CN102706448A - 红外辐射照度测量仪及应用该测量仪测量红外辐射照度的方法 - Google Patents

Abstract

红外辐射照度测量仪及应用该测量仪测量红外辐射照度的方法，属于光学领域，本发明为解决现有辐照度测量仪器的标定不精确合理、误差大、检测微弱信号的精度低、体积大以及不方便携带的问题。本发明所述红外辐射照度测量仪，主物镜将入射的平行光束汇聚，由调制盘调制输出光束至第一中继透镜、滤光片、衰减片组、第二中继透镜后入射至光电探测器的光敏面上，光电探测器输出电信号，对该电信号放大、锁相、AD转换输出电压信号给计算机，调制盘电机转速控制及驱动电路控制调制盘的调制，和控制锁相放大器的锁相。该测量仪用标准黑体进行标定，得到电压信号与红外辐射照度的关系，实现对红外目标模拟器的红外辐射照度的测量。

Description

红外辐射照度测量仪及应用该测量仪测量红外辐射照度的方法

技术领域

本发明涉及红外辐射照度测量仪及其测量方法，属于光学领域。

背景技术

红外目标模拟器在军事武器的研究中有非常广泛的应用，例如红外寻的弹头、星载和机载红外遥感遥测设备的检测中。红外目标模拟器的精确性与稳定性需要通过对其出瞳处辐射照度的校准与测量来保证。随着工业生产和军事科学研究的不断深入，辐射照度的测量方法有了很大的进步，很多国家都投入了大量的人力物力来对辐射照度的标定和测量方法进行深入的研究。红外成像目标/干扰模拟器的输出辐射照度的测量，从原理上可分为两种，一种是以被标定的辐射源作为标准，对应的测量方法是对比比较的方法；另外一种是以被使用的探测器作为标准，对应的测量方法为绝对测量法。

对于红外辐射照度测量技术的研究，国外开展的较早，1989年美国军方(Aerospace Guidance and Metrology Center，Newark Air Force Base)研制了红外目标模拟器校准设备，该设备将待校准的红外目标模拟器和标准辐射源置于平移台上，红外辐射计交替对准接收红外辐射。2001年美国红外测试中心(Infrared Training Center，FLIR Systems，Inc.)研制了用SR-5000红外光谱辐射计对红外目标模拟器的校准装置。加拿大BOMAN公司的傅里叶光谱辐射计由输入准直器、干涉仪和输出光路组成，光谱范围0.25～25ìm，但体积大，动态测量实现困难。我国红外辐射照度测量仪及其测量方法器研制起步晚，研制过程缓慢，加上各种技术水平落后，因此无论从技术水平还是产品工艺上，都需要做进一步细致的工作。1995年航天工业总公司三院第三计量测试研究院的傅宏明等人研制的一套准直辐射计，经实验室基准标定得到测量传递标准，可以到现场完成校准任务。2003年苏州大学现代光学技术研究所和西安应用光学研究所研制成的红外目标模拟器校准系统上应用精密转台，校准值和计算值之间的差别超过了10％。

目前国内的辐照度的测量还处于初级阶段，辐照度测量仪器的研制需要解决以下的问题：现有辐照度测量仪器的标定不精确合理；误差大；检测微弱信号的精度低；体积大、不方便携带。

发明内容

本发明目的是为了解决现有辐照度测量仪器的标定不精确合理、误差大、检测微弱信号的精度低、体积大以及不方便携带的问题，提供了一种红外辐射照度测量仪及应用该测量仪测量红外辐射照度的方法。

本发明所述红外辐射照度测量仪，它包括主物镜、调制盘、第一中继透镜、滤光片、衰减片组、第二中继透镜、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换模块、计算机和调制盘电机转速控制及驱动电路，

平行光束入射至主物镜，主物镜输出汇聚光束并入射调制盘，调制盘输出调制光束并入射至第一中继透镜，第一中继透镜输出平行光束并入射至滤光片，滤光片输出的透射光束经衰减片组后的平行衰减光束入射至第二中继透镜，第二中继透镜输出的汇聚光束入射至光电探测器的光敏面上，光电探测器的电信号输出端与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与AD转换模块的模拟信号输入端相连，AD转换模块的电压信号输出端与计算机的输入端相连，

