CN109164480B - 一种多次反射红外传感器标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多次反射红外传感器标定装置及方法，其中装置包括：黑体辐射源、离轴抛物面镜、光阑、圆筒反射镜和红外传感器；所述圆筒反射镜的圆筒侧壁设置有入光口和出光口，所述黑体辐射源和离轴抛物面镜设置于圆筒反射镜入光口的外侧，所述光阑设于离轴抛物面镜与圆筒反射镜之间，所述黑体辐射源的辐射光依次经离轴抛物面镜和光阑后射向圆筒反射镜的入光口，并在圆筒反射镜内经多次反射后入射至圆筒反射镜的出光口；所述红外传感器设置于圆筒反射镜的出光口处用于采集红外数据。本发明的多次反射红外传感器标定装置通过圆筒反射镜多次反射光线，增加光程长，用于实验室内模拟远距离不同温湿度定标条件，以解决外场定标中大气影响修正问题。

Description

一种多次反射红外传感器标定装置及方法

技术领域

本发明涉及红外传感器标定技术领域，尤其涉及一种多次反射红外传感器标定装置及方法。

背景技术

红外目标辐射特性测量在军事、工程等领域具有广泛的应用。利用红外系统进行目标辐射特性测量，需要首先对系统红外传感器进行辐射标定，以确定系统响应与入瞳标准辐射值的关系。

目前采用的标定方法主要是实验室近距离标定法。实验室标定是外场测量的基础，精度较高，但在实际辐射测量设备使用时存在以下两方面问题。一方面，实验室空间有限，无法满足对光程长度的要求。另一方面，由于实际外场环境(湿度、温度等)的变化，影响光学测量通路的通过率等指标，实验室所完成的标定关系可能发生较大的变化，在实验室标定时不得不考虑大气环境对标定的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种多次反射红外传感器标定装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多次反射红外传感器标定装置，所述装置包括：黑体辐射源、离轴抛物面镜、光阑、圆筒反射镜和红外传感器；

所述圆筒反射镜的圆筒侧壁设置有入光口和出光口，所述黑体辐射源和离轴抛物面镜设置于所述圆筒反射镜入光口的外侧，所述光阑设于所述离轴抛物面镜与所述圆筒反射镜之间，所述黑体辐射源的辐射光依次经所述离轴抛物面镜和光阑后射向所述圆筒反射镜的入光口，并在所述圆筒反射镜内经多次反射后入射至所述圆筒反射镜的出光口；所述红外传感器设置于所述圆筒反射镜的出光口处用于采集红外数据。

在根据本发明所述的多次反射红外传感器标定装置中，可选地，所述装置还包括：

平面反射镜，设置于所述圆筒反射镜入光口的内侧，用于反射从所述圆筒反射镜的入光口进入的光线至所述圆筒反射镜的圆筒反射面。

在根据本发明所述的多次反射红外传感器标定装置中，可选地，所述黑体辐射源发出的光线经过离轴抛物面镜、光阑、平面反射镜和圆筒反射镜时的光轴位于所述圆筒反射镜的横截面上。

在根据本发明所述的多次反射红外传感器标定装置中，可选地，所述圆筒反射镜为封闭结构，所述圆筒反射镜的入光口和出光口安装有透射窗口。

在根据本发明所述的多次反射红外传感器标定装置中，可选地，所述圆筒反射镜包括基底层，以及表面镀覆的反射膜。可选地，所述基底层由铝制成。可选地，所述反射膜为银膜。

在根据本发明所述的多次反射红外传感器标定装置中，可选地，所述装置还包括：

控制箱，用于黑体温度控制和/或圆筒反射镜内部温度湿度环境控制。

本发明还提供了一种多次反射红外传感器标定方法，包括以下步骤：

根据预设光程长度确定出光口位置，放置红外传感器；

调整所述黑体辐射源的黑体温度T，调整圆筒反射镜内部环境温度t和环境湿度E，记录在所述黑体辐射源的黑体温度为T时，不同环境温度t和不同环境湿度E对应的所述红外传感器的测量数据DN；

根据所述黑体温度为T时圆筒内所述环境温度t和环境湿度E变化下测得的红外传感器的测量数据DN，得到黑体温度T、环境温度t、环境湿度E三者与所述红外传感器的测量数据DN之间的函数关系，用于模拟温湿度外场环境下红外传感器定标。

实施本发明的多次反射红外传感器标定装置及方法，具有以下有益效果：本发明不同于传统近距离红外传感器标定方法，而是采用多次反射的方法，增加光程长度，并可进一步模拟远距离外场大气标定环境，用于红外传感器的辐射标定，增加远距离红外辐射标定，用于实验室内模拟远距离不同温湿度定标条件，以解决外场定标中大气影响修正问题。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的多次反射红外传感器标定装置的结构示意图；

