CN106053023B - 一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，包括：确定所述系统中的杂散辐射源，其中，所述杂散辐射源的总个数为N个，所述杂散辐射源包括：光学元件自身的热辐射、机械结构自身的热辐射；对于第i个杂散辐射源，计算其辐射面上辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；对φ_i的传输过程进行分析，计算其在探测器上的辐射照度E_i；计算N个杂散辐射源在探测器上的总辐射照度E。其中，N为大于1的整数，i＝1,…N。本发明的方法能够对杂散辐射与温度的关系进行定量分析，从而可为不同温度下杂散辐射的抑制提供理论制导。进一步的，通过在不同温度下有效抑制杂散辐射，能够有效提高系统的测量精度。

Description

一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法

技术领域

本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法。

背景技术

杂散辐射是指到达光学系统探测器靶面的非目标辐射能量。杂散辐射的危害性在于，其会大大降低系统的信噪比，严重时会使目标信号完全湮没在杂散辐射引起的噪声中，从而使系统探测不到目标。而且，由于目标像中含有杂散辐射能量，若在目标辐射特性测量中不对杂散辐射进行分析与修正，则会影响系统的定量测量精度。

随着大口径、长焦距红外系统的应用，以及探测器灵敏度的大幅度提高，杂散辐射已经成为影响红外光学系统成像与测量的重要因素。与可见光系统不同，红外光学系统不仅包括由外部光源引起的杂散辐射，还包括由系统自身引起的杂散辐射，主要表现为系统内部光学元件及机械结构表面的热辐射。可见，与可见光系统相比，红外光学系统的杂散辐射特性更为复杂。

目前，国内正在加大对杂散光的研究力度，并取得了一定的成果。但是，国内主要关注于对外部杂散光及成像杂散光的分析，而对红外光学系统内部杂散辐射的定量分析工作较少。如此一来，不便于对红外光学系统的杂散辐射进行抑制，进而使得系统的测量精度难以继续提高。

鉴于现有技术中存在对红外光学系统自身杂散辐射进行分析计算的需求，本发明提供了一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，以对杂散辐射与温度的关系进行定量分析，进而为不同温度下杂散辐射的抑制工作提供理论制导，有效提高系统的测量精度。

本发明的红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，包括：

S1、确定所述系统内部的杂散辐射源；其中，所述杂散辐射源的总个数为N个；所述杂散辐射源包括：光学元件自身的热辐射、机械结构自身的热辐射；

S2、对于第i个杂散辐射源，计算其辐射面上辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；

S3、对φ_i的传输过程进行分析，计算其在探测器上的辐射照度E_i；

S4、计算N个杂散辐射源在探测器上的总辐射照度E；

其中，N为大于1的整数，i＝1,…N。

优选的，在步骤S3中，E_i的计算公式具体为：

式中，Φ_i为探测器表面接收的辐射功率，A_d为探测器的探测面积，Δ_i为无穷小量。

优选的，步骤S2包括：

S21、以第i个杂散辐射源表面作为物方，以该辐射面到探测器之间的光学元件作为成像光学系统，计算该成像光学系统的入瞳位置q(x_e,y_e,z_e)、以及入瞳直径D；

S22、计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量以及，计算由点p(x,y,z)出射、且过入瞳中心的主光线的方向向量其中，

S23、计算所述法线向量与所述方向向量之间的夹角的余弦值

S24、计算点p(x,y,z)相对入瞳的立体角Ω；

式中，cosθ为主光线的方向向量与光轴的方向向量之间夹角的余弦值，

S25、计算该辐射面辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；

式中，S为该辐射面在yz平面上的投影区域，L为该辐射面的辐射亮度。

优选的，所述辐射亮度L具体为：

式中，λ为波长，T为绝对温度，c₁、c₂为辐射常数，ε为该辐射面的发射率。

优选的，在步骤S22中，计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量具体为：

确定该辐射面的面形方程F(x,y,z)，

F(x,y,z)＝my²+nz²+kx²-2r₀x＝0；

计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量

α_N＝-(kx-r₀)/Δ；

β_N＝-(my)/Δ；

γ_N＝-(qz)/Δ；

其中，k＝1-e²，e为偏心率，r₀为顶点的曲率半径，m、n为判断面型的常数；

优选的，在步骤S22中，主光线的方向向量具体为：

α＝(x_e-x)/Δ_e；

β＝(y_e-y)/Δ_e；

γ＝(z_e-z)/Δ_e；

式中，

优选的，所述红外测量系统具体为卡塞格林光谱分光式红外测量系统，所述杂散辐射源包括：主镜、次镜、分色镜、补偿镜、透镜的热辐射，以及，次镜支撑架、分色镜支撑架、补偿镜支撑架的热辐射。