调制盘电机转速控制及驱动电路的调制指令输出端与调制盘的调制指令输入端相连，调制盘电机转速控制及驱动电路的锁相输入输出端与锁相放大器的控制端相连。

应用所述红外辐射照度测量仪测量红外辐射照度的方法包括以下步骤：

步骤一、利用标准红外准直光源对所述红外辐射照度测量仪进行标定：

红外准直光源采用标准黑体来实现，标准黑体输出光束经平行光管后输出的平行光束入射至红外辐射照度测量仪，调节标准黑体、平行光管和红外辐射照度测量仪之间的位置关系，以满足入射至红外辐射照度测量仪的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪中的光电探测器的光敏面；并按照如下步骤进行标定：

步骤1、随机改变标准黑体的温度T_i，每改变一次均记录下红外辐射照度测量仪输出的电压值V_i，i＝1，2，...，n，同时记录标准黑体的红外辐射照度E_i，

所述红外辐射照度E_i按公式 $E_i=\frac{S}{f^2}\×\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{(e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_i}-1)}\mathrm{d\λ}$ 获取，

式中：S为标准黑体出瞳光阑面积，

f为平行光管的焦距，

λ₁是滤光片的下限波长，

λ₂是滤光片的上限波长，

c₁是第一辐射常数，

c₂是第二辐射常数，

步骤2、对步骤1获取的n个电压值V_i和红外辐射照度E_i根据牛顿插值法进行拟合，形成红外辐射照度测量仪输出的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线，完成标定；

步骤二、将标准黑体替换成待测量的红外目标模拟器，红外目标模拟器输出的光束经平行光管的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪中的光电探测器的光敏面，红外辐射照度测量仪的计算机获取其电压值，根据步骤一标定的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线即可获取所述红外目标模拟器的红外辐射照度。

本发明的优点：相较于现有技术，本发明使用高精度红外光电探测器和锁相放大器，实现了对微弱信号的高精度检测；采用标准黑体与平行光管相结合组成红外准直辐射源对红外辐射计进行标定，使标定结果更合理，提高了仪器的测量精度；

以小型化和智能化为前提，解决了仪器的便携性问题，在实验室得到辐照度计量标准，可以到现场进行辐照度的校准；使用能量衰减系统，实现了仪器大量程的辐照度测量，并在此基础上保证了仪器测量的精确性与稳定性。

附图说明

图1是本发明所述红外辐射照度测量仪的结构示意图；

图2是对本发明所述红外辐射照度测量仪进行标定的原理图；

图3是应用本发明所述红外辐射照度测量仪测量红外辐射照度的方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述红外辐射照度测量仪，它包括主物镜1、调制盘2、第一中继透镜3、滤光片4、衰减片组5、第二中继透镜6、光电探测器7、前置放大器8、锁相放大器9、AD转换模块10、计算机11和调制盘电机转速控制及驱动电路12，

平行光束入射至主物镜1，主物镜1输出汇聚光束并入射调制盘2，调制盘2输出调制光束并入射至第一中继透镜3，中继透镜3输出平行光束并入射至滤光片4，滤光片4输出的透射光束经衰减片组5后的平行衰减光束入射至第二中继透镜6，第二中继透镜6输出的汇聚光束入射至光电探测器7的光敏面上，光电探测器7的电信号输出端与前置放大器8的输入端相连，前置放大器8的输出端与锁相放大器9的输入端相连，锁相放大器9的输出端与AD转换模块10的模拟信号输入端相连，AD转换模块10的电压信号输出端与计算机11的输入端相连，

