CN104614080A - 红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差计算方法，步骤如下：S1：建立红外光学系统的杂散辐射模型；S2：将光源设置为某一温度的面源黑体，追迹光线后得到面源黑体经红外光学系统所成的像；S3：处理像面光照度图像，把像面合理分块为若干个小单元，计算每一小单元上的能量大小；S4：根据处理结果分析得到像面平均能量、最大单元能量和最小单元能量，结合单元像面面积，计算局部辐照度偏差系数；S5：根据红外光学系统视场对像面照度的影响，对局部辐照度偏差系数作出数值修正；S6：由局部辐照度偏差系数与像面偏差温度之间的关系式计算出最大偏差温度的大小。本方法简单，计算量小，已经在实际项目中投入运用。

Description

红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差计算方法

技术领域

本发明涉及一种分析杂散辐射对红外光学系统所成像影响的方法，特别是涉及一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法。

背景技术

目前，杂散辐射系数、鬼像分析是两种评判杂散辐射对光学系统所成像影响的方法。杂散辐射系数可以评价最终到达探测器靶面的杂散辐射量的多少，其大小为到达探测器靶面的杂散辐射照度与到达探测器靶面的所有辐射照度的比值，比值越小，杂散辐射对像面质量的影响越小。红外光学系统是否产生鬼像是系统设计关心的重点，鬼像是目标物体发出的光线经机械结构或镜组的反射、折射后，在系统成像面附近生成的像。这个附加像一般亮度较暗，但与原目标像分开，影响了成像质量。鬼像分析采取像面观察法和光线路径追迹法。如果鬼像对成像的干扰较小，那么光学系统的成像就是合格的。

但是，以上两种评判杂散辐射影响的方法都没有把杂散辐射与像面温度偏差联系起来。在某些应用领域中需要知道杂散辐射与像面温度改变量之间的关系，比如目标模拟器中的准直光学系统，设计指标中对由杂散辐射产生的背景最大温差做出了限制。杂散辐射是对像面施加的附加辐射，会对最终的成像温度产生影响。经查新，有关论述杂散辐射与其所产生的像面温度改变量的问题还没有在相关文献中见到。

发明内容

为了克服现有的杂散辐射分析方法无法反映像面温差的不足，本发明提出了一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法。

为了实现本发明的目的，采取如下技术方案：

一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，包括以下步骤：

S1：建立红外光学系统的杂散辐射模型；

S2：将光源设置为某一温度的面源黑体，追迹光线后得到面源黑体经红外光学系统所成的像；

S3：用MATLAB处理S2得到的像面光照度图像，把像面合理分块为若干个小单元，计算每一小单元上的能量大小；

S4：根据S3的处理结果分析得到像面平均能量、最大单元能量和最小单元能量，结合单元像面面积，计算局部辐照度偏差系数；

S5：根据红外光学系统视场对像面照度的影响，对局部辐照度偏差系数作出数值修正；

S6：由局部辐照度偏差系数与像面偏差温度之间的关系式计算出最大偏差温度的大小，所述局部辐照度偏差系数与像面偏差温度之间的关系为：

$\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{M}_{\mathrm{\λ}}\left(T_L\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{M}_{\mathrm{\λ}}(T_L+\mathrm{\ΔT})\mathrm{d\λ}}=\frac{1}{1+\mathrm{\ζ}},$

其中：为黑体辐射出射度公式；

第一辐射常数c₁＝3.7418×10^-16(Wgm²)；

第二辐射常数c₂＝1.4388×10^-2(mgK)；

λ₁，λ₂为波段范围；

ΔT为像面最大偏差温度；

T_L为理想像面温度；

ζ为局部辐照度偏差系数。

所述步骤S2中，使用的光源为面光源。

所述步骤S3中，对光照度图的分块处理方式为：把光照度图分割成为若干个小正方形区域单元，由于追迹的光线数量是有限的，所以确定区域单元的面积大小时，要尽量使相邻区域单元内能量分布接近。定义相邻单元相对能量改变量为应使ΔW控制在1％到2％之间。

所述步骤S4中，局部辐照度偏差系数为：

$\mathrm{\ζ}=\frac{(M_{\max }-M_{\min })/2}{M_{\mathrm{ave}}}=\frac{\mathrm{\ΔM}}{M_{\mathrm{ave}}};$

其中：ζ为局部辐照度偏差系数；

M_ave为所有局部单元的平均辐照度；

M_max为最大局部单元辐照度；

M_min为最小局部单元辐照度。

所述步骤S5中，光学系统视场与像面照度的关系为：

E_e＝E_ccos⁴ω；

其中：E_c为中心视场照度；

E_e为边缘视场照度；

ω为光学系统视场大小。

所述步骤S6中，

当光源为太阳光时，入射光为全波段，此时上述计算公式可化简为：

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_L}=\frac{\mathrm{\ζ}}{4(1-\mathrm{\ζ})}.$

本发明给出了计算杂散辐射与其所导致的最大像面温度偏差的步骤，首次定义了局部辐照度偏差系数这一能间接反映像面温度变化的概念，推导出了局部辐照度偏差系数与最大像面温差的关系表达式。本发明方法简单，部分计算可直接调用相关软件(如MATLAB)已有的数学函数解决，总计算量小，计算时间较短，已经在实际项目中投入运用。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供了一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，具体实施步骤如下：

在光线追迹软件如TRCEPRO中建立完整的红外系统杂散辐射分析模型，将光源设置为某一温度面光源后追迹光线，得到像面上的光照度分布情况。用MATLAB分析此光照度图，将光照度图分块成若干区域单元，得到所有局部单元的平均能量W_ave、最大局部单元能量W_max和最小局部单元能量W_min。由此计算出局部辐照度偏差系数，考虑光学系统视场后得到修正的局部辐照度偏差系数。由推导出的温差与局部辐照度偏差系数的关系公式计算最大像面温差值。

