动态环境下红外辐射特性测量精度分析

动态环境下红外辐射特性测量精度分析
邹晓风;张娟;张欣光;刘成国;杨金鹏
【摘要】红外辐射量测量是获取目标红外辐射特性的直接、有效的方式.本文在真空冷背景条件下,针对红外特性测量系统所处平台的自身旋转、摆动等不稳定性因素,对红外特性测量系统与目标之间存在的相对运动、以及测量系统自身温度变化对红外辐射特性测量结果精度的影响进行分析.分析结果表明测量精度受多因素相互制约影响,并给出具体的影响模型,对平台设计优化和测量误差评估具有指导意义.【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2018(040)006
【总页数】5页(P598-602)
【关键词】红外辐射特性;测量精度;试验分析
【作者】邹晓风;张娟;张欣光;刘成国;杨金鹏
【作者单位】北京航天长征飞行器研究所,北京100076;北京航天长征飞行器研究所,北京100076;北京航天长征飞行器研究所,北京100076;北京航天长征飞行器研究所,北京100076;北京航天长征飞行器研究所,北京100076
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
随着人类太空活动的增加，空间目标数量也随之增加，对空间目标的探测编目与特征识别的需求及重要性也日益剧增[1-3]。

空间目标的红外测量是全天时获取空间目标位置信息和红外辐射特征信息、并对其进行编目和识别的重要技术手段之一
[4-6]。

近20多年来，以红外测温仪为代表的红外辐射特性测量技术得到迅速发展。

比起接触式测温方法，红外测量有着响应速度快、非接触被动式测量等特点，从而不会对被测物体正常的工作性能产生影响[7]。

红外辐射特性测量是一种精确测量。

为了在外太空条件下有效获取空间目标更为真实的红外辐射特性，从而为空间目标特征控制和热防护设计提供数据支撑，需要利用伴飞式红外辐射特性测量平台对目标在轨工作过程进行实时测量。

红外辐射特性测量装置，由于其所处平台自身不稳定因素较多，同时与目标之间位置信息存在一定变化，本文对红外辐射特性测量精度的影响因素进行了具体分析。

红外辐射特性测量是利用红外热像根据接收到得热辐射换算出被测目标的辐射温度，根据辐射温度就可以计算出目标的红外辐射强度。

一般静态被测目标表面温度计算公式为[8]：
式中：T0为被测物体表面温度；e为目标表面发射率；Tt为表观温度；Tu为环境温度；a为目标表面对环境辐射的吸收率；ta为大气透过率（外太空取1）；ea
为热像系统发射率；Ta为热成像系统的平均温度。

由于红外辐射特性测量系统在真空环境下面对的是深空冷背景，e取1获取目标表面辐射温度。

由公式(1)可以看出，热成像系统的自身温度需通过标定修正以保证
测量精度。

红外辐射特性测量算法基于黑体温度与红外成像系统数字输出（灰度值）的关系进行测量数据的标定，再将标定数据拟合为成像系统的输出响应曲线，测量时通过系统的灰度值计算出目标辐射温度。

由于红外探测器响应波段、响应率、量子效率等因素的影响，即使对相同温度的黑体，不同的红外成像系统输出的灰度值也不同，因此需要对红外辐射特性测量系统进行辐射标定。

对目标的红外辐射测量分为近距离成像目标测量、远距离成像目标测量和远距离点目标测量等方面，利用红外标准黑体在地面对红外探测系统的上述3种测量分别
进行辐射标定，建立红外探测系统获得的信号和绝对辐射量之间的转换关系，可以获得目标表面辐射分布特征，目标总辐射温度、辐射强度等特征量。

红外测量系统开机并进行非均匀校正后，根据热像系统获取预先存储的该热像系统温度的标定曲线用于计算；采集目标的图像，查询标定曲线，即可以获得目标的辐射温度，根据辐射温度就可以计算辐射强度。

外太空动态环境下，红外辐射特性测量平台存在不稳定性。

由于测量装置与被测量目标的相对晃动，将引起测量图像中某个像素测量的是目标多个位置热辐射的平均值。

若设测量系统的焦距为f¢，相邻像元距离为d，探测器阵列大小为MH×NV，测量系统与目标的距离为l，则测量系统对目标的距离分辨率Dx：
若测量平台晃动角频率为w，探测器积分或热响应时间为tt，则在拍摄单幅热图
像时间中像点移动像素数为n：
由公式(2)、(3)可知，由于测量装置的摆动，目标图像上某个像点的响应灰度值是
目标上尺寸为nDx的区域红外辐射量在时间tt共同作用的结果，即测量装置在摆动条件下只能测量目标上尺寸nDx区域的辐射量的平均值，若目标不同位置温度
梯度较大，则摆动引起的测量误差将较大，测温的误差与平台晃动角频率w有关，也与目标温度梯度由较大关系。

