环境对中波红外探测器测温精度的影响
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am ending; blackbody; collim ator
收稿日期: 2010-07-15; 修订日期: 2010-09-16 基金项目: 国防科技预研基金资助项目 ( N o. 1040603)
66 0
中国光学与应用光学
第 3卷
1引 言
20世纪 80 年代以来, 红外 搜索跟踪系统和 装有红外成像制导装置的各式导弹有了长足的发 展, 在这种形势下, 研究目标的红外辐射特性具有 十分重要的军事意义。一方面, 它可为红外系统 提高探测、识别和跟踪精度提供基础数据, 为红外 系统仿真提供目标的物理特性及数字模型; 另一 方面, 也可为目标红外隐身技术的研究提供一定 的理论依据。
661
示为:
QK 2
h = G R ( K)E c( K, T ) dK = K1
Q GD 2 l2 Sopt Sair
f 2 ( 4l2 + D 2 )
4. 8
E( K, T
3. 7
)
C1 R ( K) K5 ( eC 2/KT -
dK, 1)
ห้องสมุดไป่ตู้
( 4)
图 2 目标通 过红外光学系统成像时的物像关系 F ig. 2 R elation o f ob jec t and image
将以上辐射统称环境辐射。
使用红外探测器测量目标的辐射特性时, 探
测器接收到的能量不仅包括目标自身的辐射能, 还包括目标表面反射的周围环境辐射能, 目标和 红外探测器之间大气通道的辐射能及红外相机内
部的非聚焦能量, 如图 1所示。 ( 1) 目标反射周围环境的辐射能: 这部分能
量是由周围环境的辐射能通过目标的反射到达探
2 环境辐射能
图 1 红外探测器接收到的能量示意图 F ig. 1 Energy focused on infra red detecto r
其中, Q( K)和 E( K)分别为目标的反射率和发射 率, M b ( T su r ) 为周围环境的 辐射能, T su r为 环境温 度。
( 2) 大气通道的辐射能: 目 标和探测器之间 的大气辐射能对红外探测器产生的能量叠加。
温度值 /e 10
KEh 4. 403
30
4. 388
50
4. 374
55
4. 370
从表 1 可以 看出, KE h 在 10 ~ 55 e 变化 了
017% , 可以近似认为:
h Ec
=
G
#
RKc Kc
#
KEh
U
常数.
( 8)
依据上述分析, 对于 317~ 418 Lm 波段的红
外探测器, 当目标的表面温度在较窄的温度范围
红外光学系统的焦距为 f, 辐 射源的面积为 A s, 与红外系统的距离为 l, 辐射源通过红外光学 系统在探测器上形成的像的面积为 A i, 如图 2所 示。
在中波红外探测器的响应波段 317~ 418 Lm 内, 表面温度为 T, 发射率为 E( K, T )的目标在红
第 6期
孙志远, 等: 环境对中波红外探测器测温精度的影响
hmeasure = U1M t (T 0 ) + V1.