具体实施方式二：本实施方式以某所研制的红外双波段目标模拟器的准直光学系统为实例对本发明进行说明。

(1)将设计完成的红外光学系统导入杂散辐射分析软件如TRACEPRO中，因为要检测的是准直光学系统，所以在其后添加理想成像透镜使平行光会聚。

(2)将光源设置为某一温度的均匀面光源后追迹光线，找到像面，得到像面上的光照度图。把像面光照度图保存为文本格式的文件，该文件是包含有像面上各采样点辐照度值的矩阵。

(3)用MATLAB打开此文件，把像面分割为若干小区域单元。由于该目标模拟器采用的光源是256×256单元矩阵的电阻阵列，所以也应该将像面分成256×256个小单元进行分析，但是由于追迹的光线数量有限，不能保证像面上每一个像元处能量分布绝对均匀。所以在确定区域单元大小时，应使相邻的单元能量值接近，即相邻单元能量均匀过渡。实际数据分析时，将像面照度矩阵进行面元分割。当以4×4为局部单元时，相邻单元相对能量改变量为1.48％，所以可以将整个像面分成64×64个局部单元，分别计算每个单元内的能量大小。

(4)经过计算得到所有局部单元的平均能量W_ave，最大局部单元能量W_max和最小局部单元能量W_min。因为每个单元的面积相同，所以又可以转化为平均辐照度M_ave，最大局部单元辐照度M_max，最小局部单元辐照度W_min，可以计算出局部辐照度偏差系数 $\mathrm{\ζ}=\frac{M_{\max }-M_{\min }}{{2M}_{\mathrm{ave}}}=\frac{\mathrm{\ΔM}}{M_{\mathrm{ave}}}=4\%.$

(5)在光学系统存在一定视场时，即使没有杂散辐射的干扰，边缘视场与中心视场的光照度也会有偏差。中心视场照度E_c与边缘视场照度E_e满足关系式E_e＝E_c cos⁴ω，ω为视场大小。由于该准直光学系统接存在4°视场，可以计算出中心照度和边缘照度存在着1％的原始偏差，所以再对局部辐照度偏差系数进行修正后为3％。

(6)本发明给出了推导出的局部辐照度偏差系数与像面偏差温度的关系表达式。该目标模拟器是用于模拟中波红外目标的，设计要求λ₁＝3.5μm，λ₂＝5.1μm，理想模拟温度为983K。根据推出的计算任意波段杂散辐射产生的像面温度偏差的公式可以得到像面温度偏差约为1.5K。由此可知，准直光学系统产生的杂散辐射(包含电阻阵列产生芯片表面反射产生的热反光晕和镜壁反射)引起的像面最大温度偏差不超过2℃。

Claims (6)

1.一种红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述计算方法步骤如下：

S1：建立红外光学系统的杂散辐射模型；

S2：将光源设置为某一温度的面源黑体，追迹光线后得到面源黑体经红外光学系统所成的像；

S3：用MATLAB处理S2得到的像面光照度图像，把像面合理分块为若干个小单元，计算每一小单元上的能量大小；

S4：根据S3的处理结果分析得到像面平均能量、最大单元能量和最小单元能量，结合单元像面面积，计算局部辐照度偏差系数；

S5：根据红外光学系统视场对像面照度的影响，对局部辐照度偏差系数作出数值修正；

S6：由局部辐照度偏差系数与像面偏差温度之间的关系式计算出最大偏差温度的大小，所述局部辐照度偏差系数与像面偏差温度之间的关系为：

$\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{M}_{\mathrm{\λ}}\left(T_L\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{M}_{\mathrm{\λ}}(T_L+\mathrm{\ΔT})\mathrm{d\λ}}=\frac{1}{1+\mathrm{\ζ}},$

其中：为黑体辐射出射度公式；

第一辐射常数c₁＝3.7418×10^-16(Wgm²)；

第二辐射常数c₂＝1.4388×10^-2(mgK)；

λ₁，λ₂为波段范围；

ΔT为像面最大偏差温度；

T_L为理想像面温度；

ζ为局部辐照度偏差系数。

2.根据权利要求1所述的红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述步骤S2中，光源为面光源。

3.根据权利要求1所述的红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述S3中，把光照度图分割成为若干个小单元时，要使相邻区域单元内能量分布接近，相邻单元相对能量改变量控制在1％到2％之间。

4.根据权利要求1所述的红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述步骤S4中，局部辐照度偏差系数为：

$\mathrm{\ζ}=\frac{(M_{\max }-M_{\min })/2}{M_{\mathrm{ave}}}=\frac{\mathrm{\ΔM}}{M_{\mathrm{ave}}};$

其中：ζ为局部辐照度偏差系数；

M_ave为所有局部单元的平均辐照度；

M_max为最大局部单元辐照度；

M_min为最小局部单元辐照度。

5.根据权利要求1所述的红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述步骤S5中，光学系统视场与像面照度的关系为：

E_e＝E_ccos⁴ω；

其中：E_c为中心视场照度；

E_e为边缘视场照度；

ω为光学系统视场大小。

6.根据权利要求1所述的红外光学系统因杂散辐射引起的最大像面温差的计算方法，其特征在于所述步骤S6中，当光源为太阳光时，入射光为全波段，计算公式可化简为：

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_L}=\frac{\mathrm{\ζ}}{4(1-\mathrm{\ζ})}.$