CN116929559A - 一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其步骤为：S1、架设面源黑体和红外辐射计，红外辐射计加电开机，至内部实现热平衡状态；S2、面源黑体开机，待黑体温度稳定后，微调面源黑体位置；S3、设置面源黑体温度为环境温度‑5℃，待温度稳定后观察红外辐射计的示值；设置面源黑体温度为环境温度+10℃，观察面源黑体升温过程中红外辐射计示值变化，记录示值最小时对应的黑体温度；S4、设置面源黑体温度并进行微调，记录红外辐射计的示值最低时的面源黑体温度；S5、设置面源黑体温度，待温度稳定后记录红外辐射计相应的示值；S6、计算红外辐射计的视场角。本发明能够对红外辐射计视场角进行有效测试，测量精度高，测量结果准确度高。

Description

一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法
技术领域
本发明属于红外辐射测量技术领域，尤其是涉及一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法。
背景技术
近年来，红外技术在军事领域和民用工程中都得到了广泛应用。红外辐射计是一种测试红外辐射照度和目标辐射强度的光学仪器，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、成本低等优点，被广泛应用于航天航空、国防、科学研究以及工农业生产等领域。
在使用红外辐射计进行测试时，通常需要根据红外辐射计视场大小、目标大小、红外辐射计探测响应范围等参数合理确定测试距离，调整目标和背景在红外辐射计视场中的占比，提高测试的有效性。
一般来说，根据红外辐射计光学系统的设计参数，可以计算出视场角的大小，但受限于装配过程中的精度，各个光学元件的相对位置关系与设计值相比会有一定的偏差存在，依据光学系统设计参数计算出的视场角与实际视场角之间也会存在一定的误差。使用高精度转台和点源黑体可以实际测量红外辐射计的视场角，但这种方法对转台精度和黑体温度控制都有较高的要求，测量结果还容易受到红外辐射计瞄准轴误差的影响，在外场测试时并不实用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其包括以下步骤：
S1、首先，架设面源黑体和红外辐射计：将面源黑体置于红外辐射计前方，红外辐射计瞄准面源黑体的辐射面中心，红外辐射计瞄准轴与面源黑体的辐射面垂直，面源黑体与红外辐射计入瞳之间的距离为L；然后，红外辐射计加电开机，至内部实现热平衡状态；
S2、面源黑体开机，温度设为环境温度+10℃，待黑体温度稳定后，前后微调面源黑体位置；若红外辐射计的示值无变化，即说明面源黑体的辐射面覆盖红外辐射计全部视场范围，若红外辐射计的示值有明显变化，则缩短面源黑体和红外辐射计的距离L再进行测试，直至前后移动面源黑体位置时，红外辐射计的示值无变化；
S3、设置面源黑体温度为环境温度-5℃，待温度稳定后，观察红外辐射计的示值；设置面源黑体温度为环境温度+10℃，观察面源黑体升温过程中红外辐射计的示值变化，记录示值最小时对应的黑体温度Ttemp；
S4、将面源黑体温度设置为Ttemp，并进行上下微调，记录红外辐射计的示值最低时的面源黑体温度T0，即为当前红外辐射计的内部辐射等效黑体温度；
S5、将面源黑体温度设置为Ti，待温度稳定后，记录红外辐射计相应的示值U(Ti)；所述红外辐射计的示值U(Ti)表示为式(6)：
式中，ε表示面源黑体的发射率；k表示校准系数；M(Ti)表示面源黑体温度为Ti时在红外波段的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；M(T0)表示红外辐射计内部辐射在波段等效的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；θ表示红外辐射计的视场角；
S6、使用式(7)计算红外辐射计的视场角θ：
进一步地，上述的步骤S1中，面源黑体与红外辐射计入瞳之间的距离L，依据面源黑体的辐射面大小来确定，以确保面源黑体的辐射面能够覆盖红外辐射计的全部视场范围。