图2为根据本发明第三种实施方式的多次反射红外传感器标定装置的侧面示意图；

图3为根据本发明优选实施例的多次反射红外传感器标定方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的多次反射红外传感器标定装置的结构示意图。如图1所示，该实施例提供的多次反射红外传感器标定装置，至少包括：黑体辐射源1、离轴抛物面镜2、光阑3、圆筒反射镜5和红外传感器6。该图1是以圆筒反射镜5垂直于圆筒中心轴的平面作为横截面得到的示意图。下面描述是根据圆筒反射镜5的径向从内到外来划分内侧和外侧。

其中，圆筒反射镜5的圆筒侧壁分别设置有入光口51和出光口52。黑体辐射源1和离轴抛物面镜2设置于圆筒反射镜5入光口51的外侧。本文中的“外侧”和“内侧”是相对圆筒反射镜5而言，在圆筒反射镜5的内部即为内侧，在圆筒反射镜5的外部即为外侧。

光阑3设于离轴抛物面镜2与圆筒反射镜5之间，黑体辐射源1的辐射光依次经离轴抛物面镜2和光阑3后射入圆筒反射镜的入光口51，并在圆筒反射镜5内经多次反射后入射至圆筒反射镜5的出光口52。红外传感器6则设置于圆筒反射镜5的出光口处用于采集红外数据。

优选地，本发明的多次反射红外传感器标定装置还包括设置于圆筒反射镜5入光口51内侧的平面反射镜4，用于反射从圆筒反射镜的入光口51进入的光线至圆筒反射镜5的内部圆筒反射面。

本发明中的黑体辐射源1作为标准辐射源，辐射光经过离轴抛物面镜2反射成为一束平行光，光线经过光阑3，光阑可用于调整光束的直径并降低噪声影响，再经过平面反射镜4，将光线反射到圆柱反射镜5。优选地，本发明中圆柱反射镜5为密封结构，内部可充入不同条件下大气成分，光线在圆柱反射镜5内部经过多次反射，入射到待标定的红外传感器6入瞳位置。

在本实施例中，黑体辐射源1发出的光线经过离轴抛物面镜2、光阑3和圆筒反射镜5到达红外传感器6时的光轴位于圆筒反射镜5的横截面上。也就是说，首先，黑体辐射源1需要与离轴抛物面镜2中心对齐，并且使得入射圆筒反射镜5的光线位于圆筒反射镜5的横截面上。同样地，平面反射镜4的反射面优选平行于圆筒反射镜5的圆筒中心轴设置。

本发明的圆筒反射镜5包括基底层，以及表面镀覆的反射膜。优选地，基底层由铝制成。优选地，反射膜为银膜。由于标定对圆筒反射镜5的反射率要求高，因此本发明采用银膜作为反射膜材料,其反射率在可见光波段和红外光波段达到95％以上。

更优选地，本发明的多次反射红外传感器标定装置还可进一步包括：控制箱，用于黑体温度控制，以及圆筒反射镜5的内部环境温度和内部环境湿度控制。

本发明的多次反射红外传感器标定装置主要是通过圆筒反射镜多次反射光线，增加光程长度，以此提高标定光路长度。该光程长度可以通过以下公式确定：L＝nl_s+a，其中l_s为圆筒反射镜5的单次反射光程长度，n为反射次数，a为光线入射到圆筒反射镜反射面的长度。其中l_s可以通过实验前测量长度，具体地可以调整入射角度，根据反射角度测量反射镜单次反射光程长度。反射次数可以根据反射角度得出。圆筒反射镜5结构上可以为封闭结构，在入光口和出光口处安装投射窗口，密封结构中根据外场环境模拟大气成分，达到模拟外场远距离标定的效果。

在本发明的第一种实施方式中，入光口51和出光口52的位置固定设置，从而使得所测量的光程长度为确定的参数。

在本发明的第二种实施方式中，入光口51和出光口52的位置可以根据光程长度计算确定。在圆筒反射镜5同一个高度环绕圆周的方向上，可以间隔设置多个投射窗口，其中一个投射窗口确定为入光口51，其它多个投射窗口可以根据需要选择作为出光口52。用作出光口52的投射窗口可以采用灵活切换两种材料，当确定为出光口位置时，对应的投射窗口可以采用透光材料进行密封，如果不属于出光口时，则切换为与圆筒反射镜内壁一体的反射材料进行密封。在该实施例中，黑体辐射源1、离轴抛物面镜2、光阑3和圆筒反射镜5的位置固定，可通过调整平面发射镜4的角度，从而选择出光口52的位置，安装红外传感器6，进而确定对应的光程长度。在本发明第三种实施方式中，在圆筒反射镜5的不同高度上设置多组入光口51和出光口52，如图2所示。由于入光口51和出光口52相隔的位置不同，就决定了光线在圆筒反射镜5内部反射的光程长度不同。不同高度上平面反射镜54的角度不同，使得入射光线可以达到各自的出光口52。用户在进行标定时，可以根据预设的光程长度选择不同高度的位置来设置黑体辐射源1、离轴抛物面镜2、光阑3和红外传感器6的高度。