( 11)
其中 U1 =
1 4
(D f
) 2CEh Sopt Sair E,
V1 = CEh [
1 4
(
D f
) 2 ( Sop t $M atm
+
Sair Sopt $M ref ) +
$M non-focus ] 。 而对于表面温度与目标相同的黑体放置在镜
66 2
中国光学与应用光学
第 3卷
对于表面温度为 T 0, 发 射率为 E的目标, 距 离红外探测器的距离为 l, 探测器像元的灰度值可 表示为:
h dem
=
CEh [
1 4
(
D f
) 2 Sop tM t (T 0 )
+
$M non-focus ] = U2M t (T 0 ) + V2,
( 12)
=
Q G
4. 8 3. 7
K4
C1R Kc ( eC2 /KT -
4. 8
C1
Q3. 7 K5 ( eC 2 /KT -
dK 1) Kc = 1) dK
GR Kc # Kc
4. 8
Q3. 7
4. 8
Q3. 7
C1 K4 ( eC 2/KT
C1 K5 ( eC 2/KT
-
dK 1) . 1) dK
( 7)
M atm = ( 1 - S( K) ) # M b (T atm ),
( 2)
式 ( 2)中, S( K)为目标与镜头之间的大气透过率, T atm为大气温度, M b ( T atm ) 为大气的辐射能, 当目 标处在一个温度稳定的空间内时, 可以认为 T atm = T sur。
( 3) 相机内部的非聚焦能量: 由于光学系统 的冷栏效率 没有达到 100% , 所 以相机内壁会有 一部分辐射能量通过冷栏而叠加在探测器上, 由 于该能量没有通过光学系统, 所以称该杂散能量 为非聚焦能量。
Abstract: In order to ana lysis the influences o f env ironm ent radiation and atmosphere absorbing on the m easurem en t precision, the infrared tem perature m easurem ent by using a m iddle-w aveleng th infrared detector is stud ied. F irstly, severa l env ironm ent rad iations w hich influence the m easurem ent precision of a m idd le-w ave Infrared Foca l P lane A rray( IRFPA ) are introduced, and the relat ion betw een the g ray and the absorbed rad iat ion of the infrared detector is deduced. Then the am ending formu lae o f env ironm ent rad iations are ach ieved. U sing the blackbody as the m easurem ent targe,t the m easurem ent error are 3156 e and 0127 e before and after am end ings, respective ly, and the m easurem ent precision is im proved ev idently. The resu lts show that the am end ing form ulae could m odify the influences o f env ironm en t rad iation and atm osphere absorbing correctly. K ey w ord s: Infrared F oca l P lane A rray ( IRFPA ) ; infrared tem perature m easurem en;t environm ent radiation
令
KEh =
4. 8
Q3. 7
4. 8
Q3. 7
K4 ( K5 (
C1 eC 2 /KT
C1 eC 2 /KT
-
1)
dK ,
并
计算不同温度时
dK 1)
的 KE h值, 结果如表 1所示。
表 1 目标在不同温度时的 KEh值 Tab. 1 Valu es of KEh at d ifferen t temp eratures
外探测器像元上的辐照度 E c可以表示为 [ 3, 4]
Ec=
Sop t Sa irM D 2 l2 f 2 ( 4l2 + D 2 )
Q M =
4. 8 3. 7
E(
K, T
)
C1 K5
1 eC 2 /KT -
dK, 1
( 3)
式中 Sop t为光学系统的透过率, Sair为大气透过率, M 为目标的辐射出射度 ( W /m2 ) , D 为光学系统 入瞳直径, C1和 C2分别为第一辐射常数和第二辐 射常数。
K5 K5 (
C1R ( ( eC2 /KT
C1 eC 2 /KT
K) -
-
dK 1) , 1) dK
( 5)
根据光子探测器的光谱响应曲线公式 [ 5] :
R ( K) = KKc # R Kc,
( 6)
式中, Kc为截止波长, RKc为截止波长处的响应率。 将式 ( 6) 代入式 ( 5) 得到
h Ec
( 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033)
摘要: 为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精 度的影响, 对基于 中波红外探 测器的红 外测温 进行了 研究。 首先, 介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能, 根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐 射照度之间 的关系公式, 并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验 , 对红外探测器 像元的灰度 值进行修正并计算测 温误差。结果显示, 修正前、后测温误差的均 方根分别为 3156 e 和 01 27 e , 测温精 度得到 了显著 的提高, 表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器 测温精度的影响。 关 键 词: 红外焦平面阵列; 红外测温; 环境辐射修正; 黑体; 平行光管 中图分类号: TN215 文献标识码: A
内变化时, 红外探测器像元的灰度值与辐射照度
之间可以近似认为是线性的响应关系:
h = CEh # E c,
( 9)
式中 CEh 为红外探测器像元的灰度值 h 与辐射照
度 E c之间响应系数。
4 环境辐射的修正研究
令
4. 8
Q M t
=
3.
