CN116659685B - 一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，搭建测试系统，控制系统中的黑体辐射源阵列升温，得到红外相机溢出时对应的黑体温度，以及黑体温度时对应的相机输出电压信号。控制黑体辐射源阵列从降温至，采样计算得到系统噪声均方根电压信号。增设反射型衰减片组件，并确定相机输出电压信号，以及衰减片组件的衰减系数；根据、、、，最终确定黑体辐射源阵列的动态范围。

Description

一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法

技术领域

本发明属于红外高动态测试技术，具体涉及一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法。

背景技术

近年来，无论是军事领域还是民用领域，红外热成像设备的应用越来越广泛，可应用于强背景辐射下的高动态热成像设备已成为国内外重要研究和发展方向。热成像设备的性能评判主要依赖于能表征其性能指标的测试结果，而动态范围更是评价热成像设备性能的一项重要指标。因此，研究一种覆盖温度范围大、精度高、效率高的大动态范围测试系统具有重要意义。

为了确保大动态范围测试系统使用的大动态黑体辐射源阵列能够满足高动态红 外相机测试要求，我们需要一种有效的方法去对大动态黑体辐射源阵列动态范围进行测 试。根据国标GB/T 17444红外焦平面阵列参数测试方法，红外焦平面探测器动态范围为测 得饱和辐照度功率与噪声等效功率的比值，该方法只适用于红外焦平面探测器动 态范围测试，缺少对于测试系统动态范围测试能力的具体评价标准，不适用于大动态黑体 辐射源阵列动态范围的计算。

发明内容

本发明提出了一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，用于测试验证大动态（≥70dB）黑体辐射源阵列动态范围，有效解决了现有红外相机不能满足大动态黑体辐射源阵列动态范围测试的问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，步骤如下：

S1、搭建大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统。

所述大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统包括大动态黑体辐射源阵列、数字图像采集模块、计算机、红外相机、黑体控制线，大动态黑体辐射源阵列产生黑体辐射，黑体辐射被红外相机采集，红外相机输出电压信号经由数字图像采集模块送至计算机，同时大动态黑体辐射源阵列通过黑体控制线与计算机连接，转入S2。

S2、控制大动态黑体辐射源阵列从其最低温度逐渐升到最高温度，得到 红外相机溢出时对应的黑体温度，以及黑体温度时对应的红外相机输出电压信 号，转入S3。

S3、控制大动态黑体辐射源阵列从降温至，采样计算得到系统噪声均方 根电压信号，转入S4。

S4、在大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统中增设反射型衰减片组件，确定 红外相机输出电压信号，转入S5。

S5、确定反射型衰减片组件的衰减系数，转入S6。

S6、根据、、、，确定大动态黑体辐射源阵列动态范围。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）提出了一种使用低动态范围红外相机对大动态黑体辐射源阵列进行直接精准测试的方法，该方法通过在红外相机与大动态黑体辐射源阵列之间加入反射型衰减片组件，将最高温黑体辐射能量衰减至红外相机可接受范围之内，以满足测试需求。同时，通过控制大动态黑体辐射源阵列的升温降温，红外相机可记录其噪声均方根电压信号以及反应其辐射能力的温度灰度响应曲线用于大动态黑体辐射源阵列动态范围的反演计算。

（2）通过可见光动态范围计算模型推导提出了一种大动态黑体辐射源阵列动态范 围的计算模型，明确了大动态黑体辐射源阵列动态范围的评价标准，该模型使用能量代 替亮度，结合红外相机采集得到的数据，可直接反演计算出大动态黑体辐射源阵列动态范 围。

附图说明

图1是本发明一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法的流程图。

图2是大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统组成示意图，以四个黑体为例，其中1-大动态黑体辐射源阵列，2-数字图像采集模块，3-计算机，4-反射型衰减片组件，5-红外相机，6-黑体控制线。

图3是红外相机线性区间示意图。

图4是反射型衰减片组件示意图。

图 5（a） 是大动态黑体辐射源阵列高温黑体衰减前红外相机输出效果图（此时未加入反射型衰减片组件，红外相机处于饱和状态）。

图 5（b）是大动态黑体辐射源阵列高温黑体衰减后红外相机输出效果图（此时加入反射型衰减片组件）。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

由于大动态黑体辐射源阵列热辐射能量较强，我们需要结合衰减将其辐射能量衰减至红外相机可接收范围之内以满足使用现有红外相机进行大动态黑体辐射源阵列动态范围测量。

结合图1，一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，包括以下步骤：

S1、搭建大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统。

所述大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统包括大动态黑体辐射源阵列1、数字图像采集模块2（现有技术）、计算机3、红外相机5、黑体控制线6，大动态黑体辐射源阵列1产生黑体辐射，黑体辐射被红外相机5采集，红外相机5输出电压信号经由数字图像采集模块2送至计算机3，同时大动态黑体辐射源阵列1通过黑体控制线6与计算机3连接，通过计算机3控制大动态黑体辐射源阵列1变温。

