CN109632104A - 一种红外阵列辐射源校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种红外阵列辐射源校准装置及校准方法，装置包括光源系统、准直光学系统、平面反射镜、精密转台、会聚光学系统、红外图像采集系统、辐射探测系统、数据采集系统和计算机及测控系统。本发明采用被测红外阵列辐射源与参考黑体的比较的方法，参考黑体选用一级标准黑体，一级标准黑体可以直接溯源到凝固点黑体上，其温度稳定性±0.1℃/h，发射率可达0.995，极大的提高了测量的准确性，并减小了测量结果不确定度。本发明低背景源用于消除背景辐射，增加辐射探测系统的探测能力，提高系统的探测精度和稳定性，低背景源制成中空桶状，内部结构全部采用焊接密封，可以注入液氮用，为探测器提供一个冷背景，降低环境的辐射，提高信噪比。
Description
技术领域
本发明属于光学计量领域，主要涉及红外阵列辐射源校准装置及其校准方法，尤其涉及红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、像素温升温降时间、对比度、最小可分辨温差等参数的校准。
背景技术
红外阵列辐射源是一种动态红外辐射源，主要由阵列发光单元、计算机和控制系统组成，计算机生成可见光视频图像，控制系统驱动阵列发光单元发光，生成与实际军事目标形状、温度和速度等一致，比例缩小的红外视频目标，如动态的飞机、坦克等，红外阵列辐射源一般被放置在光学准直系统的焦面上，作为红外动态目标模拟器，模拟无穷远的红外目标，用于红外搜/跟光电武器系统室内动态仿真测试测试。
为了评估这些武器系统的性能，需要对其性能参数进行测试，室内红外动态仿真测试技术能够减少外场实验次数，降低研制周期和成本，且具有保密性，而且可以缩短项目研制周期，节省人力物力，对于红外导引头等武器系统的批量测试尤为重要，目前我国已经能够研制微电阻、微反射镜等型红外阵列辐射源，特别是我国自行研制的微电阻红外阵列辐射源，技术相当成熟，已达到比较高的水平，如分辨率最高可达256×256，(3～5)μm波段的最高等效温度可达600K，能够准确产生真实的红外目标。此外，我国研制的微反射镜红外阵列辐射源分辨率可达1024×768，辐射面尺寸为14mm×10.5mm，帧频最高可达200Hz，(3～5)μm波段的等效温度高达700K，生成的红外目标清晰、逼真，完全满足模拟目标所需要的红外和动态特性要求。
但红外阵列辐射源的校准装置与方法目前还没有公开报道，需要提出相关技术方案实现对红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、对比度、最小可分辨温差等参数的校准。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种红外阵列辐射源校准装置及校准方法，实现红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、对比度、最小可分辨温差的校准。
本发明的技术方案为：
所述一种红外阵列辐射源校准装置，其特征在于：包括光源系统(1)、准直光学系统(2)、平面反射镜(3)、精密转台(4)、会聚光学系统(5)、红外图像采集系统(6)、辐射探测系统(7)、数据采集系统(8)和计算机及测控系统(9)；
所述光源系统(1)由参考黑体、被测红外阵列辐射源及一维电动平移台构成，由一维电动平移台控制，能够依次将参考黑体和被测红外阵列辐射源移入测试光路；
所述准直光学系统(2)由光阑和平行光管组成，光阑限制进入准直光学系统的杂光，平行光管将参考黑体或被测红外阵列辐射源产生的光变为平行光；
所述平面反射镜(3)安装在精密转台(4)上，由准直光学系统转换的平行光入射到平面反射镜上，根据测试参数的需要，精密转台(4)控制平面反射镜(3)将入射光反射到会聚光学系统(5)或红外图像采集系统(6)，其中测试等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性时，反射到会聚光学系统(5)，测试对比度以及最小可分辨温差时，反射到红外图像采集系统(6)；