进一步地，上述的步骤S2、S3中，环境温度为10～30℃。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其基于面源黑体，在测量红外辐射计内部辐射等效黑体温度的基础上，对红外辐射计视场角进行有效测试；易于操作，数据处理简单，测量精度高，测量结果准确度高，实用性强，应用范围广，能够用来修正由于光学系统元器件位置装配误差导致的视场角计算偏差，也能够用以指导红外辐射计视场角的现场测试，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其包括以下步骤：
S1、首先，架设面源黑体和红外辐射计：将面源黑体置于红外辐射计前方，红外辐射计瞄准面源黑体的辐射面中心，红外辐射计瞄准轴与面源黑体的辐射面垂直，面源黑体与红外辐射计入瞳之间的距离为L，此距离L依据面源黑体的辐射面大小来确定，以确保面源黑体的辐射面能够覆盖红外辐射计的全部视场范围；
(a)、假设面源黑体的温度为T1，红外辐射计的视场角为θ、校准系数为k，忽略红外辐射计内部辐射的影响，到达红外辐射计入瞳处的辐射照度E(T1)根据式(1)计算得到：
式中，M(T1)表示面源黑体温度为T1时在红外波段的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到，v表示面源黑体的发射率；θ表示红外辐射计的视场角；
此时，红外辐射计的示值U(T1)根据式(2)得到：
但是，由于红外辐射计的主光路中使用了调制盘对入射的辐射信号进行调制，调制盘的热辐射对红外辐射计的响应会产生明显影响，导致红外辐射计在没有输入信号的时候也会产生示值输出；
(b)、定义红外辐射计内部辐射的等效黑体温度为T0，调整面源黑体温度，观察红外辐射计的输出示值变化情况，当红外辐射计输出的示值为0或者接近于0时，黑体的温度即为T0；T0比红外辐射计的机体温度高约2～3℃；
考虑红外辐射计内部辐射的影响，则面源黑体的温度为T1时，到达红外辐射计入瞳处的辐射照度E(T1)根据式(3)计算得到：
式中，M(T0)表示红外辐射计内部辐射在波段等效的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；
考虑红外辐射计内部辐射的影响，红外辐射计的示值U(T1)表示为式(4)：
根据式(4)得出红外辐射计的视场角θ的表达式：
然后，红外辐射计加电开机30～50分钟，至内部实现热平衡状态；
S2、面源黑体开机，温度设为环境温度+10℃，前后微调面源黑体位置；若红外辐射计的示值无变化，即说明面源黑体的辐射面覆盖红外辐射计全部视场范围，若红外辐射计的示值有明显变化，则缩短面源黑体和红外辐射计的距离再进行测试，直至在某个距离下前后移动面源黑体位置红外辐射计的示值无变化；优选地，所述的环境温度为10～30℃；
S3、设置面源黑体温度为环境温度-5℃，待温度稳定后，观察红外辐射计的示值；设置面源黑体温度为环境温度+10℃，观察面源黑体升温过程中红外辐射计的示值变化，记录示值最小时对应的黑体温度Ttemp；优选地，所述的环境温度为10～30℃；
S4、将面源黑体温度设置为Ttemp，并进行上下微调，记录红外辐射计的示值最低时的面源黑体温度T0，即为当前红外辐射计的内部辐射等效黑体温度；
S5、将面源黑体温度设置为Ti，Ti比环境温度大50℃为宜；待温度稳定后，记录红外辐射计相应的示值U(Ti)；所述红外辐射计的示值U(Ti)表示为式(6)：
式中，ε表示面源黑体的发射率；k表示校准系数；M(Ti)表示面源黑体温度为Ti时在红外波段的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；M(T0)表示红外辐射计内部辐射在波段等效的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；θ表示红外辐射计的视场角；
S6、使用式(7)计算红外辐射计的视场角θ：
本发明基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其需要进行以下准备措施：
(1)、在进行测试前，对红外辐射计的响应率进行校准；
(2)、使用发射率稳定度较好的黑体，测试前对黑体的发射率和温度控制精度等主要参数进行校准；
(3)、在测试过程中，红外辐射计内部辐射等效黑体温度会发生缓慢的变换，多次测试求均值能够减小红外辐射计内部辐射等效黑体温度的测试误差；