7
C1 K5
#
1 eC 2 /KT -
# dK. 1
( 10)
测器的能量, 与目标的散射特性和周围环境的温 度相关, 可用下式表示 [ 1, 2]
M ref = Q( K) # M b (T su r ) =
( 1 - E( K) ) #M b (T su r ),
( 1)
3 探测器像元的灰度值与辐射照度 的关系
通过理论研究和相关实验分析了环境辐射对 红外探测器像元灰度值的影响。
环境辐射和大气吸收对目标的红外辐射特性 影响很大, 因此, 进行红外辐射特性测量时必须考 虑这 些 影 响 因 素。 近 年 来, 红 外 焦 平 面 阵 列 ( IRFPA ) 已广泛应用于 目标红外 辐射特性 的测 量, 由于大气吸收及杂散辐射的影响, 红外探测器 像元的灰度值并不是目标能量的真实响应, 必须 对目标图像的灰度值进行相应地修正, 才可以准 确测量得到目标的表面温度值等辐射特性。本文 基于中波红外焦平面阵列进行了红外测温研究。 介绍了影响中红外探测器测温精度的辐射能, 推 导出了红外探测器像元灰度值和辐照度之间的关 系公式, 并得出了辐射测温的修正公式。最后以 面黑体为对象进行了测温实验。
第 3卷 第 6期 2010年 12月
中国光学与应用光学 Chinese Journal of Optics and Applied Optics
V o .l 3 N o. 6 D ec. 2010
文章编号 1674-2915( 2010) 06-0659-06
环境对中波红外探测器测温精度的影响
孙志远, 王 晶, 乔彦峰
探测器像元对该能量响应的灰度值 h 可以表
式中, G 为探测器响应灰度值和电压之间的增益
系数。
假设目标的发射率在探测器的响应波段 317
~ 418 Lm 内变化不大 ( 多数目标满 足该情况 ),
则探测器像元的灰度值 h 和辐射照度 E c的比值
可表示如下:
Q h Q E c
=
G
4. 8 3. 7 4. 8 3. 7
Influence of environm ent on temperature m easurem ent precision based on m iddle-wave IRFPA
SUN Zh-i yuan, WANG Jing, Q IAO Y an- feng
( Changchun Institute of Op tics, F ineM echanics and P hysics, Chinese A cadem y of Sciences, Changchun 130033, China )
收稿日期: 2010-07-15; 修订日期: 2010-09-16 基金项目: 国防科技预研基金资助项目 ( N o. 1040603)
66 0
中国光学与应用光学
第 3卷
1引 言
20世纪 80 年代以来, 红外 搜索跟踪系统和 装有红外成像制导装置的各式导弹有了长足的发 展, 在这种形势下, 研究目标的红外辐射特性具有 十分重要的军事意义。一方面, 它可为红外系统 提高探测、识别和跟踪精度提供基础数据, 为红外 系统仿真提供目标的物理特性及数字模型; 另一 方面, 也可为目标红外隐身技术的研究提供一定 的理论依据。
661
示为:
QK 2
h = G R ( K)E c( K, T ) dK = K1
Q GD 2 l2 Sopt Sair
f 2 ( 4l2 + D 2 )
4. 8
E( K, T
3. 7
)
C1 R ( K) K5 ( eC 2/KT -
dK, 1)
ห้องสมุดไป่ตู้
( 4)
图 2 目标通 过红外光学系统成像时的物像关系 F ig. 2 R elation o f ob jec t and image
将以上辐射统称环境辐射。
使用红外探测器测量目标的辐射特性时, 探
测器接收到的能量不仅包括目标自身的辐射能, 还包括目标表面反射的周围环境辐射能, 目标和 红外探测器之间大气通道的辐射能及红外相机内
部的非聚焦能量, 如图 1所示。 ( 1) 目标反射周围环境的辐射能: 这部分能
量是由周围环境的辐射能通过目标的反射到达探
2 环境辐射能
图 1 红外探测器接收到的能量示意图 F ig. 1 Energy focused on infra red detecto r
其中, Q( K)和 E( K)分别为目标的反射率和发射 率, M b ( T su r ) 为周围环境的 辐射能, T su r为 环境温 度。
( 2) 大气通道的辐射能: 目 标和探测器之间 的大气辐射能对红外探测器产生的能量叠加。
温度值 /e 10
KEh 4. 403
30
4. 388
50
4. 374
55
4. 370
从表 1 可以 看出, KE h 在 10 ~ 55 e 变化 了
017% , 可以近似认为:
h Ec
=
G
#
RKc Kc
#
KEh
U
常数.
