低温环境下红外辐射标定技术研究.pdf
《低温环境下红外辐射标定技术研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《低温环境下红外辐射标定技术研究.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第6卷 第1期2 0 2 3年1月飞控与探测F l i g h tC o n t r o l&D e t e c t i o nV o l.6N o.1J a n u a r y2 0 2 3低温环境下红外辐射标定技术研究*赵海涛1,李士刚2(1.海装上海局驻南京地区第一军事代表室南京2 1 0 0 0 0;2.海装驻上海地区第六军事代表室上海2 0 1 1 0 9)摘 要:低温环境下,红外场景生成装置的标定是对低温红外目标特征评估和精准探测的前提。通过标定过程中热辐射-光子-电子转换测量的传递途径,建立基于红外热像仪灰度的低温标定模型,采用最小二乘法进行拟合,得到模型中的辐射出射度响应函数和
2、系统固有偏置。搭建了低温标定实验装置,根据热像仪对低温辐射源不同辐射出射度的测量结果,得到标定方程。分析了理论值和实际测量值的误差,在低温黑体辐射出射度9.7 9W/m2处,热像仪的辐射出射度误差最大,为-0.1 7W/m2,此时的灰度误差为-9.9 1 D N。关键词:低温;标定;红外场景生成装置;误差分析 中图分类号:T N 2 1 5文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-5 9 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 7 5-0 5R e s e a r c ho nI n f r a r e dR a d i a t i o nC a l i b r a t i o nT e c h
3、 n o l o g y i nL o wT e m p e r a t u r eE n v i r o n m e n tZ HAO H a i t a o1,L IS h i g a n g2(1.T h eF i r s tM i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO f f i c eo f t h eN a v a lE q u i p m e n tS h a n g h a iB u r e a u i nN a n j i n g,N a n j i n g2 1 0 0 0 0;2.S i x t hM i l i t a r yR
4、 e p r e s e n t a t i v eO f f i c eo f t h eN a v a lE q u i p m e n tD e p a r t m e n t i nS h a n g h a i,S h a n g h a i 2 0 1 1 0 9)A b s t r a c t:T h ec a l i b r a t i o no f i n f r a r e ds c e n eg e n e r a t i o nd e v i c e s i n l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t i s t
5、h ep r e m i s eo f l o wt e m p e r a t u r e i n f r a r e dt a r g e t f e a t u r ee v a l u a t i o na n da c c u r a t ed e t e c t i o n.T h r o u g ht h e t r a n s m i s s i o np a t ho f t h e r m a l r a-d i a t i o n-p h o t o n-e l e c t r o nc o n v e r s i o n m e a s u r e m e n ti n
6、t h ec a l i b r a t i o np r o c e s s,al o w-t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n m o d e lb a s e do nt h eg r a y s c a l eo f t h e i n f r a r e dt h e r m a l i m a g e r i se s t a b l i s h e d,a n dt h e l e a s t s q u a r e sm e t h o di su s e dt of i t i t,a n dt h er a d i a t i
7、 o ne j e c t i o nr e s p o n s ef u n c t i o na n dt h e i n h e r e n tb i a so f t h es y s t e mi nt h em o d e l a r eo b t a i n e d.Al o w-t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t a l d e v i c e i s s e t u p,a n d t h e c a l i b r a t i o ne q u a t i o n i so b t a
8、i n e da c c o r d i n g t o t h em e a s-u r e m e n t r e s u l t so fd i f f e r e n t r a d i a t i o ne m i s s i o nd e g r e e so f l o w-t e m p e r a t u r er a d i a t i o ns o u r c e sb yt h e t h e r m a l i m a g e r.T h ee r r o rb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lv a l u ea n dt
9、h ea c t u a l m e a s u r e dv a l u ei sa n a l y z e d.A tt h el o w t e m p e r a t u r eb l a c k b o d yr a d i a t i o ne x i td e g r e eo f9.7 9W/m2,t h er a d i a t i o ne m i s s i o ne r r o ro ft h et h e r m a l i m a g e ri st h el a r g e s t(-0.1 7W/m2),a n dt h eg r a y s c a l ee
