红外辐射测量系统外场标定方法及飞行目标亮度反演方法

禄晓飞，盛 捷，赵 慧



红外辐射测量系统外场标定方法及飞行目标亮度反演方法

禄晓飞，盛 捷，赵 慧

（酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

对于外场红外辐射特性测量设备，标定建立了输出灰度和输入能量之间的对应关系。通过构建中心红外系统外场标定体系，分析了直接扩展源标定、间接扩展源标定、小面元黑体近距离成像标定的能量传递过程、标定试验过程以及3种标定方法得到的系统响应度和系统底灰度的物理含义，指出了它们的相同和不同之处，进行了一致性分析。给出了采用标定数据计算飞行目标亮度的方法并提出了中距离外场红外辐射测量实验方法，对大气透过率软件和标定方法进行验证。

外场标定；平行光管；小面源黑体；幅亮度；大气透过率

0 引言

随着反导武器技术的快速发展，飞行器突防性能越来越受到重视，对飞行器突防性能综合评估的要求也越来越高[1]。飞行器突防性能综合评估包括理论分析和仿真计算、地面静态测试、弹道靶试验以及飞行试验条件下外场动态目标红外特性测量等环节。其中外场动态红外特性测量最接近实战条件，是飞行器突防性能评估重要的参考依据。

在进行外场动态红外特性测量试验前后，需要对红外辐射测量设备进行标定，完成2项功能：①选择红外系统的工作模式，包括衰减片和积分时间，使得既能捕获目标又使得设备像素不饱和。②建立红外测量设备的输出和接收到的能量的关系，以能够对飞行试验时外场动态红外特性测量数据进行处理，获取飞行器的红外辐射特征，包括辐射强度（亮度）、温度场等。

现有文献大多研究实验室标定方式（例如间接扩展源标定方法），然后用实验室标定参数对近距离静态目标测量数据进行处理。例如，李云红[2-3]等研究了标定与测量条件相同时的精确测温技术。陆段军等[4]研究了采用积分球对凝视型地球辐射探测仪进行标定的方法。张晓龙等[5]研究了非致冷长波红外热像仪的辐射标定方法。杨词银等[6]研究了大口径红外光电系统辐射定标及误差分析方法。

然而对于外场试验来讲，实验室标定数据处理方式并不适用，这是由两方面造成的：①外场拍摄目标为高速飞行器，背景为天空，红外辐射测量受到太阳、地面辐射、大气的影响，环境十分复杂；②外场试验的红外辐射测量设备大多为机动设备，经纬仪方舱较小，一般无法采用实验室通用的平行光管标定方式（间接扩展源法）；部分固定式红外辐射测量设备虽然可采用间接扩展源标定方式，然而实验室的工作环境是可以精确控制的，外场标定试验的工作环境很难精确控制。这就要求研究与外场标定试验配套的标定数据处理方法，并且回答“外场标定数据处理结果能否直接应用于飞行试验测量数据中？”本文针对外场红外辐射测量设备标定方法多，标定环境和飞行试验环境不同的情况，解决了把外场标定数据处理结果应用于飞行试验测量数据中的难题。

1 外场红外系统标定体系

红外系统一般工作在线性区。通过外场标定建立输入能量和输出的关系。图1显示了红外探测器输出电压和接收能量存在如下的关系。从图中可看出红外辐射测量系统与能量可分为3个区：线性区、非线性区和饱和区。

图1 红外探测器接受辐射能量与输出的典型响应曲线

红外系统的外场标定方式分为3类：直接扩展源法、间接扩展源法、黑体近距离成像方法[7-12]。针对不同类型红外辐射测量设备要选择相应的标定方式及配套设备。

1）对于固定红外系统可建立活动板房，在其内设置滑轨式平行光管，试验前后采用间接扩展源法对其进行标定；试验期间将板房移开。在试验间隙将滑轨式平行光管移动到固定库房中。

2）活动红外系统根据飞行试验试验需要布设在不同的站点，为了保证设备的机动性，标定设备的尺寸往往不大，不能内置小型平行光管，可使用小面元黑体近距离（几十米）标定，也可使用直接扩展源进行覆盖式标定。

3）部分活动红外系统尺寸较大，而且口径较小，可内置小型平行光管，可使用平行光管对红外探测器部分像素进行标定。

4）目前大面元黑体已经开始在红外系统中应用，然而大面元黑体的升降温较慢，面元温度一致性不易控制，且配套的附属设备尺寸较大，不适合活动红外系统。

2 间接扩展源标定方法

在望远镜主光学系统入瞳处放置出瞳面积大于并覆盖主光学系统入瞳面积的大口径平行光管，在平行光管焦面上放置均匀面源黑体，以此作为标准红外辐射源进行标定。平行光管一般由3部分组成：离轴抛物镜、车床。小面元黑体发出的红外光线经过平行光管后形成平行光，为了保证精度，需要使得平行光管出射光线与红外系统的主光轴对准，如图2所示。

平行光管标定光路见图3。

2.1 平行光管成像关系

记平行光管的焦距为g，红外系统清晰成像的焦距为，红外探测器单像元尺寸为，面积为d＝2，其对应的小面元黑体面积为B。图3中，小面元黑体处发射出红外光线经过平行光管后形成平行光，经红外系统在红外探测器上成像在探测器处。d和B存在如式(1)的关系：

