CN102901569B - 红外辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外辐射计，属于光学计量测试领域，用于测量红外热像仪测试设备辐射温度。其主要技术特点是，红外辐射计采用双光路设计，使得红外辐射计中探测器分别接收来自红外热像仪测试设备的辐射和红外辐射计内部参考黑体的辐射，参考黑体温度由计算机控制到与红外辐射计内部的温度及环境温度保持一致，通过限制光阑组的设计及各限制光阑安装位置的确定，使得两条光路对探测器所张立体角相同且两条光路重合。本发明不但具有小型化、智能化的特色，而且具有测量准确度高、应用前景广的特点。

Description

红外辐射计

技术领域

本发明属于光学计量测试领域，涉及一种红外辐射计，尤其涉及一种用于测量红外热像仪测试设备辐射温度的红外辐射计。

背景技术

随着红外成像技术的发展，红外热像仪在军事领域得到广泛应用。从20世纪80年代开始，国内多个科研院所、工厂先后从英国、以色列、美国、法国等西方国家引进了多种类型的红外热像仪测试设备，用于军用红外热像仪产品参数测试、性能评估。红外热像仪测试设备可分为单黑体型红外热像仪测试设备和背景温度可控型红外热像仪测试设备，为了提高红外热像仪的测量准确度，必须对红外热像仪测试设备的辐射温度、辐射温差等参数进行准确测量。

英国EALLING公司在20世纪80年代研制了用于红外热像仪测试设备测量的RAD800型多谱段红外辐射计，由于没有实现红外辐射量值溯源，因此，该红外辐射计的测温误差较大。美国Optikos公司研制了RAD-900型多谱段红外辐射计，其量值溯源到红外辐射基准，通过改进，其中辐射温度测量准确度得到了显著提高，测量不确定度小于0.1℃。

20世纪80年代，中国兵器工业集团211研究所从英国EALLING公司引进了RAD-800型红外辐射计，用于红外热像仪测试设备的测量，但该红外辐射计的测量精度较低。2004年，总装32基地与中科院上海技术物理所联合开展了红外热像仪测试设备测量技术研究，通过研制扫描辐射计实现红外热像仪测试设备的测量，其量值溯源到红外辐射基准。例如，《光学技术》第30卷，第1期上，题为“双波段扫描辐射计的研制”的论文对该扫描辐射计进行了介绍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前红外热像仪测试设备辐射温度的高准确度测量难题，提供一种测量精度高的红外辐射计。

为解决上述技术问题，本发明提供的红外辐射计包括含有前置放大器、锁相放大器、A/D转换器和计算机的信号采集、处理与控制系统，依次放置的光学系统、斩波器、参考黑体、滤光片组、限制光阑组和红外探测器；所述光学系统由多片透镜组成，斩波器由驱动电机和调制盘组成，调制盘为中间厚边缘薄且盘面分为镂空部分和叶片部分，叶片部分正面镀高反射率铝膜，反面均匀涂制黑漆，调制盘的中心轴孔与驱动电机的转轴固连且调制盘的正面与光学系统的光轴呈45°夹角，驱动电机的驱动电路与所述计算机相连；参考黑体带有测温电路且测温电路的输出送给所述计算机，参考黑体在计算机的控制下以恒温工作；滤光片组含有3μm～5μm带通滤光片和8μm～12μm的带通滤光片，两个滤光片对称安装在滤光片轮上，滤光片轮由受所述计算机控制的电机驱动；所述限制光阑组由三个光阑组成，各光阑的两个表面分别涂制高吸收率的黑漆，第一光阑紧贴所述参考黑体且正对所述红外探测器的端面垂直于所述光学系统的光轴，第一光阑的口径为R₁＝100x₁/250，x₁表示第一光阑与红外探测器之间的距离；第二光阑为滤光片轮上未安装滤光片的部分，第二光阑与所述红外探测器之间的距离为X₂＝250R₂/100，R₂表示滤光片的口径；第三光阑垂直于所述光学系统的光轴，第三光阑的口径为R₃＝100x₃/250，x₃表示第三光阑与所述红外探测器之间的距离；当所述调制盘的镂空部分进入光路时，来自被测红外热像仪测试设备的准直辐射通过所述光学系统会聚并经过滤光片组和限制光阑组形成3μm～5μm或8μm～12μm波段的红外辐射并到达红外探测器，红外探测器将经过调制的辐射测量信号转化为电信号输出；当所述调制盘的叶片部分进入光路时，所述参考黑体的辐射由所述叶片反面反射后经过滤光片组和限制光阑组也到达红外探测器，红外探测器将红外辐射背景信号转化为电信号输出；所述红外探测器的输出信号经所述前置放大器进行电压放大，再经所述锁相放大器的同步放大电路中的信号输入通道放大，并经过低通、高通或带通滤波器滤波处理后，由A/D转换器转换成数字信号并输入计算机；