所述会聚光学系统(5)会聚的光输入辐射探测系统(7)；所述辐射探测系统(7)由滤光片(7-1)、视场光阑(7-2)、斩波器(7-3)、椭球反射镜(7-4)、红外探测器(7-5)、低背景源(7-6)组成；
经会聚光学系统(5)会聚的光经过滤光片转换为测试波段的信号光，经视场光阑滤除杂光后，由斩波器调制，将调制后的信号经椭球反射镜反射进入红外探测器，低背景源为红外探测器提供低背景；
辐射探测系统(7)的测试输出信号由数据采集系统(8)采集后，输出至计算机及测控系统(9)；
红外图像采集系统(6)的输出信号直接输出至计算机及测控系统(9)。
利用上述装置进行红外阵列辐射源校准的方法，其特征在于：校准参数为红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、对比度和最小可分辨温差；
对于等效温度：
首先，将被测红外阵列辐射源移入光路，将其温度设置为T设置，通过平面反射镜(3)将红外辐射信号反射到会聚光学系统(5)，会聚光进入辐射探测系统(7)，最终会聚到红外探测器(7-5)探测面上，红外探测器(7-5)输出电压为V；
其次，将参考黑体移入光路，保持光路中其他器件位置不变，调节参考黑体的温度T标准黑体使得红外探测器(7-5)输出电压也为V；
最后依据公式
得到被测红外阵列辐射源在T设置温度下的等效温度T等效温度，其中ε标准黑体为参考黑体的发射率；
对于光谱辐射亮度：
根据公式
积分计算得到被测红外阵列辐射源在某一设置温度下，并在测试波段λ1～λ2中的光谱辐射亮度L(λ)，其中发射率ε＝1，C1为第一辐射常数，其值为(3.7415±0.0003)×108(W·m-2·μm4)，C2为第二辐射常数，其值为(1.43879±0.00019)×104(μm·K)，T为被测红外阵列辐射源在该设置温度下的等效温度；
对于面均匀性：
将被测红外阵列辐射源移入光路并将整个被测红外阵列辐射源设置为同一温度，在被测红外阵列辐射源前放置一个视场光栏，视场光栏口径根据校准精度要求设定；对于视场光栏所对应的被测红外阵列辐射源某一位置，采用获取等效温度的方法得到该位置在当前设置温度下的等效温度值；移动被测红外阵列辐射源，保持光路中其余器件位置不变，得到被测红外阵列辐射源不同位置处在当前设置温度下的等效温度值；
根据公式
得到被测红外阵列辐射源的面均匀性τ均匀性，其中Ti为第i个位置的等效温度值，指被测红外阵列辐射源中n个不同位置的平均等效温度值；
对于对比度：
调整平面反射镜(3)，使被测红外阵列辐射源成像在红外图像采集系统的焦面上；调节被测红外阵列辐射源分别产生最亮和最暗的两幅图像，分别得到红外图像采集系统对应的输出电压V亮图像和V暗图像，根据公式
得到被测红外阵列辐射源对比度C对比度；
对于最小可分辨温差：
在某空间频率下，调节被测红外阵列辐射源产生四杆靶图案，调节四杆靶图案的温差，得到红外图像采集系统能够分辨的最小温差为该空间频率下的最小可分辨温差ΔT。
有益效果
本发明的整体技术效果体现为：
(一)在本发明中，采用被测红外阵列辐射源与参考黑体的比较的方法，参考黑体选用一级标准黑体，一级标准黑体可以直接溯源到凝固点黑体上，其温度稳定性±0.1℃/h，发射率可达0.995，极大的提高了测量的准确性，并减小了测量结果不确定度。
(二)在本发明中，低背景源用于消除背景辐射，增加辐射探测系统的探测能力，提高系统的探测精度和稳定性，低背景源制成中空桶状，内部结构全部采用焊接密封，可以注入液氮用，为探测器提供一个冷背景，降低环境的辐射，提高信噪比。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是红外阵列辐射源校准装置组成原理图。
图2是辐射探测系统组成示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
