外场红外辐射标定方法研究∗

李满良， 胡小春， 甄小龙， 俸新虎

(1中国人民解放军63610部队 库尔勒 841001 2再入动力学与目标特性实验室 库尔勒 841001)

外场红外辐射标定方法研究∗

李满良1，2， 胡小春1， 甄小龙1， 俸新虎1

(1中国人民解放军63610部队 库尔勒 841001 2再入动力学与目标特性实验室 库尔勒 841001)

红外辐射标定是红外辐射特性测量的精度基准。针对外场条件下红外辐射标定精度影响因素多的情况，开展外场红外辐射标定方法研究。首先介绍适应于外场条件的三类红外辐射标定方法及其优缺点，然后分析黑体标定温度的影响、环境温度对黑体实际辐射的影响、程辐射与地表辐射的影响等三大影响外场标定精度的因素，最后给出各影响因素的解决方法并通过实验进行验证。实验结果表明，采用文中标定方法可将辐射测量误差由27.8%降低至11.4%。

外场辐射标定； 黑体实际辐射； 响应度； 辐射特性测量

引 言

规范的红外辐射标定是辐射特性测量数据分析和处理的前提，是测量数据可信性、可用性和可交换性的基础[1]。地基红外辐射特性测量设备因使用环境的特殊性，均需要在测量前后进行外场辐射标定以保证测量精度。因研制单位不同，所采用的外场标定方法、标定设备、解算基准不一致，测量数据与测量设备存在相关性，因而测量结果的可信性和可交换性差。本文针对这种现象，开展了外场红外辐射标定技术研究，通过分析当前正在应用的三类外场红外辐射标定方法，推导了相应的辐射传递计算公式，分析了影响标定精度的主要因素，提出了相应的解决方法，并进行了实验验证。实验结果表明，本文方法可将辐射测量误差由27.8%降低至11.4%。

1 外场红外辐射标定原理

总的来说，外场红外辐射标定就是建立黑体辐射与红外焦平面探测器响应灰度之间的关系[2]，即

式中，DN为探测器像元输出灰度，L为单个像元接收黑体辐射亮度，k为标定系数，b为标定常数。

通过改变黑体的温度，可以得到对应温度下探测器的响应灰度，对不同温度的辐射亮度和响应灰度采用最小二乘法即得到相应的标定系数和标定常数。目前外场红外辐射标定方法主要有远距离腔式黑体法、腔式黑体+平行光管法和大面阵黑体直接标定法三大类，下面分别简要介绍。

1.1 远距离腔式黑体标定法(方法1)

图1为远距离腔式黑体标定法的原理。该方法利用远距离目标成像完成辐射标定，因工程中只能使用有限距离，即在望远镜前一定距离处放置腔式黑体，通过光学系统变焦使黑体像清晰。根据辐射亮度定理和几何光学理论，可推导出探测器像元接收的总辐射亮度L为

式中，Lbb为黑体的积分辐亮度，A0为光学系统入瞳孔径面积，f为光学系统焦距，R为黑体与光学系统之间的距离，Ad为探测器像元面积，Lbkg为背景的积分辐亮度。

图1 远距离腔式黑体标定法原理

1.2 腔式黑体加平行光管标定法(方法2)

图2是腔式黑体加平行光管标定法的原理。该方法使用腔式黑体与平行光管组成一个辐射照明系统，将腔式黑体的红外辐射利用平行光管准直成平行光，再入射到设备光学系统，从而使黑体成像清晰，实现等效于黑体放置在无穷远处的效果[3]。探测器像元接收的总辐射亮度L为

式中，τ′opt为平行光管透过率，Ac为平行光管孔径面积。

图2 腔式黑体加平行光管标定法原理

1.3 大面阵黑体直接标定法(方法3)

图3是大面阵黑体直接标定法的原理。该方法在设备光学系统入瞳处放置均匀面源黑体，面源黑体辐射面积大于入瞳面积，且覆盖入瞳面积。因黑体为标准朗伯体，探测器像元接收的总辐射亮度L就是黑体的辐射亮度，即