所述计算机内置有测控软件，其功能是：控制调制盘的转动频率达到所需要的值；对参考黑体进行温度控制并使参考黑体的工作温度与红外辐射计内部温度、环境温度保持一致；控制滤光片轮的转动以使所需波段的滤光片移入光路；根据以下一组公式计算出红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的光谱辐射出射度M(λ，T_BB)及辐射温度T：

$V=K\×G\×\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^4}\right)\×{(D_{10}\×\mathrm{FOV})}^2$

$\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Collimator}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{IO}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{En}})]\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

$T=C_3.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^3+C_2.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^2+C_1.{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}+C_0---\left(2\right)$

式中，V表示红外探测器输出的电压值，K表示红外辐射计比例因子，G表示红外辐射计电子增益，D₁₀表示红外辐射计探测器有效入瞳直径，FOV表示红外辐射计探测器的视场，ε_BB表示红外热像仪测试设备中靶标或面源黑体的发射率，τ_Collimalor(λ)表示红外热像仪测试设备中准直光管的红外光谱传输比，τ_IO(λ)表示红外辐射计入瞳透射比，M(λ，T_En)表示环境的光谱辐射出射度，C₃、C₂、C₁、C₀为方程系数，以上参量均为已知量。

本发明的整体技术效果体现为以下几个方面。

(一)在本发明中，红外辐射计采用双光路设计，使探测器交替接收来自红外热像仪测试设备的辐射和参考黑体的辐射，以提高红外辐射计温度分辨率，消除自身内部温度漂移带来的误差。

(二)在本发明中，红外辐射计采用了高发射率参考黑体且参考黑体以与红外辐射计内部温度和环境温度相同的温度工作，从而在一定程度上消除了红外热像仪测试设备各组成部分的自身辐射对红外辐射计测量结果的影响，而且既能在一定程度上消除红外辐射计自身的温度飘移又能给探测器提供有效、稳定的辐射背景，从而提高了红外辐射计的测量准确度。

(三)本发明在斩波器与红外探测器之间在确定位置上安装了一组限制光阑以限制红外探测器视场，并能够消除杂散辐射，由此提高了红外辐射计的信噪比，减小了杂散辐射对红外辐射计测量结果的影响，从而进一步提高了红外辐射计的测量准确度。

(四)本发明中，红外辐射计采用了CCD瞄准系统用于调整光路，光学系统的会聚光束由叶片正面反射后进入CCD瞄准系统，微调光学系统，可以使红外辐射计光路达到最佳状态。

附图说明

图1是本发明红外辐射计的组成示意图。

图2是红外辐射计的光路图。

图3是红外辐射计信号采集、处理与控制系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明优选实施例由光学系统1、斩波器2、参考黑体3、CCD瞄准系统4、滤光片组5、限制光阑组6、红外探测器7和含有计算机的信号采集、处理与控制系统8组成。信号采集、处理与控制系统8对CCD瞄准系统4和红外探测器7的信号采集并进行处理，并且对斩波器2、参考黑体3和滤光片组5进行控制。

