红外焦平面成像探测辐射特性测量标定方法研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第４期　飞行器测控学报　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．４　２００７年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ　ＴＴ＆Ｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｕｇ．２００７　红外焦平面成像探测辐射特性测量标定方法研究　邢强林　（北京跟踪与通信技术研究所・北京・１０００９４）　摘要介绍了适用于红外焦平面成像探测辐射特性测量的３种典型标定方案，推导了３种方案对应的单像元　辐射通量公式，并在此基础上分析了３种方案对黑体温度的需求。对３种方案的优缺点进行了综合比较，对特　殊应用场合的标定方案提出了建议。　关键词红外焦平面成像探测；辐射特性测量；辐射标定　中图分类号：Ｖ５５６．５。ＴＮ２１５　文献标识码：Ａ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＦＰＡ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＸＩＮＧ　Ｑｉａｎｇ—ｌｉｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅ１ｅｃ０ｍｍｕｎｉｃｍｉ０ｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ＦＰＡ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｄｏｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕ—　ｌａｅ　ｆｏｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ｒａｄｉａｎｔ　ｆｌｕｘ　ｔｏ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｘｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｌａｃｋ　ｂｏｄｙ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆ０ｒ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｃａｌｉｂｒａ－　ｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＦＰＡ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　０　引　言　近年来，红外焦平面成像探澳４技术在飞行器轨迹测量中得到了广泛应用。随着技术的发展，飞行器红　外辐射特性测量将会越来越受到重视，红外焦平面成像探测技术在红外辐射特性测量领域也将会得到广　泛应用。辐射特性测量与轨迹测量的本质区别在于前者需利用标准辐射源进行标定，辐射标定是辐射特　性测量中的关键技术。辐射标定通常以黑体作为标准辐射源，但在工程实践中存在着不同的实现方案。　本文对以黑体为标准辐射源的不同标定方案进行分析、比较，并给出在特殊条件下的方案选择建议。　１标定方案分析　对以红外焦平面探测器为传感器的辐射特性测量系统，其标定方案的关键是如何为每个探测单元　（像元）提供入射辐射通量已知、且能基本覆盖测量动态范围的标准红外辐射源。根据上述要求，以黑体　为标准辐射源对红外焦平面成像测量系统进行辐射标定时，通常有３种具体的实现方案。方案一：在主光　学系统人瞳处放置辐射面积大于人瞳面积、并覆盖入瞳的均匀面源黑体，以此作为标准红外辐射源进行标　定。方案二：在主光学系统人瞳前放置出瞳面积大于主光学系统人瞳面积、并覆盖主光学系统人瞳，焦面　上放置均匀面源黑体、且光束发散角大于主光学系统视场的平行光管，以此作为标准红外辐射源进行标　定。方案三：在测量系统主光学系统前较远距离处放置一均匀面源黑体，使面源黑体在焦平面上成像清　晰，且成像尺寸大于５×５像元，则中间像元可认为与面源黑体对应面积元为严格的物像及辐射量映射关　系，据此可对该像元进行辐射标定。　１．１　单像元入射辐射通量计算公式　１．１．１　方案一单像元入射辐射通量计算公式　该方案黑体辐射源位于主光学系统入瞳处并覆盖人瞳。