在本发明的技术方案中，红外测量系统自身杂散辐射的分析方法主要包括：确定所述系统中的杂散辐射源；对于第i个杂散辐射源，计算其辐射面上辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；对φ_i的传输过程进行分析，计算其在探测器上的辐射照度E_i；计算N个杂散辐射源在探测器上的总辐射照度E。当红外测量系统设计完成后，其光学元件的面型、厚度、间隔，光学元件与机械结构表面的相对位置以及光学元件与机械结构表面的发射率、反射率等特性参数即能确定。因此，对于一个特定的红外测量系统，E的变化只与辐射面的辐射亮度，即系统的工作温度有关。也就是说，本发明的方法能够对系统自身杂散辐射与温度的关系进行定量分析，从而可为不同温度下杂散辐射的抑制提供理论制导。进一步的，通过在不同温度下有效抑制杂散辐射，能够有效提高系统的测量精度。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是本发明的红外测量系统自身杂散辐射的分析方法流程图；

图2是示出的卡塞格林光谱分光式红外测量系统结构示意图；

图3是表面杂散辐射分析原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

在红外测量系统中，杂散辐射是影响系统探测性能的重要因素之一。为了在设备研制时采取抑制杂散辐射的相应措施、定量分析抑制效果，通常需要研究人员对杂散辐射进行定量分析。但是，由于红外测量系统的杂散辐射的特性较为复杂，因此，国内主要专注于对外部杂散光和成像杂散光的研究，而对于红外测量系统内部杂散辐射的定量分析较少。

鉴于此，本申请的发明人提出了一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，以定量分析不同工作温度下的杂散辐射，以便为杂散辐射抑制工作提供理论指导、定量分析杂散辐射的抑制效果，提升系统的探测能力和测量精度。

下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。图1示出了本发明的红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、确定红外测量系统内部的杂散辐射源。其中，所述杂散辐射源的总个数为N个，N为大于1的整数。所述杂散辐射源包括：光学元件自身的热辐射、机械结构自身的热辐射。

具体地，我们以图2所示的地基大口径卡塞格林光谱分光红外测量系统为例进行说明。在该系统中，其光学部分采用以卡塞格林反射系统为前级、透镜组为后级的二级光学方案，其结构部分主要包括主镜筒、共基面组合式三合一小系统。在该系统中，光学元件自身的热辐射主要来自主镜、次镜、分色镜、补偿镜、透镜组等，机械结构自身的热辐射主要来自次镜支撑架、分色镜与光轴垂直面对应的机械结构等。

步骤S2、对于第i个杂散辐射源，计算其辐射面上辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i。其中，i＝1,…N。

具体地，步骤S2包括步骤S21-S25。步骤S21：以第i个杂散辐射源表面作为物方，以该辐射面到探测器之间的光学元件作为成像光学系统，计算该成像光学系统的入瞳位置q(x_e,y_e,z_e)、以及入瞳直径D。

在步骤S21中，我们可根据几何光学原理计算该成像光学系统中的入瞳位置、以及入瞳的大小。由于如何确定入瞳位置、入瞳大小的部分属于本领域的公知常识，在此不再赘述。

步骤S22：计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量以及，计算由点p(x,y,z)出射、且过入瞳中心的主光线的方向向量其中，

具体地，在步骤S22中，计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量具体为：首先，确定该辐射面的面形方程F(x,y,z)。比如，我们将面形方程设为二次曲面，即F(x,y,z)满足：

F(x,y,z)＝my²+nz²+kx²-2r₀x＝0

式中，k＝1-e²，e为偏心率，r₀为顶点的曲率半径，m、n为判断面型的常数。在确定了面形方程以后，对F(x,y,z)求偏导，可得：

F′_x＝2kx-2r₀

F′_y＝2py

F′_z＝2qz

然后，计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量可得：

α_N＝-(kx-r₀)/Δ；

β_N＝-(my)/Δ；

γ_N＝-(qz)/Δ；

其中，

另外，在步骤S22中，主光线的方向向量具体为：

α＝(x_e-x)/Δ_e；

β＝(y_e-y)/Δ_e；

γ＝(z_e-z)/Δ_e；

式中，

步骤S23、计算所述法线向量与所述方向向量之间的夹角的余弦值具体地，可根据公式3计算

步骤S24、计算点p(x,y,z)相对入瞳的立体角Ω。具体地，可根据公式4计算立体角Ω。

式中，cosθ为主光线的方向向量与光轴的方向向量之间夹角的余弦值，故cosθ＝α。

步骤S25、计算该辐射面辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i。具体地，可根据公式5计算φ_i。

式中，S为该辐射面在yz平面上的投影区域，L为该辐射面的辐射亮度。

另外，在步骤S2中，我们可基于红外辐射理论计算辐射亮度L。其计算公式为：

式中，λ为波长，T为绝对温度，c₁、c₂为辐射常数，ε为该辐射面的发射率。

由于红外测量系统中的光学元件具有一定的反射率或透过率，因此光学元件或机械结构表面的杂散辐射在传输过程中会有一定的能量损失。因此，我们需要对各个杂散辐射源的传递过程进行分析，即步骤S3。