根据图2所示，本发明优选实施例的光学系统1由多片透镜组成，以满足较高的像质要求，其口径为100mm，焦距为250mm，透镜材料为ZnSe。斩波器2由高速驱动电机2-1和调制盘2-2组成，高速驱动电机2-1为低功率、稳定性好的无刷电机，以减小电机发热、频率抖动以及电机的电磁噪声，电机工作的径向、轴向窜动量都在10μm以内，电机控制器加屏蔽罩且电机外壳与机器外壳一同接地以减小环境辐射干扰的影响，高速驱动电机2-1由信号采集、处理与控制系统8控制。调制盘2-2采用超硬铝材料加工，调制盘2-2的结构形式为中间厚边缘薄以减小转动惯量和抵抗加工过程中的变形，调制盘2-2的背面中心区域加工有加强筋。调制盘2-2分为镂空部分和叶片部分，叶片部分正面镀高反射率铝膜，反面均匀涂制黑漆，调制盘2-2的中心轴孔与驱动电机2-1的转轴固连且调制盘2-2的正面与光学系统1的光轴呈45°夹角。参考黑体3的发射面与散热面内外隔绝，发射面为由微型金字塔组成的蜂窝状微型组合结构且表面喷涂高发射率无光泽黑漆以提高黑体的发射率，其测温电路的准确度达到0.005℃。参考黑体3的温度由信号采集、处理与控制系统8控制，以保持恒温工作。滤光片组5选择美国Newport公司的(3～5)μm和(8～12)μm波段的带通滤光片，滤光片组5安装在滤光片轮上，信号采集、处理与控制系统8通过控制滤光片轮上的电机来控制滤光片轮的转动。限制光阑组6由三个光阑组成，光阑的两个表面分别涂制高吸收率的黑漆，第一光阑6-1紧贴参考黑体3且靠近红外探测器7的这一端垂直于光路安装，其口径R₁根据公式R₁＝100x₁/250计算，式中，x₁表示第一光阑6-1与红外探测器7之间的距离；第二光阑6-2就是滤光片轮上未安装滤光片的部分，第二光阑6-2与红外探测器7之间的距离x₂根据公式x₂＝250R₂/100计算，式中，R₂表示滤光片的口径，第三光阑6-3在滤光片轮和红外探测器7之间且垂直于光轴安装，用于消除由滤光片引入的杂散辐射，其口径R₃根据公式R₃＝100x₃/250计算，式中，x₃表示第三光阑6-3与红外探测器7之间的距离。红外探测器7选择购买美国Judson公司带杜瓦液氮致冷的宽波段MCT探测器，同时进行双波段温度测量，并且避免了更换探测器的麻烦和由此带来的定位误差。

当斩波器的调制盘2-2的镂空部分进入光路时，来自被测红外热像仪测试设备的准直辐射通过光学系统1会聚并经过滤光片组5和限制光阑组6形成3μm～5μm或8μm～12μm波段的红外辐射到达红外探测器7，红外探测器7将经过调制的辐射测量信号转化为交流电信号并送给信号采集、处理与控制系统8；当调制盘2-2的叶片部分进入光路时，参考黑体3的辐射经过叶片反面反射后经过滤光片组5和限制光阑组6也到达红外探测器7上，给探测器7提供有效、稳定的辐射背景信号，红外探测器7将红外辐射背景信号转化为电信号输出给信号采集、处理与控制系统8。

根据图3所示，信号采集、处理与控制系统8含有前置放大器8-1、锁相放大器8-2、A/D转换器8-3、存储器8-4和内置测控软件的计算机8-5等，红外探测器7输出的电信号经前置放大器8-1进行电压放大，再经锁相放大器8-2的同步放大电路中的信号输入通道放大，并经过低通、高通或带通滤波器滤波以及交流放大等处理后，再经A/D转换器8-3转换成数字信号由存储器8-4保存并输入计算机8-5。

计算机8-5内置测控软件的功能是，控制调制盘2-2的转动频率达到所需要的值；控制参考黑体3的温度并使其与红外辐射计内部温度和环境温度保持一致；控制滤光片轮的转动以使所需波段的滤光片移入光路；根据公式(1)计算出红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的光谱辐射出射度M(λ，T_BB)，再根据公式(2)计算出红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的辐射温度T。

$V=K\×G\×\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^4}\right)\×{(D_{10}\×\mathrm{FOV})}^2$

$\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Collimator}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{IO}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{En}})]\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

$T=C_3.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^3+C_2.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^2+C_1.{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}+C_0---\left(2\right)$