S2、控制大动态黑体辐射源阵列1升温，得到红外相机5溢出时对应的黑体温度，以及黑体温度时对应的红外相机5输出电压信号。

控制大动态黑体辐射源阵列1的温度从其最低温度逐渐升到最高温度， 对应获取红外相机5输出电压信号的线性变化范围，再根据得到的电压信号的线性范围找 出红外相机5输出电压信号溢出时对应的黑体温度，以及黑体温度时对应红外相 机5输出的电压信号，同时当温度处于时看到红外相机5处于如图5(a)所示的饱 和状态，其中间圆形亮斑为黑体形状。

结合图2，计算机3通过黑体控制线6控制大动态黑体辐射源阵列1温度从其最低温 度逐渐升到最高温度，进一步地，将升温过程分为若干温度段，即红外相机5将对、等所有温度段的黑体进行成像并记录输出电压信号，输出电压信号经由 数字图像采集模块2采集传至计算机3进行处理，最终生成如图3所示红外相机5线性输出电 压信号曲线。

根据红外相机5线性输出电压信号曲线，分别得到红外相机5输出电压信号溢出时 对应黑体温度，以及黑体温度时对应红外相机5输出电压信号。若红外相机 5输出电压信号已经截止，则近似于系统噪声均方根电压信号。

S3、控制大动态黑体辐射源阵列1从降温至，采样计算得到系统噪声均 方根电压信号。

将大动态黑体辐射源阵列1的温度从降至，利用红外相机5对温度 下的大动态黑体辐射源阵列1进行n次采样得到采样输出电压信号组{，，……}，n=80 ~200，利用采样输出电压信号组计算得到系统噪声均方根电压信号：

其中，为不同采样点的采样输出电压信号，为采样输出电压信号的平均值。

S4、增设反射型衰减片组件4，确定红外相机5输出电压信号。

在大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统中增设反射型衰减片组件4，将如图4 所示的反射型衰减片组件4放置于红外相机5前与大动态黑体辐射源阵列1的出射光成45° 夹角，并将大动态黑体辐射源阵列1温度逐步升至，可以看到时红外相机5输出 电压信号如图5(b)所示，对比图5(a)和图5(b)，此时得到红外相机5输出电压信号，如图3 所示，。

S5、确定反射型衰减片组件4的衰减系数。

结合图4，与大动态黑体辐射源阵列1的最高温度对应辐射能量差值，为斯忒藩-玻耳兹曼常数，。

假定反射型衰减片组件4由4个衰减片构成，其透过率依次为、、、，则反射 型衰减片组件4的衰减系数为：

且

S6、根据、、、，确定大动态黑体辐射源阵列动态范围：

。

下面对大动态黑体辐射源阵列动态范围的具体确定过程进行介绍：

对于可见光而言，其动态范围定义如下：

为最大响应亮度，为最小响应亮度，为噪声电压对应的亮度，即信 噪比为1时的最小响应亮度。

这里的亮度是对可见光而言的，其本质是能量，对红外来说则可以用能量代替 亮度，则用噪声电压均方根对应的能量表示，具体计算公式为：

其中，为第一黑体温度，为第二黑体温度，＞，为高温和低温黑体产生 的信号差，斯忒藩-玻耳兹曼常数。

由此，大动态黑体辐射源阵列的动态范围表示方程为：

为黑体温度为时的信号电压，即高温黑体的信号电压；为黑体温度为的 信号电压，即低温黑体的信号电压；为大动态黑体辐射源阵列最高温；为大动态 黑体辐射源阵列最低温。

则用对数表示的大动态黑体辐射源阵列动态范围表示方程：

进一步地，第一黑体温度取，第二黑体温度取，由于红外相机5线 性输出电压信号范围内，因此对应红外相机输出电压信号为。再将步 骤S4得到的红外相机5输出电压信号，与步骤S5得到的衰减系数带入用对数表示的大 动态黑体辐射源阵列动态范围计算公式得到大动态黑体辐射源阵列动态范围：

。

Claims (8)

1.一种大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，步骤如下：

S1、搭建大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统；

所述大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统包括大动态黑体辐射源阵列（1）、数字图像采集模块（2）、计算机（3）、红外相机（5）、黑体控制线（6），大动态黑体辐射源阵列（1）产生黑体辐射，黑体辐射被红外相机（5）采集，红外相机（5）输出电压信号经由数字图像采集模块（2）送至计算机（3），同时大动态黑体辐射源阵列（1）通过黑体控制线（6）与计算机（3）连接，转入S2；

S2、控制大动态黑体辐射源阵列（1）从其最低温度逐渐升到最高温度/>，得到红外相机（5）溢出时对应的黑体温度/>，以及黑体温度/>时对应的红外相机（5）输出电压信号/>，转入S3；

