的辐射尺寸，降低了黑体设计、制造的难度，提高了可控制的精度。

Description

多波段红外辐射自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种红外辐射测量技术，具体涉及一种多波段红外辐射自动测量系统，尤其应用于对海水温度实时监控。

背景技术

用红外方法测量物体温度是一门比较成熟的技术，国内外对各种红外辐射计的研究也比较多，其中自带参考黑体的测量精度不受环境温度的变化，而不带参考黑体的测量精度通常随工作环境的不同而改变。

红外辐射计在外场工作时，容易受到如下因素影响测量精度。

I受环境温度的改变，或探测器芯片、处理电路老化等原因探测器响应系数发生变化；

II红外光学系统膜层老化导致光学系统透过率发生变化；

III辐射计内部壳体温度发生变化导致探测器接收的光学零件表面剩余反射的背景红外辐射通量发生变化。

这些因素综合在一起可严重影响仪器的精度。

红外辐射计在测量目标温度时，选择的波段通常为长波波段，这是由目标辐射特性决定的，在此波段内，物体测量通常能以较少的成本获取高的精度，例如CIRIMS(9.6μm～11.5μm)，SISTER(10.8μm)，ISAR((9.6μm～11.5μm)。然而，不同红外波段的发射率存在着差异，与之相对应的相同温度下物体的红外辐射出射度也有变化，星载的红外光谱辐射计或红外成像辐射计在对地探测时，根据探测对象的不同，光谱探测范围除了长波红外，还包括中波红外等较宽的工作波段。因此，单一的波段在卫星定标测量时具有一定的局限性。

目前，国外的红外辐射测量设备根据工作原理的不同各有利弊，包含多个波段的设备主要有M-AERI(3μm～18μm)为傅立叶红外光谱辐射测试设备，AVHRR(3.8μm～10.6μm)为红外成像辐射测温设备，但这两种仪器，设备构造复杂，价格昂贵，不适宜在外场恶劣条件下的普及应用；法国的CE312设备体积小，灵敏度高，便于携带，但由于其不带参考黑体则测量精度通常随工作环境的不同而改变，同时也需要根据其测温原理人为操作，无法实现自动观测；ISAR是专门研制的海水表面温度观测设备，其自带两个校准黑体，能够实现自动观测海水表面温度的要求，但其只在长波波段测量。而国内目前还没有类似的适用于外场恶劣条件下测量复杂背景下物体辐射的测量设备，尤其是无法适时自动测量复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，发展户外恶劣条件下的高精度的定标设备。

发明内容

本发明提供了一种多波段红外辐射自动测量系统，该多波段红外辐射自动测量系统作为国内外同类技术的自主创新成果，参考借鉴国外相关设备设计、应用的成果和经验，密切结合实际的使用用途，发展户外恶劣条件下的高精度的定标设备，自带两个参考黑体，波段范围涵盖中波红外和长波红外的多个波段，既可提高测量精度，又可以用于卫星数据的定标，在技术上选择合理的器件和设计方案，降低开发成本，达到普及使用的目的，通过可靠性设计，适时自动测量复杂背景下被测物在不同波段内的红外辐射特性，完全满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求。

本发明的技术方案如下：

该多波段红外辐射自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和控制系统/电路，其中扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上；扫描装置由运动部分和固定部分组成，其中运动部分包括保护窗和旋转反射镜，固定部分包括双黑体校正组件；所述保护窗设置于辐射入射方向的光路的最前端，旋转反射镜与保护窗相对位置恒定，双黑体校正组件由常温黑体、控温黑体以及各自独立的电源和控制系统组成；分光装置包括在光路上依次设置的中继镜和分光镜；红外探测装置由长波探测组件和中波探测组件构成；