式中，V表示红外探测器输出的电压值，K表示红外辐射计比例因子，G表示红外辐射计电子增益，D₁₀表示红外辐射计探测器有效入瞳直径，FOV表示红外辐射计探测器的视场，ε_BB表示红外热像仪测试设备中靶标或面源黑体的发射率，τ_Collimator(λ)表示红外热像仪测试设备中准直光管的红外光谱传输比，τ_IO(λ)表示红外辐射计入瞳透射比，M(λ，T_En)表示环境的光谱辐射出射度，C₃、C₂、C₁、C₀为方程系数，以上参量均为已知量。

红外辐射计测量红外热像仪测试设备辐射温度时，进入红外辐射计的辐射通量包括红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的辐射通量、红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标反射的环境辐射通量、红外辐射计会聚光学系统1本身的辐射通量、参考黑体3经斩波器反射的辐射通量、参考黑体反射红外辐射计内辐射并经斩波器反射的辐射通量、斩波器叶片自身的辐射通量等部分，因此红外辐射计的输出信号与以上各分量都有关系。但是当红外辐射计内部参考黑体3的温度、红外辐射计内部温度与环境温度相等时，红外辐射计的输出信号可简化为(1)式，在一定程度上消除了红外热像仪测试设备各组成部分的自身辐射对红外辐射计测量结果的影响，而且能给探测器提供有效、稳定的辐射背景。因此，本发明中通过计算机控制始终使参考黑体3的温度与红外辐射计内部温度和环境温度保持一致。

在测试应用时，将本发明红外辐射计安装在一个三维可调支架上，并通过调节该支架的高低，使红外辐射计的中心高度与红外热像仪测试设备的中心高度保持一致，然后调节支架的俯仰和旋转使得红外热像仪测试设备出射的准直辐射正入射在红外辐射计的入瞳上。分别打开斩波器2、参考黑体3、瞄准系统4、滤光片轮、前置放大器8-1、锁相放大器8-2和计算机8-5的电源开关，调节调制盘2-2的转动频率使其工作在所需频率下，所有电器预热20分钟。光学系统1的会聚光束由叶片正面反射后进入CCD瞄准系统4，通过观察CCD瞄准系统4，微调光学系统1，使被测红外热像仪测试设备的十字分划对准CCD瞄准系统4的十字分划，即红外辐射计光路达到最佳状态。计算机8-5控制参考黑体3的温度，使其达到红外辐射计内铂金电阻测量的温度。根据测量波段的需要，计算机8-5控制滤光片轮的转动，使所需滤光片转入光路。红外探测器7交替接收红外热像仪测试设备的入射辐射和参考黑体3的辐射，输出信号经过前置放大器8-1进行电压放大，再经锁相放大器8-2的同步放大和滤波，再经A/D转换器8-3转换成数字信号由存储器8-4保存并输入计算机8-5，计算机8-5通过测控软件自动计算出红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的辐射温度。测量结束，关闭斩波器2、参考黑体3、瞄准系统4、滤光片轮、前置放大器8-1、锁相放大器8-2和计算机8-5的电源开关。

本发明的精密红外辐射计通过斩波器的设计实现双光路设计，使得入射辐射、参考黑体辐射交替进入红外探测器，以提高红外辐射计温度分辨率，消除自身内部温度漂移带来的误差，而参考黑体温度与环境温度保持一致，从而在一定程度上消除红外热像仪测试设备各组成部分的自身辐射对测量结果的影响，此外限制光阑组的应用使得两条光路对探测器所张立体角相同，且两条光路重合，有效地消除杂散辐射，从而可用于实现红外热像仪测试设备辐射温度高准确度测量，能够为红外辐射计的设计、研制和使用提供可靠依据。

Claims (2)