S3、控制大动态黑体辐射源阵列（1）从降温至/>，采样计算得到系统噪声均方根电压信号/>，转入S4；

S4、在大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统中增设反射型衰减片组件（4），确定红外相机（5）输出电压信号，转入S5；

S5、确定反射型衰减片组件（4）的衰减系数，转入S6；

S6、根据、/>、/>、/>，确定大动态黑体辐射源阵列动态范围/>：

，

其中，为斯忒藩-玻耳兹曼常数，/>。

2.根据权利要求1所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，S2中，控制大动态黑体辐射源阵列（1）从其最低温度逐渐升到最高温度/>，得到红外相机（5）溢出时对应的黑体温度/>，以及黑体温度/>时对应的红外相机（5）输出电压信号/>，具体如下：

控制大动态黑体辐射源阵列（1）的温度从其最低温度逐渐升到最高温度/>，对应获取红外相机（5）输出电压信号的线性变化范围，再根据得到的电压信号的线性范围找出红外相机（5）输出电压信号溢出时对应的黑体温度/>，以及黑体温度/>时对应红外相机（5）输出的电压信号/>，同时当温度处于/>时看到红外相机（5）处于饱和状态，此时中间圆形亮斑为黑体形状。

3.根据权利要求2所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，计算机（3）通过黑体控制线（6）控制大动态黑体辐射源阵列（1）温度从其最低温度逐渐升到最高温度/>的升温过程中，将此升温过程分为若干温度段，即红外相机（5）将对、/>……所有温度段的黑体进行成像并记录对应输出电压信号，输出电压信号经由数字图像采集模块（2）采集传至计算机（3）生成红外相机（5）线性输出电压信号曲线；

根据红外相机（5）线性输出电压信号曲线，分别得到红外相机（5）输出电压信号溢出时对应黑体温度，以及黑体温度/>时对应红外相机（5）输出电压信号/>。

4.根据权利要求3所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，若红外相机（5）输出电压信号已经截止，则/>近似于系统噪声均方根电压信号/>。

5.根据权利要求4所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，S3中，控制大动态黑体辐射源阵列（1）从降温至/>，采样计算得到系统噪声均方根电压信号/>，具体如下：

将大动态黑体辐射源阵列（1）的温度从降至/>，利用红外相机（5）对/>温度下的大动态黑体辐射源阵列（1）进行n次采样得到采样输出电压信号组{/>，/>，……/>}，n=80~200，利用采样输出电压信号组计算得到系统噪声均方根电压信号/>：

，

其中，为不同采样点的采样输出电压信号，/>为采样输出电压信号的平均值。

6.根据权利要求5所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，S4中，在大动态黑体辐射源阵列动态范围测试系统中增设反射型衰减片组件（4），确定红外相机（5）输出电压信号，具体如下：

将反射型衰减片组件（4）放置于红外相机（5）前与大动态黑体辐射源阵列（1）的出射光成45°夹角，并将大动态黑体辐射源阵列（1）温度逐步升至，根据计算机（3）上显示的时红外相机（5）输出电压信号的效果对比，得到红外相机（5）输出电压信号/>，。

7.根据权利要求6所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，S5中，确定反射型衰减片组件（4）的衰减系数，具体如下：

计算与大动态黑体辐射源阵列（1）的最高温度/>对应辐射能量差值/>，，/>为斯忒藩-玻耳兹曼常数，/>；

设反射型衰减片组件（4）由4个衰减片构成，其透过率依次为、/>、/>、/>，则反射型衰减片组件（4）的衰减系数/>为：

且/>。

8.根据权利要求7所述的大动态黑体辐射源阵列动态范围测试方法，其特征在于，S6中，根据、/>、/>、/>，确定大动态黑体辐射源阵列动态范围/>，具体如下：

对红外来说，噪声电压均方根对应的能量为：

，

其中，为第一黑体温度，/>为第二黑体温度，/>＞/>，/>为高温和低温黑体产生的信号差，斯忒藩-玻耳兹曼常数/>；

由此，大动态黑体辐射源阵列的动态范围表示方程为：

，

为黑体温度为/>时的信号电压，即高温黑体的信号电压；/>为黑体温度为/>的信号电压，即低温黑体的信号电压；/>为大动态黑体辐射源阵列最高温；/>为大动态黑体辐射源阵列最低温；

用对数表示的大动态黑体辐射源阵列动态范围表示方程：

，

当第一黑体温度取/>，第二黑体温度/>取/>时，由于红外相机5线性输出电压信号范围内/>，因此/>对应红外相机输出电压信号为/>；

再将红外相机5输出电压信号，与衰减系数/>带入用对数表示的大动态黑体辐射源阵列动态范围/>计算公式，得到大动态黑体辐射源阵列动态范围/>：

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