1.4 三类标定方法优缺点

从设备配置、效率、精度及实现难度对三类标定方法进行比较，如表1所示。

图3 大面阵黑体直接标定法原理

表1 三类标定方法优缺点比较

2 标定误差分析及其控制方法

2.1 黑体温度范围需求分析

式(1)成立的前提是红外焦平面探测器处于响应的线性区，在标定时黑体温度点对应的辐射亮度应均匀分布在整个线性区。理论上数据点越多标定精度越高，但外场标定时由于客观条件的限制，数据点一般控制在4个点，因此需要分析测量系统在满足相应动态测量范围内标定黑体的温度范围。

红外焦平面探测器的单像元接收能量与设备光学系统的相对孔径(D/f)直接相关，而出于红外焦平面探测器冷屏匹配的要求，其光学系统的相对孔径一般固定，通常为1/2或1/4，即F数为2或4，因而不同的红外探测系统对黑体温度范围需求具有一致性。

黑体最低温度需求由单像元最低可探测辐射能量决定[4，5]。根据文献[1]，单像元最低可探测辐射能量由式(5)得到。

式中，SNRmin为最低可探测信噪比，D∗为探测器的归一化探测率，Ad为探测器像元面积，Δf为探测器带宽。

前述三类标定法的黑体在最低温度时辐射出射度计算公式分别如下

式中，τopt为光学系统透过率，τa为大气传输透过率，s为平行光管焦距与光学系统焦距之比。根据设备参数即可计算得到三类标定方法对黑体温度需求，见表2。

表2 三种标定方法对黑体温度的要求

黑体最高温度需求由动态测量范围上限决定[6]。在不进行光学增益调整(即不加衰减片)和不改变积分时间的情况下，动态测量范围上限由其下限和放大器线性范围决定。在不考虑光学增益、不改变积分时间的条件下，兼顾短、中、长三个波段标定需求，方法1、方法2、方法3三种方法线性段对应的黑体温度范围分别为-62℃ ～443℃、-44℃ ～487℃、-65℃ ～445℃。因此，可以确定标定黑体工作温度指标及外场标定时黑体温度设置范围，从而提高标定精度。

2.2 环境温度对黑体实际辐射的影响

外场标定中配置的标定黑体均为实验室条件下黑体，没有适合外场环境温度的黑体，当外场环境温度偏离实验室条件过大时，黑体实际辐射已不能由其温度控制器所显示的温度来表示，必须作相应的修正以消除误差。

图4为腔式黑体的传热分析理论模型，其延伸段为双层夹套，夹套中间装有保温材料，延伸段内壁面受到面源黑体的辐射，致使这部分温度发生变化。内壁面与环境之间的热交换主要为传导方式传热；在黑体面，则由于气体的温度差异产生气体密度的差异，这部分的传热主要表现为自然对流[7，8]。

图4 腔式黑体传热分析理论模型

按照斯忒藩—波尔兹曼定律，黑体的辐射能量(也称为黑体的辐射力)与黑体的绝对温度的四次方成正比[9，10]，对于实际物体，其辐射力E为

式中，σ0为斯忒藩—波尔兹曼常数，ε为发射率，T为实际物体的绝对温度。

因此，物体与环境辐射光谱换热计算公式为

式中，Q(1，2)λ为物体向环境的净光谱辐射换热量；Fs为物体的辐射表面积；Ta为环境的绝对温度；ελ为实际物体的光谱发射率；C1为第一辐射常数，即3.7417749×10-16W·m2；C2为第二辐射常数，即1.4387× 10-2m·K；λ为波长。

利用式(10)即可计算环境温度对实际辐射的影响。图5为中波波段环境温度对黑体实际辐射能力的影响曲线。在外场标定过程中，可以采用实时测量环境温度，然后计算影响量修正标定结果，从而减小环境温度对黑体实际辐射能力的影响。

2.3 程辐射及地面辐射对标定的影响

图5 不同温度黑体在不同环境温度下的辐射能量变化曲线(3～5μm波段)