(4)、面源黑体温度相比红外辐射计内部辐射等效黑体温度要尽可能大，黑体温度与红外辐射计内部辐射等效黑体温度差值越大，黑体温度控制误差对测试结果的影响越小。
另外，在测试时，由于红外辐射计距离黑体较近且黑体温度较高，黑体升温和温度稳定的时间较长，为保证红外辐射计内部的热平衡，测量过程中要做好红外辐射计的隔热，有效减小红外辐射计在黑体温度稳定过程中所受的热辐射。
下面通过测试实例对本发明基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法进行验证。
测试使用的面源黑体为武汉凯尔文光电技术有限公司生产的JQ-100MYD1B型低温面源黑体和JQ-200MYZ3B型中温面源黑体，其主要技术参数如表1所示。
表1黑体主要技术参数
主要参数 低温面源黑体 中温面源黑体
温度范围 -20℃～70℃ 室温+5℃～300℃
辐射面 100mm×100mm 不小于200mm×200mm
温度分辨率 0.1℃ 0.1℃
发射率 不小于0.95 不小于0.95
测温精度 ±(0.3％FS+1)℃ ±(0.3％FS+1)℃
温度稳定性 ±(0.1-0.3)℃/10min ±(0.1-0.3)℃/10min
测试时，红外辐射计距离面源黑体辐射面的距离为250mm，使用双通道的温度计监测探头机壳和环境温度。测试时，首先使用低温面源黑体按照上述的步骤S1～S3测试得到红外辐射计内部辐射等效黑体温度T0为33.5℃，然后将中温面源黑体分别设为100℃、120℃、140℃、160℃、180℃和200℃，待面源黑体稳定在设定的温度点后，记录红外辐射计相应的示值，测试得到的具体数据见表2。
被测红外辐射计经过校准之后的校准系数k为0.9655，面源黑体发射率为0.95，根据式(7)能够计算得到每一个面源黑体温度下测试得到的视场角数值，具体结果见表2。
表2测试结果
统计得到6次测试的视场角均值为8.39°，与计算得到的视场角大小8.73°相近，6次测试所得的视场角标准差为0.013°，测试结果具有较强的一致性，符合红外辐射计视场角是定值这一规律。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其特征是：其包括以下步骤：
S1、首先，架设面源黑体和红外辐射计：将面源黑体置于红外辐射计前方，红外辐射计瞄准面源黑体的辐射面中心，红外辐射计瞄准轴与面源黑体的辐射面垂直，面源黑体与红外辐射计入瞳之间的距离为L；然后，红外辐射计加电开机，至内部实现热平衡状态；
S2、面源黑体开机，温度设为环境温度+10℃，待黑体温度稳定后，前后微调面源黑体位置；若红外辐射计的示值无变化，即说明面源黑体的辐射面覆盖红外辐射计全部视场范围，若红外辐射计的示值有明显变化，则缩短面源黑体和红外辐射计的距离L再进行测试，直至前后移动面源黑体位置时，红外辐射计的示值无变化；
S3、设置面源黑体温度为环境温度-5℃，待温度稳定后，观察红外辐射计的示值；设置面源黑体温度为环境温度+10℃，观察面源黑体升温过程中红外辐射计的示值变化，记录示值最小时对应的黑体温度Ttemp；
S4、将面源黑体温度设置为Ttemp，并进行上下微调，记录红外辐射计的示值最低时的面源黑体温度T0，即为当前红外辐射计的内部辐射等效黑体温度；
S5、将面源黑体温度设置为Ti，待温度稳定后，记录红外辐射计相应的示值U(Ti)；所述红外辐射计的示值U(Ti)表示为式(6)：
式中，ε表示面源黑体的发射率；k表示校准系数；M(Ti)表示面源黑体温度为Ti时在红外波段的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；M(T0)表示红外辐射计内部辐射在波段等效的辐射出射度，根据普朗克公式计算得到；θ表示红外辐射计的视场角；
S6、使用式(7)计算红外辐射计的视场角θ：
2.根据权利要求1所述的基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其特征是：其步骤S1中，面源黑体与红外辐射计入瞳之间的距离L，依据面源黑体的辐射面大小来确定，以确保面源黑体的辐射面能够覆盖红外辐射计的全部视场范围。
3.根据权利要求1所述的基于面源黑体的红外辐射计视场角测试方法，其特征是：其步骤S2、S3中，环境温度为10～30℃。
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