调制盘电机转速控制及驱动电路12的调制指令输出端与调制盘2的调制指令输入端相连，调制盘电机转速控制及驱动电路12的锁相输入输出端与锁相放大器9的控制端相连。

衰减片组5由多片衰减片沿光轴方向水平排列构成。

锁相放大器9包括调制电路、移相电路、相敏检波-低通滤波电路，调制电路的输出端与移相电路的输入端相连，移相电路的输出端与相敏检波-低通滤波电路的输入端相连。

本实施方式所述红外辐射照度测量仪分为两大部分：光学系统和信号调理系统，其中光学系统包括主物镜1、调制盘2、第一中继透镜3、滤光片4、衰减片组5和第二中继透镜6，信号调理系统包括光电探测器7、前置放大器8、锁相放大器9、AD转换模块10、计算机11和调制盘电机转速控制及驱动电路12，目标辐射能量首先由光学系统进入，主物镜1将光线汇聚到调制盘2上，调制盘2对其进行调制，使后续的锁相放大电路9能够在较大的噪声背景下有用能量信号，同时使用斩波电路得到与调制信号同频率的信号作为后续锁相放大电路9的参考信号；调制后的信号经过滤光片4、衰减片组5和第二中继透镜6之后投射到光电探测器7上，光电探测器7将光信号转换为电信号，电信号经过前置放大器8的放大作用和锁相放大器9的微弱信号检测作用之后传输到AD转换模块10，输出电压信号，计算机根据该电压信号输出辐射照度的测量数值。

给出一个具体实施例：调制盘2在调制盘电机转速控制及驱动电路12的控制下，转速为800HZ，由于调制盘2通光孔和壁的交互作用，光线以800HZ正弦波的形式进入第一中继透镜3，起到斩波的作用，同时为后续锁相放大器9提供参考的方波信号；经由第一中继透镜3的光由滤光片4实现对不同波段辐射照度的测量；由于仪器量程较大，所以需要使用衰减片组5来进行能量的衰减，使得电路部分的信号在其线性工作范围内，满足仪器的量程要求；被衰减的信号再经由第二中继透镜6汇聚到光电探测器7上，完成光信号与电信号的转换，以便进入后续电路部分进行信号调理系统。

光电探测器7输出的电信号是一个交流的正弦电压信号；由于光电探测器7输出的信号较小，为uv级别，所以需要使用放大倍数很大的前置放大器8放大交流信号，以便能被后续锁相放大器9所检测；锁相放大器9可以从干扰信号中提取被测信号，起到微弱信号检测的作用，其主要包括有：信号通道、参考通道和相敏检波。信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波；参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同相的参考电压；相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，输入信号与参考信号在相敏检波器中混频，得到一个与频差有关的输出信号，经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成比例的直流输出分量。从锁相放大器9中输出的直流电压信号经由AD转换模块10进行模数转换，得到一个可以被计算机软件采样的数字信号；再将这个数字信号传输给计算机11，通过软件来实现完成信息采集、存储、计算、显示、打印和控制等功能。AD转换模块10转变为与仪器入射能量成正比关系的直流电压信号；再经过标定得到这个直流电压信号与入射辐射能量的函数关系，最终实现对能量辐射照度的测量。

具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，应用实施方式一所述红外辐射照度测量仪测量红外辐射照度的方法包括以下步骤：

步骤一、利用标准红外准直光源对所述红外辐射照度测量仪15进行标定：

红外准直光源采用标准黑体13来实现，标准黑体13输出光束经平行光管14后输出的平行光束入射至红外辐射照度测量仪15，调节标准黑体13、平行光管14和红外辐射照度测量仪15之间的位置关系，以满足入射至红外辐射照度测量仪15的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪15中的光电探测器7的光敏面；并按照如下步骤进行标定：

步骤1、随机改变标准黑体13的温度T_i，每改变一次均记录下红外辐射照度测量仪15输出的电压值V_i，i＝1，2，...，n，同时记录标准黑体13的红外辐射照度E_i，

所述红外辐射照度E_i按公式 $E_i=\frac{S}{f^2}\×\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{(e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_i}-1)}\mathrm{d\λ}$ 获取，

式中：S为标准黑体13出瞳光阑面积，

f为平行光管14的焦距，

λ₁是滤光片4的下限波长，

λ₂是滤光片4的上限波长，

c₁是第一辐射常数，

c₂是第二辐射常数，

步骤2、对步骤1获取的n个电压值V_i和红外辐射照度E_i根据牛顿插值法进行拟合，形成红外辐射照度测量仪15输出的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线，完成标定；