10、r r o ra t t h i s t i m e i s-9.9 1 D N.K e y w o r d s:l o wt e m p e r a t u r e;c a l i b r a t i o n;i n f r a r e ds c e n eg e n e r a t i o nd e v i c e;e r r o ra n a l y s i s0 引 言随着红外成像探测系统在卫星、深空探测器、空间反卫星武器中的广泛应用,对低温环境下红外高精度标定的需求与日俱增。在深空冷背景下目标红外特性的研究中,为了模拟深空冷背景下的红外目标特性,通常将红外场景生成装置放置在冷舱所产生
11、的低温真空环境中1-2。对于低温环境下红外成像制导半实物仿真系统,红外辐射标定技术是探测器对低温红外目标特征评估和精准探测的关键。目前的红外辐射标定设备主要有红外热像仪、红外光谱辐射计和红外辐射计三种。在测量低温目标时,红外热像仪最大的不足是其测温下限通*收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 5;修回日期:2 0 2 3-0 1-0 7作者简介:赵海涛(1 9 7 8),男,硕士,高级工程师。E-m a i l:z h t_0 0 0 01 6 3.c o m常都在2 5 3 K以上,无法对低于测温下限的目标温度进行直接测量3-4。红外光谱辐射计可以对辐射源固定温度在不同波段范围进行标定,但其
12、结构复杂,大量杂散辐射产生的噪声使低温微弱目标信号的提取十分困难5-6。红外辐射计和红外光谱辐射计都不适用于目标温度分布不均匀的面源辐射出射度测量7-8。由此可见,对于低温红外辐射场景的标定,现有的红外辐射测量设备和方法已经不能满足低温环境下红外场景生成装置的标定要求。本文基于低温环境下热像仪对红外辐射的热辐射-光子-电子转换测量的传递途径,采用红外热像仪灰度的低温标定模型和最小二乘拟合方法,在低于测温极限的温度范围内进行标定,获得热像仪2 5 3 K以下输出的灰度和探测到的辐射出射度之间的关系,得到低于热像仪测温极限的灰度-辐射出射度标定曲线。搭建低温标定实验装置,分析理论值和实际测量值的误
13、差。该方法具有实现简单、误差小的优点,可用于低温环境下红外辐射的标定。1 标定原理在低温环境下,红外辐射标定过程中使用的辐射源为标准黑体,探测器为红外热像仪。黑体发出的辐射经过热像仪光学系统后照射到热像仪焦平面上。标定过程中,黑体的热辐射-光子-电子转换测量传递过程如图1所示。图1 黑体辐射源、传输介质和热像仪传递关系示意图F i g.1 B l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c e,t r a n s m i s s i o nm e d i u ma n dt h e r m a l i m a g i n gc a m e r a t r a
14、 n s m i s s i o nr e l a t i o n s h i ps c h e m a t i c黑体发射率为b b,单元面积dA0的出射光通量聚焦在热像仪光学系统的入瞳处,热像仪光学系统单位面积为dA1,2个面的法向矢量和视线间的角度分别为0和1。传输过程中,o p t为各光学元件的透过率乘积。光学系统入瞳孔径处的光通量被转换为电信号,由放大器进行放大,再经过一系列信号处理和数模转换过程,输出数字图像灰度值。热像仪红外焦平面阵列上单个像元所对应的辐射立体角为9-1 0=Adc o s0/(f/c o s0)2(1)式中,Ad为红外焦平面阵列每个像元的面积;f为光学系统的焦距
15、。辐射源辐射到焦平面阵列单个像元的辐射通量可以表示为1 1=o p tD22c o s0 b bM(Tb b)=o p tAdb b(c o s0)44F2M(Tb b)(2)式中,D为红外镜头的直径;F为红外镜头相对孔径(D/f)的倒数;M(Tb b)为黑体温度为Tb b时的辐射出射度。假设热像仪正对黑体进行探测,则0较小,可认为(c o s0)41(3)在单位时间内,热像仪由于接收到黑体辐射通量而产生的光子数量可以表示为ND e t=h c(4)式中,为波长;h为普朗克常量;c为真空中的光速。在热像仪积分时间t内,由光子转化为电子的数目为S=th c(5)式中,为热像仪红外焦平面阵列的光子
16、量子效率。定义辐射标定系数z为积分时间t内,热像仪产生的电子数与输出的灰度值Gd e t之间的比例系数,灰度值单位为D N,B为热像仪固有偏置。Gd e t=z S+B(6)热像仪输出的灰度值和热像仪接收到的黑体辐射功率密度MB B的关系可以表示为Gd e t=RMB B+B(7)式中,R=o p tAdb bt/4F2h c,R定义为热像仪积分时间内,输出的灰度值对入射辐射出射度的响应。对于同一探测系统而言,R为常数,热像仪输出的灰度值和接收到的辐射出射度呈线性关系。在相同积分时间下,测量黑体在m个辐射出射度情况下的灰度数据,到m个关于热像仪的响应函67飞控与探测第6卷第1期赵海涛,等:低温
17、环境下红外辐射标定技术研究数和系统偏置的方程。用最小二乘法对各辐射出射度对应的灰度数据进行线性拟合1 2-1 3,计算出系统的辐射出射度响应函数R和系统固有偏置B。红外热像仪实际测量的灰度数据Gi和拟合计算得到理论上的灰度数值G i之间的差值的平方和可以表示为2=m i nmi=1(G i-Gi)2,(i=1,2,m)(8)将2分别对辐射出射度响应函数R和系统固有偏置B求偏导数,并令偏导数最小,可以得到最终2个函数的拟合结果。2 实验装置在标定热像仪之前,需要进行如下准备工作:调整热像仪的方位,使热像仪光学系统光轴与黑体中心的法线重合。调整黑体的位置,使黑体的图像充满热像仪视场。将热像仪的测量
18、发射率参数设为黑体的发射率。调节热像仪的焦距,使黑体能够清晰成像,在之后的标定过程中,保持热像仪焦距不变。采用表面涂有高发射率涂层的不锈钢腔体作为低温黑体辐射源,腔体通入液氮制冷,低温黑体表面发射率为0.9 2,温度探测设备的工作波段为7.3 9m,在此范围内,根据黑体普朗克定律,得到黑体温度和辐射 出 射 度 的 关 系 如 图2所 示。当 黑 体 温 度 为1 0 0.0 K时,辐射出射度为0.0 0 0 5 W/m2,当黑体温度为2 5 0.0 K时,辐射出射度为1 3.8 5 W/m2。图2 低温黑体温度-辐射出射度关系F i g.2 R e l a t i o n s h i po
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 低温 环境 红外 辐射 标定 技术研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。