红外阵列辐射源校准装置系统原理图如图1所示，包括光源系统(1)、准直光学系统(2)、平面反射镜(3)、精密转台(4)、会聚光学系统(5)、红外图像采集系统(6)、辐射探测系统(7)、数据采集系统(8)和计算机及测控系统(9)；
所述光源系统(1)由参考黑体、被测红外阵列辐射源及一维电动平移台构成，由一维电动平移台控制，能够依次将参考黑体和被测红外阵列辐射源移入测试光路，来达到测试目的。本实施例中，光源系统(1)中的黑体选用美国MIKON公司的M360，水平导轨选用北京卓立汉光仪器有限公司的高精密一维电动平移台KSA400-11-X，其定位精度小于3μm。被测红外阵列辐射源安装在二维精密位移台后再安装到一维电动平移台，二维精密位移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的2台KSA100-11-X组合而成，其定位精度小于3μm。
所述准直光学系统(2)由光阑和平行光管组成，光阑限制进入准直光学系统的杂光，平行光管将参考黑体或被测红外阵列辐射源产生的光变为平行光。本实施例中准直光学系统(2)中的平行光管采用反射式的，由一块抛物面镜和一块平面镜组成，主反射镜为抛物面反射镜，理论上轴上点是没有像差的。
所述平面反射镜(3)安装在精密转台(4)上，由准直光学系统转换的平行光入射到平面反射镜上，根据测试参数的需要，精密转台(4)控制平面反射镜(3)将入射光反射到会聚光学系统(5)或红外图像采集系统(6)，其中测试等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性时，反射到会聚光学系统(5)，测试对比度以及最小可分辨温差时，反射到红外图像采集系统(6)。
所述会聚光学系统(5)会聚的光输入辐射探测系统(7)；所述辐射探测系统(7)由滤光片(7-1)、视场光阑(7-2)、斩波器(7-3)、椭球反射镜(7-4)、红外探测器(7-5)、低背景源(7-6)组成；红外探测器(7-5)选用美国JUDSON公司的HgCdTe探测器。
经会聚光学系统(5)会聚的光经过滤光片转换为测试波段的信号光，本实施例中滤光片包括(3～5)μm和(8～12)μm两片，根据测试波段选择合适的滤光片；经视场光阑滤除杂光后，由斩波器调制，将调制后的信号经椭球反射镜反射进入红外探测器，低背景源为红外探测器提供冷背景信号。
辐射探测系统(7)的测试输出信号由数据采集系统(8)采集后，输出至计算机及测控系统(9)。
红外图像采集系统(6)的输出信号直接输出至计算机及测控系统(9)。红外图像采集系统(6)中的红外CCD相机选用美国FLIR公司的SC7700红外热像仪。
红外阵列辐射源校准装置搭建过程：将参考黑体和二维精密位移台安装在一维电动平移台上，被测红外阵列辐射源安装在二维精密位移台上，保证可以通过二维精密位移台上下、前后调节红外阵列辐射源的位置，调节准直光学系统(2)，使参考黑体辐射口和被测红外阵列辐射源位于准直光学系统(2)的焦平面上，调节精密转台(4)的位置，使准直光学系统(2)反射的信号能够被平面反射镜(3)分别反射到会聚光学系统(5)或红外图像采集系统(6)，并分别记录转台位置，若校准参数为等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性，经会聚光学系统(5)会聚后的信号，进入辐射探测系统(7)，调节椭球反射镜(7-4)的位置，使其一个焦点位于视场光阑(7-2)上，另一个焦点位于红外探测器(7-5)探测面上，探测器测到的信号经数据采集系统(8)后，输入到计算机处理。若校准参数为对比度和最小可分辨温差，准直光学系统(2)反射的信号被平面反射镜(3)反射到红外图像采集系统(6)，红外图像采集系统(6)与计算机连接，进行数据交换处理。
利用上述装置进行红外阵列辐射源校准的方法，校准参数为红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、对比度和最小可分辨温差。