( 8)
依据上述分析, 对于 317~ 418 Lm 波段的红
外探测器, 当目标的表面温度在较窄的温度范围
红外光学系统的焦距为 f, 辐 射源的面积为 A s, 与红外系统的距离为 l, 辐射源通过红外光学 系统在探测器上形成的像的面积为 A i, 如图 2所 示。
在中波红外探测器的响应波段 317~ 418 Lm 内, 表面温度为 T, 发射率为 E( K, T )的目标在红
第 6期
孙志远, 等: 环境对中波红外探测器测温精度的影响
hmeasure = U1M t (T 0 ) + V1.
( 11)
其中 U1 =
1 4
(D f
) 2CEh Sopt Sair E,
V1 = CEh [
1 4
(
D f
) 2 ( Sop t $M atm
+
Sair Sopt $M ref ) +
$M non-focus ] 。 而对于表面温度与目标相同的黑体放置在镜
66 2
中国光学与应用光学
第 3卷
对于表面温度为 T 0, 发 射率为 E的目标, 距 离红外探测器的距离为 l, 探测器像元的灰度值可 表示为:
h dem
=
CEh [
1 4
(
D f
) 2 Sop tM t (T 0 )
+
$M non-focus ] = U2M t (T 0 ) + V2,
( 12)
=
Q G
4. 8 3. 7
K4
C1R Kc ( eC2 /KT -
4. 8
C1
Q3. 7 K5 ( eC 2 /KT -
dK 1) Kc = 1) dK
GR Kc # Kc
4. 8
Q3. 7
4. 8
Q3. 7
C1 K4 ( eC 2/KT
C1 K5 ( eC 2/KT
-
dK 1) . 1) dK
( 7)
M atm = ( 1 - S( K) ) # M b (T atm ),
( 2)
式 ( 2)中, S( K)为目标与镜头之间的大气透过率, T atm为大气温度, M b ( T atm ) 为大气的辐射能, 当目 标处在一个温度稳定的空间内时, 可以认为 T atm = T sur。
( 3) 相机内部的非聚焦能量: 由于光学系统 的冷栏效率 没有达到 100% , 所 以相机内壁会有 一部分辐射能量通过冷栏而叠加在探测器上, 由 于该能量没有通过光学系统, 所以称该杂散能量 为非聚焦能量。
Abstract: In order to ana lysis the influences o f env ironm ent radiation and atmosphere absorbing on the m easurem en t precision, the infrared tem perature m easurem ent by using a m iddle-w aveleng th infrared detector is stud ied. F irstly, severa l env ironm ent rad iations w hich influence the m easurem ent precision of a m idd le-w ave Infrared Foca l P lane A rray( IRFPA ) are introduced, and the relat ion betw een the g ray and the absorbed rad iat ion of the infrared detector is deduced. Then the am ending formu lae o f env ironm ent rad iations are ach ieved. U sing the blackbody as the m easurem ent targe,t the m easurem ent error are 3156 e and 0127 e before and after am end ings, respective ly, and the m easurem ent precision is im proved ev idently. The resu lts show that the am end ing form ulae could m odify the influences o f env ironm en t rad iation and atm osphere absorbing correctly. K ey w ord s: Infrared F oca l P lane A rray ( IRFPA ) ; infrared tem perature m easurem en;t environm ent radiation
令
KEh =
4. 8
Q3. 7
4. 8
Q3. 7
K4 ( K5 (
C1 eC 2 /KT
C1 eC 2 /KT
-
1)
dK ,
并
计算不同温度时
dK 1)
的 KE h值, 结果如表 1所示。
表 1 目标在不同温度时的 KEh值 Tab. 1 Valu es of KEh at d ifferen t temp eratures