请参阅图3，为根据本发明优选实施例的多次反射红外传感器标定方法的流程图。该方法可以应用于前述多次反射红外传感器标定装置。如图3所示，该实施例提供的方法包括以下步骤：

步骤S1：选择预设光程长度L(1，2...n)，确定出光口52位置，放置红外传感器。n为出光口数量。当采用前述第二种实施方式的装置实现时，每个出光口位置对应一个光程长度，因此可以通过预设光程长度选择出光口位置安装红外传感器6，并调整平面反射镜4的反射角度。

当采用前述第三种实施方式的装置实现时，每个高度对应一个光程长度，因此可以通过预设光程长度选择测试进行的高度，从而调整黑体辐射源1、离轴抛物面镜2、光阑3和红外传感器6的高度，确定入光口51和出光口52的高度。

步骤S2：调整所述黑体辐射源的黑体温度T，调整圆筒反射镜内部环境温度t和环境湿度E，记录在所述黑体辐射源的黑体温度为T时，不同环境温度t和不同环境湿度E对应的所述红外传感器的测量数据DN；

步骤S3：根据所述黑体温度为T时圆筒内所述环境温度t和环境湿度E变化下测得的红外传感器的测量数据DN，得到黑体温度T、环境温度t、环境湿度E三者与所述红外传感器的测量数据DN之间的函数关系DN＝f(T，t，E)，用于模拟温湿度外场环境下红外传感器定标。综上所述，本发明公开了多次反射红外传感器标定装置，黑体辐射经过离轴抛物面镜，变成平行光束，再经过平面反射镜入射到圆柱反射镜内，在内部经多次反射，光线出射到红外传感器靶面，采集对应温度点红外传感器数据。该装置在实验室有限空间条件下增加了光程长度，并且可进一步模拟外场大气条件，最大程度还原外场实际环境，大大提高红外标定精度，降低标定不确定度，提高标定外场测量设备的标定精度，从而提高特性数据处理精度。并且装置结构简单经济实用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述装置包括：黑体辐射源、离轴抛物面镜、光阑、圆筒反射镜和红外传感器；

所述圆筒反射镜的圆筒侧壁设置有入光口和出光口，所述黑体辐射源和离轴抛物面镜设置于所述圆筒反射镜入光口的外侧，所述光阑设于所述离轴抛物面镜与所述圆筒反射镜之间，所述黑体辐射源的辐射光依次经所述离轴抛物面镜和光阑后射向所述圆筒反射镜的入光口，并在所述圆筒反射镜内经多次反射后入射至所述圆筒反射镜的出光口；所述红外传感器设置于所述圆筒反射镜的出光口处用于采集红外数据。

2.根据权利要求1所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述装置还包括：

平面反射镜，设置于所述圆筒反射镜入光口的内侧，用于反射从所述圆筒反射镜的入光口进入的光线至所述圆筒反射镜的圆筒反射面。

3.根据权利要求2所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述黑体辐射源发出的光线经过离轴抛物面镜、光阑、平面反射镜和圆筒反射镜时的光轴位于所述圆筒反射镜的横截面上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述圆筒反射镜为封闭结构，所述圆筒反射镜的入光口和出光口安装有透射窗口。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述圆筒反射镜包括基底层，以及表面镀覆的反射膜。

6.根据权利要求5所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述基底层由铝制成。

7.根据权利要求5所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述反射膜为银膜。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述装置还包括：

控制箱，用于黑体温度控制和/或圆筒反射镜内部温度湿度环境控制。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的多次反射红外传感器标定装置，其特征在于，所述圆筒反射镜的入光口和出光口为多组，且位于圆筒反射镜的不同高度上。

10.一种多次反射红外传感器标定方法，其特征在于，基于权利要求4所述的多次反射红外传感器标定装置实现，所述方法包括：

根据预设光程长度确定出光口位置，放置红外传感器；

调整所述黑体辐射源的黑体温度T，调整圆筒反射镜内部环境温度t和环境湿度E，记录在所述黑体辐射源的黑体温度为T时，不同环境温度t和不同环境湿度E对应的所述红外传感器的测量数据DN；

根据所述黑体温度为T时圆筒内所述环境温度t和环境湿度E变化下测得的红外传感器的测量数据DN，得到黑体温度T、环境温度t、环境湿度E三者与所述红外传感器的测量数据DN之间的函数关系，用于模拟温湿度外场环境下红外传感器定标。