例如两个像元静态测量的温度分别100℃和50℃，由于平台摆动测量为两个像元的温度均值75℃，对低温区域测温误差达到了50%。

同时，当目标与测量系统之间的距离l增大时，若目标成像少于n个像素，此时测量结果也将有较大误差。

红外测量系统积分/热响应时间是影响测量精度的一个主要因素，积分/热响应时间越短，测量精度就越高。

制冷型红外探测器积分时间较短但价格较为昂贵，如中波制冷红外探测器典型的积分时间为几个毫秒量级，长波制冷型红外探测器器积分时间为百微秒量级。

非制冷型红外探测器热响应时间在几十毫秒量级。

测量目标为球形目标，目标与测量系统典型的位置关系如图1所示。

表1为制冷型、非制冷型典型长波红外探测器，在成像视场大小为10°×8°的条件下，针对目标f0.5m圆形截面，所需测温点数和测量距离的计算结果。

表1计算结果显示，在平台最大摆动速度15°/s条件下，长波制冷探测器由于积
分时间短，平台晃动引起的像移量小，有效最远测量距离是非制冷型2倍左右。

同时，在相同的测量距离下，制冷型对目标的分辨率较高，从而能够较好适应目标温度梯度较大情形。

红外辐射特性测量装置接收的辐射除了来自测量目标之外，还有镜头或头罩自身的辐射。

由于应用环境的不同，红外辐射测量装置的镜头初始温度并不固定，同时在装置工作过程中，镜头/头罩由于辐射降温，温度也将发生变化。

图2为初始温度为30℃的ZnS头罩在真空环境下辐射降温，60s时刻的温度分布。

同时由于红外探测器产生热量，光学系统温度也将发生变化。

如图3所示，对于
某型热像仪响应曲线，光学系统温度增加，引起探测器对相同目标辐射量输出灰度不同。

一般制冷型红外热像仪NETD能够实现小于20mK，但由于光学系统的温
度变化造成透射性能变化或自身温度叠加，误差可达2℃甚至更大。

因此，为了标定测量系统在某一积分时间下的输出响应曲线（灰度值与黑体温度关系），首先要消除光学系统工作温度效应的影响，即将系统输出灰度值归一化至某一固定值T0。

将图3数据中时间变量消掉，可以得到系统响应灰度值与光学系统温度的关系
（如图4所示），发现二者呈近似线性关系。

对所得数据进行线性拟合，拟合直
线方程为H＝5857.7703＋57.29946×Toptics，拟合度为0.99986。

由图4知，系统输出灰度与光学系统温度近似为线性关系，由这一线性关系，可
得到下式：
式中：TBB为黑体温度；H为探测器响应灰度值。

根据式(4)，可将384ms积分时间下、任意光学系统温度（目前标定的温度范围26℃～32℃）下，系统对某一温度黑体的响应灰度值归一化至光学系统温度平均
值29℃时的数值，从而消除了光学系统温度Toptics的影响。

因此，通过标定建
立函数，系统工作时，通过监测光学系统温度，利用标定函数消除光学系统温度变化影响。

利用长波非制冷红外测温仪进行了平台摆动对测量结果影响试验。

平台摆动速度为15°/s，水平方向。

图5为静止状态下，测温仪对黑体源（温度：34.5℃）成像的温度测量结果。

由图5知，黑体源边缘成像清晰，测温结果较为准确。

图6平台摆动情况下成像测温结果。

由图6可以看出，黑体源边缘成像模糊，但
中心成像与静止相似。

这是因为，黑体源中心图像在热响应的时间内，接收的主要是来自黑体源不同位置较为均一的辐射，由于摆动引起的多像素平均对结果影响不大。

但黑体源边缘图像由于摆动在接收部分黑体源辐射的同时，还接收了背景辐射，由于背景辐射相对于黑体源辐射能量弱，导致测温结果偏低，从而导致红外辐射特性测量结果存在误差。

同时，该试验也说明了目标不同位置温度梯度大，将会引起较大的温度测量误差。

在完成红外成像系统辐射标定、获得系统响应曲线后，可实现对目标的辐射温度测量。

具体方法为：将某一积分时间下、任意光学系统温度下，系统的响应灰度值归一化至光学系统温度平均值29℃时的数值，通过辐射标定曲线反算出目标的温度值。

如图7所示，为光学系统不同温度下，人体的红外图像转换成的温度分布图像。

图7中采用公式(4)的标定曲线，将光学系统在不同温度下的自身辐射和因温度变
化引起的透过率差异进行了修正。

结果显示人体体表的测量温度为34℃～35℃，与实际值（33℃～35℃）较为符合。

在两种光学系统工作温度下红外成像系统测量的目标温度与目标实际温度吻合程度
较好，说明了通过监测光学系统的温度变化，可以有效地消除来自光学系统辐射对测量结果的影响，从而提高系统的测量精度。

本文对动态环境下，红外辐射特性测量精度的两个主要影响因素：平台不稳定性、光学系统温度变化，进行了分析。

通过采取姿控装置控制平台的不稳定性、采用保温控温措施减少光学系统的温度变化，在一定程度上也能减少测温误差，但实现较为复杂。

本文的理论与试验分析表明，测量装置的探测器积分时间短，可有效提高对同一目标的有效测量距离，且对目标辐射分布有较高的分辨能力；光学系统温度变化对测量结果影响，可通过地面标定，建立光学系统温度-图像灰度函数关系，在测量过程可有效消除影响。

本文的工作为动态环境下红外辐射特性测量装置精度控制，提供了一定的技术基础。

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