为了便于分析，将光学系统近似为理想的无　收稿日期：２００６一ｌｌ一２７　作者简介：邢强林（１９６５～），男，高级工程师，主要从事光学测量总体和设备研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　邢强林：红外焦平面成像探测辐射特性测量标定方法研究　６９　厚单透镜系统，其人瞳为透镜边框，面源黑体紧靠人瞳面放置，对应的映射关系示意图如图１所示。此时，　焦平面某像元接收到的黑体辐射通量为辐射面（人瞳　面）在辐射方向平行于该像元中心对应的主光线，辐　射立体角等于该像元对应立体视角条件下所对应的　辐射通量。　●－　一　—　＇～　／　－一　当主光线与光轴夹角为０时，单像元对应的立体　视场角为　０＝ＡｄＣＯＳ　（１）　～　’～　。～　Ｌ　，　黑体入射到该像元的辐射通量为　＝　图　方粟一物像映射关系不意图　・　盯　．Ａ丁ｄｃｏｓ３０７ｒＤＺｃｏｓ０４　—＝　４　（＼　，旦ｆ）　（２）　（３）　Ｍｔ　Ｊ　Ｃ１　式中　～为黑体辐射出射度；ｆ．ｎ、丁　分别为光学系统焦距、口径和透过率；Ａａ为像元有效光敏面面积；Ａ，　１．１．２方案二单像元入射辐射通量计算公式　方案二利用焦面上放置面源黑体的平行光管（焦　Ａ，为探测波段；　为黑体温度（Ｋ）；ｃ，＝３．７４１８３２×１０　（Ｗ．Ｉｎ～．　ｍ４），ｃ，：１．４３８７８６×１０　（　Ｉｎ．Ｋ）。　距为厂，透过率为丁　）作为标准辐射源，并将平行光　管出瞳覆盖测量系统人瞳，其映射关系示意图如图２　所示。此时，对某一像元，只有与其具有物像映射关　维普资讯 http://www.cqvip.com

７０　飞行器测控学报　第２６卷　将式（６）分别代人式（２）、式（４）和式（５），并考虑红外辐射特性测量系统通常为小视场系统，ｃｏｓ０一　ｌ，可得３种方案对应的黑体源极限最低温度对应的辐射出射度计算公式　４（￣ｍｉ　ｎ　肘　＝　４ＳＮＲ。ｎｉ　Ｊ『。ｐ　Ａｄ（Ｄ　ｃｏｓ　Ｄ　Ｔｏｐｔ（Ｄ／ｆ）　、（７）　＝　￣／４　ｋ２＋　（Ｄ／ｆ）：　Ｍ　＝　一　４ＳＮＲ　ｉ　（　÷㈩　（９）　Ｔ—ｏｐｔ『Ｊ　Ａｄ（Ｄ／—ｙ）　ＣＯＳ　０　Ｄ　Ｊ≈～『。　Ｊ『　（Ｄ／ｙ）　　（　４ｃＰ　ｉ　以上各式中ＳＮＲ　为最低可探测信噪比，通常取５；Ｄ　为探测器的归一化探测率，对ＨｇＣｄＴｅ探测器，　Ｄ　＝１０　ｍＨｚ　Ｗ～；Ａ　通常为２５　ｍ×２５Ｉｘｍ；ａｆ为探测器带宽，它与探测器的积分时问直接相关。对地　基长波红外测量系统，由于天空背景辐射较强，探测器的积分时问不能太长，根据以往经验，其典型值可选　为０．１ｍｓ，对应的探测器带宽△厂为１０　０００Ｈｚ。地基中波、短波探测系统的典型积分时间为１ｍｓ，对应的探　测器带宽　为１　０００Ｈｚ。取ｋ＝Ｉ厂／ｆ＝５；『Ｊ州、Ｊ『　均取０．５；Ｊ『　与大气地面能见度及传输距离有关，设能见　度为２０ｋｍ，水平距离为５００ｍ，短波、中波、长波红外对应的透过率分别为０．６、０．７和０．９。据以上参数取　值，由式（６）可得到短波、中波、长波红外对应的　分别为３．９５ｐＷ、３．９５ｐＷ和１２．５０ｐＷ。由式（７）、　式（８）和式（９），可得短波、中波、长波３波段３种方案对应的辐射出射度　，具体见表１。将以上所得　代入式（３），并用数值逼近方法解积分方程，可得短波、中波、长波３波段３种标定方案对应的黑体极限最　低温度要求，其值也列于表１。　表１　３波段３种标定方案有关参数　波段　短波（１　ｍ一３　ｍ）　中波（３１，ｚｍ一５１，ｚｍ）　长波（８１，ｚｍ～１０１，ｚｍ）　单像元最低可探测辐射通量／ｐＷ　３．９５　３．９５　１２．５Ｏ　最低可探测辐射通量对　方案一　Ｏ．２Ｏ２４　０．２０２４　０．６４　应标定黑体源辐射出射度／　方案二　０．４０５５　０．４０５５　１．２８２３　（Ｗ／ｍ　）　方案＝　０．３３７３　０．２８９１　Ｏ．７１１Ｉ　最低可探测辐射通量对　方案一　３３１Ｋ（５８ｏＣ）　２２８Ｋ（一４５℃）　１６１Ｋ（一１１２ｏＣ）　应标定黑体源温度　方寨一　３４６Ｋ（７３ｏＣ）　２４０Ｋ（一３３℃）　１７４Ｋ（一９９℃）　方案三　３４２Ｋ（６９ｏＣ）　２３４Ｋ（一３９ｏＣ）　１６３Ｋ（一１１０ｏＣ）　单像元背景入射辐射通量／ｐＷ　１１．７８　１１４．１９　背景人射辐射通量对应　方案一　０．６０３２　５．８４６５　标定黑体源辐射出射度／　方案二　１．２０８４　１１．７１４１　（Ｗ／ｍ　）　方案＝　０．８６１５　６．４９６０　背景入射辐射通量对应　方案一　２４８Ｋ（一２５℃）　２０８Ｋ（一６５℃）　标定黑体源温度　方案二　２６２Ｋ（一１１　ｏＣ）　２２９Ｋ（一４４℃）　方案三　２５５Ｋ（一１８ｏＣ）　２１１Ｋ（一６２℃）　单像元人射辐射通量／ｐｗ　３９５０　３９５Ｏ　１２５０ｏ　动态范围高端对应标定　方案一　２０２．