外探测器像元上的辐照度 E c可以表示为 [ 3, 4]
Ec=
Sop t Sa irM D 2 l2 f 2 ( 4l2 + D 2 )
Q M =
4. 8 3. 7
E(
K, T
)
C1 K5
1 eC 2 /KT -
dK, 1
( 3)
式中 Sop t为光学系统的透过率, Sair为大气透过率, M 为目标的辐射出射度 ( W /m2 ) , D 为光学系统 入瞳直径, C1和 C2分别为第一辐射常数和第二辐 射常数。
K5 K5 (
C1R ( ( eC2 /KT
C1 eC 2 /KT
K) -
-
dK 1) , 1) dK
( 5)
根据光子探测器的光谱响应曲线公式 [ 5] :
R ( K) = KKc # R Kc,
( 6)
式中, Kc为截止波长, RKc为截止波长处的响应率。 将式 ( 6) 代入式 ( 5) 得到
h Ec
( 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033)
摘要: 为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精 度的影响, 对基于 中波红外探 测器的红 外测温 进行了 研究。 首先, 介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能, 根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐 射照度之间 的关系公式, 并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验 , 对红外探测器 像元的灰度 值进行修正并计算测 温误差。结果显示, 修正前、后测温误差的均 方根分别为 3156 e 和 01 27 e , 测温精 度得到 了显著 的提高, 表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器 测温精度的影响。 关 键 词: 红外焦平面阵列; 红外测温; 环境辐射修正; 黑体; 平行光管 中图分类号: TN215 文献标识码: A
内变化时, 红外探测器像元的灰度值与辐射照度
之间可以近似认为是线性的响应关系:
h = CEh # E c,
( 9)
式中 CEh 为红外探测器像元的灰度值 h 与辐射照
度 E c之间响应系数。
4 环境辐射的修正研究
令
4. 8
Q M t
=
3.
7
C1 K5
#
1 eC 2 /KT -
# dK. 1
( 10)
测器的能量, 与目标的散射特性和周围环境的温 度相关, 可用下式表示 [ 1, 2]
M ref = Q( K) # M b (T su r ) =
( 1 - E( K) ) #M b (T su r ),
( 1)
3 探测器像元的灰度值与辐射照度 的关系
通过理论研究和相关实验分析了环境辐射对 红外探测器像元灰度值的影响。
环境辐射和大气吸收对目标的红外辐射特性 影响很大, 因此, 进行红外辐射特性测量时必须考 虑这 些 影 响 因 素。 近 年 来, 红 外 焦 平 面 阵 列 ( IRFPA ) 已广泛应用于 目标红外 辐射特性 的测 量, 由于大气吸收及杂散辐射的影响, 红外探测器 像元的灰度值并不是目标能量的真实响应, 必须 对目标图像的灰度值进行相应地修正, 才可以准 确测量得到目标的表面温度值等辐射特性。本文 基于中波红外焦平面阵列进行了红外测温研究。 介绍了影响中红外探测器测温精度的辐射能, 推 导出了红外探测器像元灰度值和辐照度之间的关 系公式, 并得出了辐射测温的修正公式。最后以 面黑体为对象进行了测温实验。
第 3卷 第 6期 2010年 12月
中国光学与应用光学 Chinese Journal of Optics and Applied Optics
V o .l 3 N o. 6 D ec. 2010
文章编号 1674-2915( 2010) 06-0659-06
环境对中波红外探测器测温精度的影响
孙志远, 王 晶, 乔彦峰
探测器像元对该能量响应的灰度值 h 可以表
式中, G 为探测器响应灰度值和电压之间的增益
系数。
假设目标的发射率在探测器的响应波段 317
~ 418 Lm 内变化不大 ( 多数目标满 足该情况 ),
则探测器像元的灰度值 h 和辐射照度 E c的比值
可表示如下:
Q h Q E c
=
G
4. 8 3. 7 4. 8 3. 7
Influence of environm ent on temperature m easurem ent precision based on m iddle-wave IRFPA
SUN Zh-i yuan, WANG Jing, Q IAO Y an- feng
( Changchun Institute of Op tics, F ineM echanics and P hysics, Chinese A cadem y of Sciences, Changchun 130033, China )