步骤S3、对φ_i的传输过程进行分析，计算其在探测器上的辐射照度E_i。其中，E_i的计算公式具体为：

式中，Φ_i为探测器表面接收的辐射功率，A_d为探测器的探测面积，Δ_i为无穷小量。

在步骤S3中，为了便于说明，我们设主镜表面为A₁、主镜的辐射亮度为L₁、主镜的反射率为ρ₁；次镜表面为A₂、次镜的辐射亮度为L₂、次镜的反射率为ρ₂；分色镜表面为A₃、辐射亮度L₃、透过率为τ₁；补偿镜表面为A₄、辐射亮度为L₄、透过率为τ₂；透镜表面为A₅、辐射亮度为L₅、透过率为τ₃；红外热像仪镜组、窗口的总透过率为τ₄；次镜支撑架截面为A₆、辐射亮度为L₆；分色镜与补偿镜支撑架的结构表面为A₇、辐射亮度为L₇；分色镜所对应的结构表面为A₈、辐射亮度为L₈。

下面我们以主镜自身杂散辐射的传递过程为例进行说明。主镜表面A₁的辐射功率为φ₁，φ₁经过A2、A3、A4、A5之后，其在探测器靶面的辐射照度E₁为：

式中，Δ₁是无穷小量。

同理，我们可根据以上方法计算次镜、分色镜等其他杂散辐射源在探测器靶面上的辐射照度。

步骤S4、计算N个杂散辐射源在探测器上的总辐射照度E。具体地，我们可根据公式1计算总辐射照度E

具体地，在地基大口径卡塞格林光谱分光红外测量系统中，其总辐射照度E为：

式中，Δ为经过多次散射、反射后的无穷小量。为了简便，我们仅在上式中给出了E₁、E₂、E₈的展开形式，其他杂散辐射源的辐射照度可根据以上方法得出。然后，基于公式5、7，我们可得到探测器上的总辐射照度E具体为：

当红外测量系统设计完成后，其光学元件的面型、厚度、间隔，光学元件与机械结构表面的相对位置以及光学元件与机械结构表面的发射率、反射率等特性参数即能确定。因此，我们可将上式大括号内表征光机结构与表面属性的参数用常量C表示，并将公式6代入上式，由此可得：

在该具体实施例中，我们通过以上方法定量计算了地基大口径卡塞格林光谱分光红外测量系统内部的杂散辐射。通过对系统内部杂散辐射进行定量分析，得到了该系统杂散辐射随温度的变化关系，从而为不同工作温度下杂散辐射的抑制提供了理论指导。进一步的通过有效抑制杂散辐射，提高了系统的测量精度。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (4)

1.一种红外测量系统自身杂散辐射的分析方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、确定所述系统内部的杂散辐射源；其中，所述杂散辐射源的总个数为N个；所述杂散辐射源包括：光学元件自身的热辐射、机械结构自身的热辐射；

S2、对于第i个杂散辐射源，计算其辐射面上辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；

S3、对φ_i的传输过程进行分析，计算其在探测器上的辐射照度E_i；

S4、计算N个杂散辐射源在探测器上的总辐射照度E；

其中，N为大于1的整数，i＝1,…N；

步骤S2包括：

S21、以第i个杂散辐射源表面作为物方，以该辐射面到探测器之间的光学元件作为成像光学系统，计算该成像光学系统的入瞳位置q(x_e,y_e,z_e)、以及入瞳直径D；

S22、计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量以及，计算由点p(x,y,z)出射、且过入瞳中心的主光线的方向向量其中，

S23、计算所述法线向量与所述方向向量之间的夹角的余弦值

S24、计算点p(x,y,z)相对入瞳的立体角Ω；

式中，cosθ为主光线的方向向量与光轴的方向向量之间夹角的余弦值，

S25、计算该辐射面辐射的、且能够被探测器接收的辐射功率φ_i；

式中，S为该辐射面在yz平面上的投影区域，L为该辐射面的辐射亮度；

在步骤S22中，计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量具体为：

确定该辐射面的面形方程F(x,y,z)，

F(x,y,z)＝my²+nz²+kx²-2r₀x＝0；

计算该辐射面在点p(x,y,z)处的法线向量

α_N＝-(kx-r₀)/Δ；

β_N＝-(my)/Δ；

γ_N＝-(qz)/Δ；

其中，k＝1-e²，e为偏心率，r₀为顶点的曲率半径，m、n为判断面型的常数；

在步骤S22中，主光线的方向向量具体为：

α＝(x_e-x)/Δ_e；

β＝(y_e-y)/Δ_e；

γ＝(z_e-z)/Δ_e；

式中，

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，E_i的计算公式具体为：

式中，Φ_i为探测器表面接收的辐射功率，A_d为探测器的探测面积，Δ_i为无穷小量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辐射亮度L具体为：

式中，λ为波长，λ₁和λ₂为波长λ积分的上下限值，T为绝对温度，c₁、c₂为辐射常数，ε为该辐射面的发射率。

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述红外测量系统具体为卡塞格林光谱分光式红外测量系统，所述杂散辐射源包括：主镜、次镜、分色镜、补偿镜、透镜的热辐射，以及，次镜支撑架、分色镜支撑架、补偿镜支撑架的热辐射。