设保护窗至旋转反射镜之间的光路为A段光路，旋转反射镜至分光镜之间的光路为B段光路，分光镜至长波探测器之间的光路为C段光路，分光镜至中波探测器之间的光路为D段光路，则由A段光路的光轴与B段光路的光轴形成的平面与旋转反射镜镜面垂直，且旋转反射镜和保护窗能够受控以B段光轴为中心轴旋转；在保护窗的旋转视场范围内分布有外部干扰辐射区、被测目标辐射区、常温黑体辐射区和控温黑体辐射区，上述四个辐射区在旋转反射镜旋转至对应位置时与其形成的光路的光轴位于同一平面且相交于旋转反射镜上同一点。所述外部干扰辐射区作为旋转反射镜扫描外部干扰辐射的通道，例如，当被测目标为海水(水温)，则外部干扰主要是海水表面反射的来自天空的辐射，因此，可选择旋转反射镜镜面向上的某个区域为外部干扰辐射区，旋转反射镜镜面向下的某个区域为被测目标辐射区。

上述长波探测组件包括在光路上依次设置的长波滤光镜、长波聚焦透镜和长波探测器，中波探测组件包括在光路上依次设置的中波滤光镜、中波聚焦透镜和中波制冷探测器；所述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片组合集成，各带通滤光片位置能够受控移动。

上述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片按照中心对称排布组成的滤光镜转盘，滤光镜转盘由旋转马达驱动，C段光路每次只通过其中一块带通滤光片。

上述B段光路的光轴与旋转反射镜镜面呈45度角，保证了经旋转反射镜的入射光路和出射光路成90度，便于自动测量系统整体的空间设计。

上述运动部分封装作为扫描反射组件，光路上自中继镜后整体密封，并充氮保护，用固体干燥剂保持内部光学系统和探测器干燥。

上述分别位于常温黑体辐射区和控温黑体辐射区的两个黑体源为常温面源黑体和控温面源黑体，扫描反射组件与两个黑体源的辐射出射口之间的距离皆不大于10mm。

上述长波聚焦透镜的耦合参数与长波探测器保持一致，所述中波聚焦透镜的耦合参数与中波制冷探测器保持一致。

上述保护窗外表面镀类金刚石高效红外增透膜，旋转反射镜表面镀银外反膜并外加介质保护。

上述控制系统/电路包括对旋转反射镜的控制、滤光镜转盘的控制。

上述长波探测器为热释电探测器，中波制冷探测器为中波HgCdTe探测器。

本发明优点总结如下：

1、采用双黑体实时校正系统消除红外辐射计内部辐射和探测响应的不一致性，达到实时较正的目的；

2、使用光谱分光以及波段调制扫描技术，选用两个中、长波探测器与之匹配，增加了可测量的光学通道，有效形成对更多的长波和中波波段的辐射定标测量；

3、内部的光学系统通过合适的光路变换，压缩了黑体辐射腔所要求的辐射尺寸，降低了黑体设计、制造的难度，提高了可控制的精度；

4、本产品通过可靠性设计，完全可以满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求，也由此使其具有更广泛的用途。

附图说明

图1为天空背景对海水辐射测量影响示意图；

图2为扫描反射组件及其工作原理示意图；

图3为扫描装置结构及原理示意图，其中a为扫描装置的结构示意图(立体内部结构示意)，b为扫描装置的工作原理示意图；

图4为本发明的红外光学系统结构和光路示意图；

图5为滤光镜转盘结构示意图。

图6为本发明系统整体示意图。

附图标号说明：

1-扫描反射组件，11-旋转反射镜，12-保护窗，2-常温黑体，3-控温黑体，4-驱动单元，5-后方光学系统，6-红外探测器，51-中继镜，52-分光镜，53-长波滤光镜(滤光镜转盘)，530-带通滤光片，54-长波聚焦耦合透镜，55-中波滤光镜，56-中波聚焦耦合透镜，61-长波探测器，62-中波制冷探测器，7-A段光路，8-B段光路，9-C段光路，10-D段光路。

具体实施方式

本发明提供的多波段红外辐射自动测量系统主要采用旋转反射镜扫描高、常温黑体、天空和海水表面的工作方式。在这里，来自天空的辐射视为外部干扰辐射，来自海水的辐射视为被测目标辐射。扫描控温黑体、常温黑体可以实时修正红外探测系统的光电响应系数，消除红外光学系统透过率变化或环境温度变化，探测器响应系数变化带来的影响；扫描天空和海水表面修正海空背景辐射对海水辐射测温的影响。