1、等效温度：
首先，通过一维电动平移台将被测红外阵列辐射源移入光路，将其温度设置为T设置，调节精密转台(4)，通过平面反射镜(3)将红外辐射信号反射到会聚光学系统(5)，会聚光进入辐射探测系统(7)，最终会聚到红外探测器(7-5)探测面上，红外探测器(7-5)输出电压为V；
V＝τ(λ)AΩL阵列辐射源(λ) (1)
其中τ(λ)为系统在光谱范围λ1～λ2的响应，A为目标采样面积，Ω为光学系统对目标的立体角，L(λ)为光谱辐射亮度。依据黑体全辐射定律，(1)式变为：
其中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。根据红外阵列辐射源等效温度T等效温度的定义，ε阵列辐射源＝1，(2)式变为：
将参考黑体移入光路，保持光路中其他器件位置不变，则采样面积A和立体角Ω不变，调节标准黑体的温度T标准黑体使得探测器输出电压也为V：
其中ε标准黑体为标准黑体的发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T标准黑体为标准黑体的温度。
由于公式(3)和(4)相等，则红外阵列辐射源在设置温度为T设置下的等效温度为：
在光学系统中加入(3～5)μm和(8～12)μm的滤光片，即可实现(3～5)μm和(8～12)μm的等效温度测量。
当红外阵列辐射源的设置温度和电压达到最高时得到的温度为其最高等效温度，代表红外阵列辐射源的最大辐射能力。
2、光谱辐射亮度：
光谱辐射亮度定义为红外阵列辐射源单位波长单位面积单位立体角下的辐射功率，根据公式
积分计算得到被测红外阵列辐射源在某一设置温度下，并在测试波段λ1～λ2中的光谱辐射亮度L(λ)，其中发射率ε＝1，C1为第一辐射常数，其值为(3.7415±0.0003)×108(W·m-2·μm4)，C2为第二辐射常数，其值为(1.43879±0.00019)×104(μm·K)，T为被测红外阵列辐射源在该设置温度下的等效温度；
3、面均匀性：
将被测红外阵列辐射源移入光路并将整个被测红外阵列辐射源设置为同一温度，在被测红外阵列辐射源前放置一个视场光栏，视场光栏口径根据校准精度要求设定；对于视场光栏所对应的被测红外阵列辐射源某一位置，采用获取等效温度的方法得到该位置在当前设置温度下的等效温度值；通过二维平移台移动被测红外阵列辐射源，保持光路中其余器件位置不变，得到被测红外阵列辐射源不同位置处在当前设置温度下的等效温度值；
根据公式
得到被测红外阵列辐射源的面均匀性τ均匀性，其中Ti为第i个位置的等效温度值，指被测红外阵列辐射源中n个不同位置的平均等效温度值。
采用单个探测器扫描的办法，消除了阵列探测器自身的不均匀性的影响，大大提高了测量不确定度。
4、对比度：
调节精密转台(4)，通过平面反射镜(3)将被测红外阵列辐射源成像在红外图像采集系统的焦面上。
测量时，通过计算机控制被测红外阵列辐射源分别产生最亮和最暗的两幅图像，最暗图图像是被测红外阵列辐射源的噪声等效温差(NETD)的值，最亮图图像是被测红外阵列辐射源整个辐射面所能设置的最高温度。红外图像采集系统采集红外图像，由于红外图像采集系统采集温度分布，根据PLANK辐射定律，辐射亮度和温度的四次方成正比，因此，被测红外阵列辐射源对比度C对比度为：
得到被测红外阵列辐射源对比度C对比度。
5、最小可分辨温差：
最小可分辨温差与对比度测量的光路相同，不同之处在于采用的图案不同。最小可分辨温差测量时，在某空间频率下，计算机控制被测红外阵列辐射源产生四杆靶图案，调节四杆靶图案的温差，得到红外图像采集系统能够分辨的最小温差为该空间频率下的最小可分辨温差ΔT。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (2)