４　２０２．４　４６０．０　黑体源辐射出射度／　方案二　４０５．５　４０５．５　１２８２．３　（Ｗ／ｍ。）　方案三　３３７．３　２８９．１　７１１．１　动态范围高端对应标定　方案一　５７８Ｋ（３０５ｏＣ）　４４０Ｋ（１６７ｏＣ）　５２６Ｋ（２５３￣Ｃ）　黑体源温度　方案二　６２２Ｋ（３４９℃）　４８２Ｋ（２０９℃）　６６７Ｋ（３９４￣Ｃ）　方寨＝　６１０Ｋ（３３７℃）　４６０Ｋ（１８７℃）　５４４Ｋ（２７１℃）　在飞行器跟踪试验中，探测器探测到的是天空背景辐射和目标辐射的叠加，因此，探测器实际探测的　最小辐射通量由背景辐射决定，其计算公式为　：　Ａ　丁叩　（　）　（・。）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　邢强林：红外焦平面成像探测辐射特性测量标定方法研究　７１　式中　、　分别为背景亮度和背景入射辐射通量。　根据实际试验条件，冬天观测仰角为６Ｏ。可作为最低背景辐射条件，此时中波（３Ｉ．ｚｍ～５　ｍ）和长波　（８　ｍ～１０ｔｘｍ）的背景辐射亮度分别为０．１９２（ＷｍＩ２　ｓｒ　）和１．８６１（ＷｍＩ２　ｓｒ　），将此代入式（１０）可得２　波段对应的实际探测最小辐射通量分别为１　１．７８ｐＷ和１　１４．１９ｐＷ。据此，可得３种方案入射黑体辐射通　量等于中波、长波实际探测最小辐射通量时对应的辐射出射度　和对应黑体温度，其值如表１所示。短　波背景辐射白天和晚上差别较大，同时，由上述分析，短波标定对应的黑体极限最低温度高于中、长波　故　短波背景辐射水平对应的黑体温度要求可不分析。　黑体源最高温度需求与测量动态范围上限要求直接相关。在不进行光学增益调整（即不加衰减片）　和不改变积分时问的情况下，系统的测量动态范围上限由其下限和放大器线性动态范围决定。通常，线性　放大器的线性范围为１　０００倍，据此，在系统动态范围高端，３种方案短波对应的辐射出射度　。分别为　２０２．４ｗ／ｍ　、４０５．５Ｗ／ｍ　、３３７．３　Ｗ／ｍ　，此时，３波段３种方案对应的辐射出射度　。和黑体高端温度要求　均列于表１。　综合以上分析，在不考虑光学增益及不改变积分时间情况下，并同时兼顾短、中、长波３波段标定需　求，３种方案线性段对应的黑体温度范围分别为２０８Ｋ～５７８Ｋ（一６５％～３Ｏ５ｃＣ）、２２９Ｋ一６６７Ｋ（一４４％～　３９４ｏＣ）、２１１Ｋ～６１０Ｋ（一６２ｏＣ～３３７ｏＣ），对应的温度变化范围分别为３７１Ｋ、４３９Ｋ、４００Ｋ。　２　３种标定方案比较及选择建议　２．１　３种标定方案比较　比较３种方案的标定源情况、标定过程及有关分析结果，可以看出３种方案各有特点。　方案一可以有效消除环境的影响，标定精度高，并可同时对所有像元进行标定，标定工作效率高。但　对大口径测量系统，该方案要求配置大口径面源黑体，且和方案二相比，其对黑体的低温要求更严格，致使　黑体研制难度大。　方案二也可以有效消除环境的影响，和方案一、方案三相比，黑体辐射面积及低温要求较为宽松。但　平行光管自身辐射和光学衰减的影响需要进行标定，这在一定程度上增加了标定的工作量，并有可能影响　标定精度。该方案也可同时对所有像元进行标定。但对大口径测量系统，该方案要求配置大口径平行光　管，致使系统成本较高。　方案三受环境影响大，致使其精度较低。同时，该方案一次只能实现对少量像元的标定，标定工作效　率低。但该方案设备简单、成本低。　２．２特殊条件下３种标定方案选择建议　由以上比较分析，３种标定方案各有优缺点，不同的应用情况应根据其特点选用不同的方案。这里仅　就某些特殊条件给出相应的建议。　对中、长波红外微弱信号（低辐射通量）高精度辐射测量系统，由于背景辐射以及平行光管本身辐射　影响较大，为了克服这些因素的影响，保证高精度标定，应选择方案一。对大口径短、中、长波红外强信号　（高辐射通量）辐射测量系统，大口径面源黑体温度要求较高，黑体研制难度大，此时可选择方案二。方案　三受背景辐射影响较大，且一次只能标定少量像元，因此仅适合于背景辐射弱的红外波段，并仅限用于外　场条件下对典型像元的室内标定结果进行验证。　另外，对探测波段背景辐射较弱和测量精度要求较低的大口经测量系统，为了降低难度和成本，还可　采用方案一、方案二的变种形式，即其布置模式相同，但黑体或平行光管口径小于主光学系统口径。但上　述变种方案无法克服环境的影响，而且，对每个像元黑体入射辐射仅穿越部分光学系统，其标定结果不能　真实反映整个光学系统的影响，致使其精度较低。　参考文献　［１］徐南荣，卞南华．红外辐射与制导［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９７