参考图6系统整体示意图，外部场景和实时校正标准源通过扫描组件依次进入红外光学系统观察视场，光学系统将外部的红外辐射聚焦在红外探测器探测面上，红外探测器根据红外辐射通量的大小输出与之相对应的电压或电流值，经前置放大器预处理后，将微小的电压或电流值转换为红外辐射成正比的电压值，中央控制器和定时器通过时序控制信号采集及数据处理运算组件，分别采集外部场景和黑体每个目标在不同波段的电压值，经A/D转换后，量化为响应数据，经过RS485串口传输相关数据到控制总台并显示，达到对海水表面温度进行监控的目的。

另外，自动保护装置用于保护本发明的测量系统本体不受外界环境如天气情况等的损伤。例如，本发明设置于舰艇上，当海上暴风雨时，则自动保护装置可提供加盖遮蔽，防雷电处理或直接关闭保护窗等。

详细实现方法包括如下部分：

1、场景红外辐射分离和标准辐射源实时校正

场景包含海水和天空，海水为待测的目标，天空作为背景。实时校正黑体源为两个不同温度的黑体，其中一个黑体为常温黑体，温度固定，另一个黑体为控温黑体。两个黑体为面源黑体，辐射腔具有大于0.998的发射率，温度均匀性和温度控制精度＞0.1K。在方案中采用扫描天空和标准辐射源的方法主要为了实现场景海水红外辐射和天空辐射的分离，通过标准辐射源实时校正辐射计响应系数。具体原理如下：

场景分离：

图1说明了红外辐射计(多波段红外辐射自动测量系统)在测量海水红外辐射时需要考虑的一些因素。如果海水表面是一个完美的辐射体，那么可直接测量其光谱辐射，根据普朗克公式计算海水的温度，然而，海水的发射率稍稍小于1，它根据辐射波长和辐射角的稍有不同，因此，进入辐射计的红外辐射包含大气的一小部分辐射。为了能准确测量海水的辐射，必须同时测得下方海水反射作为背景的大气辐射，确切知道海水表面发射率ε的数值。根据以往的研究和测试，平静的海水在9μm-12μm波段范围内，在天顶角θ＜40°范围内，发射率ε具有最大值＞0.98。

红外辐射计内置不同的波段滤光片，在测量时，选择需要测量的波段通道，测量向上的大气红外辐射，测量向下的海水红外辐射和海平面反射的大气红外辐射，测量的天顶角θ＜40°，天空背景和海平面反射的天空背景像同属一个区域。

设定向下测量的红外辐射为M_down，

$M_{\mathrm{down}}=\frac{{\∫}_{\mathrm{\λ}1}^{\mathrm{\λ}2}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\λ}}[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{L}_{\mathrm{sea}}+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}})L_{\mathrm{sky}}]\mathrm{d\λ}}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1}---\left(1\right)$

(1)式中，ε_λ为海水的表面在指定波长的发射率，L_sea为海水表面的同温度黑体的红外辐射出射度，即

$L_{\mathrm{sea}}=\frac{{2\mathrm{hc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λkT}}\right)-1]}---\left(2\right)$

其中τ_λ为光学系统在特定波长的透过率。

当波段范围较窄时，τ_λ、ε_λ可视为常量，此时

通过黑体标定时，M_down＝M_TA×τ                      (4)

其中为M_TA黑体在温度TA时的红外辐射出射度，

向上的红外辐射M_up，M_up＝τ×L_sky                    (5)

通过黑体标定时，M_down＝M_TB×τ                      (6)

其中M_TB为黑体在温度TB时的红外辐射出射度，根据(3)～(6)式，可解得：

$L_{\mathrm{sea}}=\frac{M_{\mathrm{TA}}+(1-\mathrm{\ϵ})\×M_{\mathrm{TB}}}{\mathrm{\ϵ}}---\left(7\right)$

由于中波红外发射率ε和长波略有不同，ε_λ可根据以往的研究结果直接给出，或可根据现场测量获得，测量方法如下：

设备首次使用时，用水温计直接测量海水表面温度，根据红外辐射计测得的场景综合红外辐射黑体等效温度，天空红外辐射黑体等效温度以及水温计的温度值根据(2)式分别计算L_sea、M_TA和M_TB，将L_sea、M_TA和M_TB代入(7)式，计算海水红外发射率ε_λ。