1.一种红外阵列辐射源校准装置，其特征在于：包括光源系统(1)、准直光学系统(2)、平面反射镜(3)、精密转台(4)、会聚光学系统(5)、红外图像采集系统(6)、辐射探测系统(7)、数据采集系统(8)和计算机及测控系统(9)；
所述光源系统(1)由参考黑体、被测红外阵列辐射源及一维电动平移台构成，由一维电动平移台控制，能够依次将参考黑体和被测红外阵列辐射源移入测试光路；
所述准直光学系统(2)由光阑和平行光管组成，光阑限制进入准直光学系统的杂光，平行光管将参考黑体或被测红外阵列辐射源产生的光变为平行光；
所述平面反射镜(3)安装在精密转台(4)上，由准直光学系统转换的平行光入射到平面反射镜上，根据测试参数的需要，精密转台(4)控制平面反射镜(3)将入射光反射到会聚光学系统(5)或红外图像采集系统(6)，其中测试等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性时，反射到会聚光学系统(5)，测试对比度以及最小可分辨温差时，反射到红外图像采集系统(6)；
所述会聚光学系统(5)会聚的光输入辐射探测系统(7)；所述辐射探测系统(7)由滤光片(7-1)、视场光阑(7-2)、斩波器(7-3)、椭球反射镜(7-4)、红外探测器(7-5)、低背景源(7-6)组成；
经会聚光学系统(5)会聚的光经过滤光片转换为测试波段的信号光，经视场光阑滤除杂光后，由斩波器调制，将调制后的信号经椭球反射镜反射进入红外探测器，低背景源为红外探测器提供低背景；
辐射探测系统(7)的测试输出信号由数据采集系统(8)采集后，输出至计算机及测控系统(9)；
红外图像采集系统(6)的输出信号直接输出至计算机及测控系统(9)。
2.根据权利要求1所述装置进行红外阵列辐射源校准的方法，其特征在于：校准参数为红外阵列辐射源等效温度、光谱辐射亮度、面均匀性、对比度和最小可分辨温差；
对于等效温度：
首先，将被测红外阵列辐射源移入光路，将其温度设置为T设置，通过平面反射镜(3)将红外辐射信号反射到会聚光学系统(5)，会聚光进入辐射探测系统(7)，最终会聚到红外探测器(7-5)探测面上，红外探测器(7-5)输出电压为V；
其次，将参考黑体移入光路，保持光路中其他器件位置不变，调节参考黑体的温度T标准黑体使得红外探测器(7-5)输出电压也为V；
最后依据公式
得到被测红外阵列辐射源在T设置温度下的等效温度T等效温度，其中ε标准黑体为参考黑体的发射率；
对于光谱辐射亮度：
根据公式
积分计算得到被测红外阵列辐射源在某一设置温度下，并在测试波段λ1～λ2中的光谱辐射亮度L(λ)，其中发射率ε＝1，C1为第一辐射常数，其值为(3.7415±0.0003)×108(W·m-2·μm4)，C2为第二辐射常数，其值为(1.43879±0.00019)×104(μm·K)，T为被测红外阵列辐射源在该设置温度下的等效温度；
对于面均匀性：
将被测红外阵列辐射源移入光路并将整个被测红外阵列辐射源设置为同一温度，在被测红外阵列辐射源前放置一个视场光栏，视场光栏口径根据校准精度要求设定；对于视场光栏所对应的被测红外阵列辐射源某一位置，采用获取等效温度的方法得到该位置在当前设置温度下的等效温度值；移动被测红外阵列辐射源，保持光路中其余器件位置不变，得到被测红外阵列辐射源不同位置处在当前设置温度下的等效温度值；
根据公式
得到被测红外阵列辐射源的面均匀性τ均匀性，其中Ti为第i个位置的等效温度值，指被测红外阵列辐射源中n个不同位置的平均等效温度值；
对于对比度：
调整平面反射镜(3)，使被测红外阵列辐射源成像在红外图像采集系统的焦面上；调节被测红外阵列辐射源分别产生最亮和最暗的两幅图像，分别得到红外图像采集系统对应的输出电压V亮图像和V暗图像，根据公式
得到被测红外阵列辐射源对比度C对比度；
对于最小可分辨温差：
在某空间频率下，调节被测红外阵列辐射源产生四杆靶图案，调节四杆靶图案的温差，得到红外图像采集系统能够分辨的最小温差为该空间频率下的最小可分辨温差ΔT。
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