1.一种红外辐射计，包括含有前置放大器(8-1)、锁相放大器(8-2)、A/D转换器(8-3)和计算机(8-5)的信号采集、处理与控制系统(8)，依次放置的光学系统(1)、斩波器(2)、参考黑体(3)、滤光片组(5)、限制光阑组(6)和红外探测器(7)；所述光学系统(1)由多片透镜组成，斩波器(2)由驱动电机(2-1)和调制盘(2-2)组成，调制盘(2-2)为中间厚边缘薄且盘面分为镂空部分和叶片部分，叶片部分正面镀高反射率铝膜，反面均匀涂制黑漆，调制盘(2-2)的中心轴孔与驱动电机(2-1)的转轴固连且调制盘(2-2)的正面与光学系统(1)的光轴呈45°夹角，驱动电机(2-1)的驱动电路与所述计算机(8-5)相连；参考黑体(3)带有测温电路且测温电路的输出送给所述计算机，参考黑体(3)在计算机的控制下以恒温工作；滤光片组(5)含有3μm～5μm带通滤光片和8μm～12μm的带通滤光片，两个滤光片对称安装在滤光片轮上，滤光片轮由受所述计算机(8-5)控制的电机驱动；其特征在于：所述限制光阑组(6)由三个光阑组成，各光阑的两个表面分别涂制高吸收率的黑漆，第一光阑(6-1)紧贴所述参考黑体(3)且正对所述红外探测器(7)的端面垂直于所述光学系统(1)的光轴，第一光阑(6-1)的口径为R₁＝100x₁/250，x₁表示第一光阑(6-1)与红外探测器(7)之间的距离；第二光阑(6-2)为滤光片轮上未安装滤光片的部分，第二光阑(6-2)与所述红外探测器(7)之间的距离为x₂＝250R₂/100，R₂表示滤光片的口径；第三光阑(6-3)垂直于所述光学系统(1)的光轴，第三光阑(6-3)的口径为R₃＝100x₃/250，x₃表示第三光阑(6-3)与所述红外探测器(7)之间的距离；当所述调制盘(2-2)的镂空部分进入光路时，来自被测红外热像仪测试设备的准直辐射通过所述光学系统(1)会聚并经过滤光片组(5)和限制光阑组(6)形成3μm～5μm或8μm～12μ.m波段的红外辐射并到达红外探测器(7)，红外探测器(7)将经过调制的辐射测量信号转化为电信号输出；当所述调制盘(2-2)的叶片部分进入光路时，所述参考黑体(3)的辐射由所述叶片反面反射后经过滤光片组(5)和限制光阑组(6)也到达红外探测器(7)，红外探测器(7)将红外辐射背景信号转化为电信号输出；所述红外探测器(7)的输出信号经所述前置放大器(8-1)进行电压放大，再经所述锁相放大器(8-2)的同步放大电路中的信号输入通道放大，并经过低通、高通或带通滤波器滤波处理后，由A/D转换器(8-3)转换成数字信号并输入计算机(8-5)；所述计算机(8-5)内置有测控软件，其功能是：控制调制盘(2-2)的转动频率达到所需要的值；对参考黑体(3)进行温度控制并使参考黑体(3)的工作温度与红外辐射计内部温度和环境温度保持一致；控制滤光片轮的转动以使所需波段的滤光片移入光路；根据以下一组公式计算出红外热像仪测试设备中面源黑体或靶标的光谱辐射出射度M(λ，T_BB)及辐射温度T：

$V=K\×G\×\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^4}\right)\×{(D_{10}\×\mathrm{FOV})}^2$

$\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Collimator}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{IO}}\left(\mathrm{\λ}\right)\×[M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})-M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{En}})]\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

$T=C_3.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^3+C_2.{\left[{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}\right]}^2+C_1.{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{BB}}M(\mathrm{\λ},T_{\mathrm{BB}})\mathrm{d\λ}+C_0---\left(2\right)$

式中，V表示红外探测器输出的电压值，K表示红外辐射计比例因子，G表示红外辐射计电子增益，D₁₀表示红外辐射计探测器有效入瞳直径，FOV表示红外辐射计探测器的视场，ε_BB表示红外热像仪测试设备中靶标或面源黑体的发射率，τ_Collimator(λ)表示红外热像仪测试设备中准直光管的红外光谱传输比，τ_IO(λ)表示红外辐射计入瞳透射比，M(λ，T_En)表示环境的光谱辐射出射度，C₃、C₂、C₁、C₀为方程系数，以上参量均为已知量。

2.根据权利要求1所述的红外辐射计，其特征在于：还包括一个用于调整光路的CCD瞄准系统(4)，所述光学系统(1)的会聚光束由所述叶片正面反射后进入所述CCD瞄准系统(4)，微调所述光学系统(1)，使被测红外热像仪测试设备的十字分划对准CCD瞄准系统(4)的十字分划，即红外辐射计光路达到最佳状态。