红外发射率ε_λ经测定或给定后，可根据(7)式解算出海水表面的红外辐射，根据(2)式求解海水表面温度。

实时校正

红外辐射计在外场工作时，容易受到如下因素影响测量精度。

I受环境温度的改变，或探测器芯片、处理电路老化等原因探测器响应系数发生变化。

II红外光学系统膜层老化导致光学系统透过率发生变化。

III辐射计内部壳体温度发生变化导致探测器接收的光学零件表面剩余反射的背景红外辐射通量发生变化。

这些因素综合在一起可严重影响仪器的精度。

采用双黑体标准辐射源实时校正的方法的消除以上因素的影响，具体原理可用如下数学过程予以说明。

在探测器选用上，选取辐射响应线型度较好的区域，则探测器的红外辐射和电压或电流响应可通过(8)式表示：

D＝A×L+B    (8)

式中，D为电压或电流响应数值，A为响应系数，L为探测器表面收集的红外辐射，B为常量。

红外辐射L包括内部光学元件表面剩余反射的壳体红外辐射L_S，目标经光学系统透射的红外辐射L_o，在较短时间内，壳体温度变化较小，因此，在每次时间间隔内，可认为L_S为一常量，则(8)式可描述为

D＝A×L_o+B    (9)

扫描镜对准控温、常温黑体时，根据(9)式得：

D₁＝A×L_o1+B        (10)

D₂＝A×L_o2+B

L_o1、L_o2可根据控、常温黑体温度结合(2)式算出。

D₁、D₂为观察不同温度黑体时得到的电压或电流值。

根据(10式可计算出响应系数A和常量B，而后可根据未知温度的响应值D通过(8)式求出红外辐射L的量值。

2、扫描反射组件

扫描装置的运动部分主要是扫描反射组件，扫描反射组件的核心部件为旋转反射镜，如图2、图3所示，旋转反射镜相对于旋转轴(即B段光路8的光轴)45°放置，由驱动单元4(一般采用步进电机)带动扫描反射组件1绕旋转轴转动，旋转轴和后方光学系统的光轴重合。旋转反射镜11做360°旋转可依次分别扫描外部干扰场景(即天空)、被测目标场景(即海水)和内置的黑体源(常温黑体2和控温黑体3)，将其红外辐射依次导入后方的红外光学系统5。

3、红外光学系统

红外光学系统的结构及光路如图4所示。

上述四个辐射源(场景)的红外辐射经保护窗12和旋转反射镜11后，投射在中继镜51上，中继镜改变光路，一方面压缩光路尺寸，另一方面使得光线结构适合光束分光以及光束滤光。经分光镜52后，光路分成两部分，一部分进入中波聚焦耦合透镜56，另一部分进入长波聚焦耦合透镜54。长波滤光镜53是由3块带通滤光片530组成的滤光镜转盘53(也称为滤光调制盘)，波段范围根据要求待定，三块带通滤光片5301固定在滤光镜转盘53上，由步进电机带动根据要求旋转，滤光镜转盘53的结构如图5所示。如果对长波探测器61要求接收尽可能多的波段范围进行分析，则可以通过延长旋转反射镜11步进转动的周期，以配合长波滤光镜53完成各波段的辐射接收(三块带通滤光片530依次旋转至C段光路上)。

耦合透镜聚焦红外辐射在红外探测器上，聚焦透镜的设计的耦合参数与探测器保持一致，保证最大的光能接收效率。

保护窗外表面镀类金刚石高效红外增透膜，扫描镜表面镀银外反膜并外加介质保护。中继镜后整体密封，并充氮保护，并用固体干燥剂保持内部光学系统和探测器干燥，进而保证光学系统的透过率不出现较大变化。

该多波段红外辐射自动测量系统使用两个红外探测器，一种为热释电探测器，工作在长波波段，另一种为中波HgCdTe探测器。

长波热释电探测器选用国产的GAT500探测器，GAT500预处理电路带前置放大器，放大器倍率大于1000倍。

中波选用波兰VIGO公司的PCI-2TE-5产品。中波红外测量目标主要适用于温度较高的环境，当环境温度下降为-60℃时，中波红外的辐射量将下降4个数量级，信号过于微弱，无法实现准确测量。