步骤二、将标准黑体13替换成待测量的红外目标模拟器，红外目标模拟器输出的光束经平行光管14的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪15中的光电探测器7的光敏面，红外辐射照度测量仪15的计算机获取其电压值，根据步骤一标定的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线即可获取所述红外目标模拟器的红外辐射照度。

要实现对红外目标模拟器的红外辐射照度的测量，必须先对红外辐射照度测量仪15进行标定，采用标准黑体13与平行光管14相结合组成红外准直辐射源对红外辐射照度测量仪15进行标定，获取输出电压值与辐照度值的函数关系，标定结果更合理，提高了仪器的测量精度。

以小型化和智能化为前提，解决了仪器的便携性问题，在实验室得到辐照度计量标准，可以到现场进行辐照度的校准；

实现了仪器大量程的辐照度测量，并在此基础上保证了仪器测量的精确性与稳定性。

Claims (3)

1.红外辐射照度测量仪，其特征在于，它包括主物镜(1)、调制盘(2)、第一中继透镜(3)、滤光片(4)、衰减片组(5)、第二中继透镜(6)、光电探测器(7)、前置放大器(8)、锁相放大器(9)、AD转换模块(10)、计算机(11)和调制盘电机转速控制及驱动电路(12)，

平行光束入射至主物镜(1)，主物镜(1)输出汇聚光束并入射调制盘(2)，调制盘(2)输出调制光束并入射至第一中继透镜(3)，第一中继透镜(3)输出平行光束并入射至滤光片(4)，滤光片(4)输出的透射光束经衰减片组(5)后的平行衰减光束入射至第二中继透镜(6)，第二中继透镜(6)输出的汇聚光束入射至光电探测器(7)的光敏面上，光电探测器(7)的电信号输出端与前置放大器(8)的输入端相连，前置放大器(8)的输出端与锁相放大器(9)的输入端相连，锁相放大器(9)的输出端与AD转换模块(10)的模拟信号输入端相连，AD转换模块(10)的电压信号输出端与计算机(11)的输入端相连，

调制盘电机转速控制及驱动电路(12)的调制指令输出端与调制盘(2)的调制指令输入端相连，调制盘电机转速控制及驱动电路(12)的锁相输入输出端与锁相放大器(9)的控制端相连。

2.根据权利要求1所述红外辐射照度测量仪，其特征在于，衰减片组(5)由多片衰减片沿光轴方向水平排列构成。

3.应用权利要求1所述红外辐射照度测量仪测量红外辐射照度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用标准红外准直光源对所述红外辐射照度测量仪(15)进行标定：

红外准直光源采用标准黑体(13)来实现，标准黑体(13)输出光束经平行光管(14)后输出的平行光束入射至红外辐射照度测量仪(15)，调节标准黑体(13)、平行光管(14)和红外辐射照度测量仪(15)之间的位置关系，以满足入射至红外辐射照度测量仪(15)的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪(15)中的光电探测器7的光敏面；并按照如下步骤进行标定：

步骤1、随机改变标准黑体(13)的温度T_i，每改变一次均记录下红外辐射照度测量仪(15)输出的电压值V_i，i＝1，2，...，n，同时记录标准黑体(13)的红外辐射照度E_i，

所述红外辐射照度E_i按公式 $E_i=\frac{S}{f^2}\×\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{(e^{c_2/{\mathrm{\λT}}_i}-1)}\mathrm{d\λ}$ 获取，

式中：S为标准黑体(13)出瞳光阑面积，

f为平行光管(14)的焦距，

λ₁是滤光片(4)的下限波长，

λ₂是滤光片(4)的上限波长，

c₁是第一辐射常数，

c₂是第二辐射常数，

步骤2、对步骤1获取的n个电压值V_i和红外辐射照度E_i根据牛顿插值法进行拟合，形成红外辐射照度测量仪(15)输出的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线，完成标定；

步骤二、将标准黑体(13)替换成待测量的红外目标模拟器，红外目标模拟器输出的光束经平行光管(14)的平行光束完全覆盖红外辐射照度测量仪(15)中的光电探测器(7)的光敏面，红外辐射照度测量仪(15)的计算机获取其电压值，根据步骤一标定的电压值和红外辐射照度的对应关系曲线即可获取所述红外目标模拟器的红外辐射照度。

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