对于方法1，设备俯仰角一般工作在0°左右，此时背景辐射的主要来源为地表辐射，其强度与设备测量中心离地高度有关。由于地表辐射的计算难度大且精度难以保证，为提高外场标定精度，要求标定选择在地面温度较低的时段进行，可即便如此仍无法彻底消除影响，为此本文提出双黑体交替标定方法。其原理是在相同距离的紧邻两个位置放置两个相同型号的黑体，两个黑体的设置温度不同(见图6)，同时记录两个黑体的温度和接收图像。因为是同一时刻测量，可以认为两个黑体成像的程辐射相同。已知标定曲线是黑体像100%充满像元且在探测器线性区时获取的，即满足式(1)，记录的灰度值为黑体和程辐射共同作用的结果，满足

将式(11)代入式(1)得

标定中，对于两个黑体而言，DNblackground相同，DNtotal1、DNtotal2分别是两个黑体在探测器上产生的输出，则可以得到

由式(13)可以解算出精确的k值。

图6 双黑体交替标定时黑体图像

3 验证实验

利用设备测量某一红外辐射特性已知的目标进行实验验证，分别使用改进前、后的标定方法进行标定，对处理出的两组红外辐射实测结果与标准值进行比较，得出外场标定新方法对测量精度的贡献。

3.1 实验设备及测量目标

①实验设备：红外辐射特性测量仪；

②标定黑体：腔式黑体HFY-205A；

③测量目标：法国HGH公司生产的面元黑体。

3.2 实验步骤及结果

实验步骤如下：

①获取标定数据。利用腔式黑体HFY-205A进行外场标定，分别使用改进前、后的标定方法完成两次标定，采集标定数据，并处理出标定参数。

②获取测量数据。将目标黑体放置于水塔上，使用某设备测量该黑体的红外辐射特性；依次调节黑体温度到不同温度点，记录每个温度点的测量数据，如图7所示。

③数据处理。结合标定时的气象数据、标定参数和测量数据，即可得到目标红外辐射照度，将其与标准值比较，得到测量误差的变化情况，如表3所示。由表3可以看出，采用改进后的标定方法测量误差显著降低，测量误差平均值由27.8%降低到11.4%。

图7 黑体在水塔上成像情况

表3 目标黑体测量数据及误差情况

4 结束语

本文从三类外场红外辐射标定方法及其模型入手，分析了影响标定精度的主要因素，提出了相应的解决方法，改进了常规的外场红外辐射标定方法，提高了标定精度。实验结果表明，采用本文标定方法可将辐射测量误差由27.8%提高到11.4%。在实验过程中发现，应该对外场标定方法、标定设备及解算方法进行规范和统一，并对测量结果进行归一化处理，以保证不同测量设备对同一目标测量结果的一致性，这将是下一步研究重点。

[1]杨词银，张建萍，曹立华.基于实时标校的红外辐射测量新方法[J].红外与毫米波学报，2011，30(3)：284～288.

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[3]杨词银，张建萍，曹立华.基于大气透过率比例校正的目标辐射测量[J].光学精密工程，2012，20(7)：1626～1635.

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[5]王 锐，邵晓鹏，徐 军，等.基于定标积分时间法提高红外成像系统动态范围的研究[J].红外技术，2009，32 (7)：381～385.

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Research on Outfield Calibration Technology of Infrared Radiation

Li Manliang， Hu Xiaochun， Zhen Xiaolong， Feng Xinhu

The infrared radiation calibration is the precision reference of infrared radiation characteristics.According to infrared radiation outfield calibration factors，this paper carries out the research on calibrationmethods of infrared radiation.Firstly，three infrared radiation calibration methods and their advantages and disadvantages are introduced，and then the influences of blackbody temperature，environment temperature，optic radiation and surface radiation are analyzed.Finally，each factor solution is given and validated by the experiment.The experiment results show that the radiation measurement error can be reduced from 27.8%to 11.4%.

Outfield radiation calibration； Blackbody radiation； Responsivity； Radiation characteristic measurement

TN216；TP732.2

A

CN11-1780(2014)06-0061-06

李满良 1970年生，高工，博士，主要研究方向为红外辐射特性测量及其信息处理。

胡小春 1964年生，高工，硕士，主要研究方向为航天测控总体技术。

甄小龙 1976年生，工程师，硕士，主要研究方向为靶场遥测总体技术。

俸新虎 1972年生，工程师，硕士，主要研究方向为靶场光学测量总体技术。

∗曾获2011年度军队科技进步三等奖(2011SL3049)

2014-03-05 收修改稿日期：2014-05-27