红外探测器探测到红外信号经内部自带的前置放大电路，变换为电压信号，经过后续的电压跟随电路、低通滤波电路和比例放大电路将小信号放大到合适的电压值，以满足信号动态范围检测要求。

本发明提供的具体实施方案的多波段红外辐射自动测量系统，使用光谱分光以及波段调制扫描技术，选用两个中、长波探测器与之匹配，使得可测量的光学通道增加为4个，具有长波3个波段和中波红外1个波段，可以完成更多波段的辐射定标测量，具有更广泛的用途。内部的光学系统通过合适的光路变换，压缩了黑体辐射腔所要求的辐射尺寸，降低了黑体设计、制造的难度，提高了可控制的精度。此外，本产品通过可靠性设计，完全可以满足长期无故障自动观测辐射定标测量的需求。

Claims (10)

1.一种多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述自动测量系统包括扫描装置、分光装置、红外探测装置和主控制系统/电路；所述扫描装置、分光装置、红外探测装置依次设置于辐射入射方向的光路上；扫描装置由运动部分和固定部分组成，运动部分包括保护窗和旋转反射镜，固定部分包括双黑体校正组件；所述保护窗设置于辐射入射方向的光路的最前端，旋转反射镜与保护窗相对位置恒定，双黑体校正组件由常温黑体、控温黑体以及各自独立的电源和黑体控制系统组成；分光装置包括在光路上依次设置的中继镜和分光镜；红外探测装置由长波探测组件和中波探测组件构成；

设保护窗至旋转反射镜之间的光路为A段光路，旋转反射镜至分光镜之间的光路为B段光路，分光镜至长波探测器之间的光路为C段光路，分光镜至中波探测器之间的光路为D段光路，则由A段光路的光轴与B段光路的光轴形成的平面与旋转反射镜镜面垂直，且旋转反射镜和保护窗能够受控以B段光轴为中心轴旋转；在保护窗的旋转视场范围内分布有外部干扰辐射区、被测目标辐射区、常温黑体辐射区和控温黑体辐射区，上述四个辐射区在旋转反射镜旋转至对应位置时与其形成的光路的光轴位于同一平面且相交于旋转反射镜上同一点。

2.根据权利要求1所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述长波探测组件包括在光路上依次设置的长波滤光镜、长波聚焦透镜和长波探测器，中波探测组件包括在光路上依次设置的中波滤光镜、中波聚焦透镜和中波制冷探测器；所述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片组合集成，各带通滤光片位置能够受控移动。

3.根据权利要求2所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述长波滤光镜是由多块不同波段范围的带通滤光片按照中心对称排布组成的滤光镜转盘，滤光镜转盘由旋转马达驱动，C段光路每次只通过其中一块带通滤光片。

4.根据权利要求2或3所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述B段光路的光轴与旋转反射镜镜面呈45度角。

5.根据权利要求4所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述运动部分封装作为扫描反射组件，光路上自中继镜后整体密封，并充氮保护，用固体干燥剂保持内部光学系统和探测器干燥。

6.根据权利要求5所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：位于常温黑体辐射区的常温黑体为常温面源黑体，位于控温黑体辐射区的控温黑体为控温面源黑体；扫描反射组件与两个面源黑体的辐射出射口之间的距离皆不大于10mm。

7.根据权利要求6所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述长波聚焦透镜的耦合参数与长波探测器保持一致，所述中波聚焦透镜的耦合参数与中波制冷探测器保持一致。

8.根据权利要求7所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述保护窗外表面镀类金刚石高效红外增透膜，旋转反射镜表面镀银外反膜并外加介质保护。

9.根据权利要求8所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述主控制系统/电路包括对旋转反射镜的控制和滤光镜转盘的控制。

10.根据权利要求9所述的多波段红外辐射自动测量系统，其特征在于：所述长波探测器为热释电探测器，中波制冷探测器为中波HgCdTe探测器。

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