2.2 相机像素接收能量

黑体的辐射亮度为B，黑体B发射且进入探测器像元的能量为[8]：

d表示相机探测器像元d接收光线的亮度，则d接受的能量为（见图4）：

图2 红外系统与平行光管标定示意图

图3 间接扩展源标定方法

图4 探测器接受能量示意图

令g表示红外能量经过平行光管的能量损失，即：

d＝gB

因此，

这里o，d，都是常数，只有B是可调的（通过调整黑体温度）。在执行试验时，由于飞行器距离较远，设备的焦距设为。当飞行器的亮度为时（不考虑大气吸收），探测器中心像元接收的能量为：

如果接受的能量（表现为灰度）与标定实验中接受的能量相等，则可得到飞行器的亮度。

2.3 平行光管透过率tg标校

标校方法为：

1）用小口径红外系统（与红外辐射测量系统波段相同）依次对面源黑体在2个以上温度点T测量，计算小口径相机辐射定标系数。

令为小口径红外系统的响应度，则其对面源黑体定标测量计算公式为：

(T)＋

这里小口径相机接收的面源黑体辐亮度(T)为：

式中：()为小口径相机的光谱响应函数；1为第一辐射常数；2为第二辐射常数。

2）用小口径红外系统（与红外辐射测量系统波段相同）依次对平行光管在2个以上温度点T测量，计算小口径相机辐射定标系数。

小口径红外系统对平行光管定标测量计算公式为：

式中：g为平行光管幅亮度。

根据小口径相机对平管、面源黑体多个温度的测量结果，以最小二乘法求解得到平管子系统各个波段的透过率g。

2.4 像素辐照度、入瞳辐照度和像素入瞳辐照度

像素辐照度定义为：

进入到单个像素的能量对应的入瞳辐照度为：

2.5 小面元平行光管实验

考虑大气对红外能量的吸收，目前红外辐射测量往往在3个波段进行测量：短波1～3mm，中波3～5mm，长波8～12mm。红外测量设备本身吸收部分红外能量，吸收特性由光谱响应()表示，其往往由衰减片档位确定。因此探测器接受的亮度为：

式中：(,)表示温度为的黑体在波长处发射的亮度。

由于飞行器在再入段发出强烈的能量，因此红外辐射测量设备往往会设置多档位的积分时间和衰减片。当红外测量设备波段1～2、积分时间、衰减片档位设定后，利用红外测量系统（短波、中波、长波）对黑体经过平行光管出射的能量进行测量，调整黑体温度T，＝1,…,，建立辐射输入与像素灰度G的关系：

假设某台红外辐射测量设备可测量3个波段的红外图像，积分时间有5档，衰减片有3档，因此共有3×5×3＝45种组合，¥、¥也有45组。

2.6 标定参数B¥物理含义分析

根据式(7)、¥的含义是：在外场的条件下，黑体为绝对零点时，探测器产生的灰度输出，包括2部分：①红外系统没有任何能量进入时红外系统的输出灰度；②平行光管标定时，光学系统的热辐射能量opt和平行光管的杂散辐射能量g进入探测器产生的输出。

3 直接扩展源标定方式

用大面元黑体覆盖在红外设备入瞳上，探测器直接测量黑体发射的能量，可不考虑平行光管标定和小面元近距离标定引入的杂散辐射等不可控因素，见图5。然而大面元黑体的制作比较困难，面元温度一致性和高发射率难以完成。

入射到探测器上某一像素的能量由入瞳上所有点出射某一方向上能量的集合，不考虑红外测量设备的损失，像素接受辐射能量的亮度为黑体的辐射亮度，为dBo/2。

图5 直接扩展源标定原理示意图

黑体中心与红外辐射测量设备主光轴对齐，设置测量波段、积分时间、衰减片档位后，调整黑体温度，记录测量图像，建立黑体幅亮度和系统响应（灰度）的对应关系：

式(8)中系统响应度与平行光管标定系统响应度相同，但是系统底灰度0只包括和红外系统热辐射产生的能量。

4 黑体近距离成像标定

对于没有平行光管的红外辐射测量设备，可采用黑体近距离成像标定方法，这时不考虑大气对黑体辐射能量的衰减。小面元黑体放置在距离红外辐射测量设备处（一般为十几米至几十米，见图6），调整和焦距f使得黑体在探测器上清晰成像，且至少充满1个像素。根据成像关系，近距离黑体成像时探测器像面与焦平面不在同一个位置，探测器的接收立体角不为常数，而与黑体与望远镜的距离有关，f＝＋。近距离标定时中心像素接收的能量为：

黑体中心与红外辐射测量设备主光轴对齐，设置测量波段、积分时间、衰减片档位后，调整黑体温度，记录测量图像，建立黑体幅亮度和系统响应（灰度）的对应关系：

4.1 标定参数BR物理含义分析

根据式(10)、B包括2部分：①红外系统没有任何能量进入时红外系统的输出灰度；②近距离标定时，光学系统的热辐射能量、地面热辐射和大气程辐射进入探测器产生的输出。因此B受外场影响很大，若外场的条件发生变化，外场测量的B也是不同的。图7给出了某设备白天/夜间中波标定结果。很明显，白天标定与夜间标定灰度数据相比，B值有一个提升。

4.2 K¥和KR的关系

对于相同的测量波段、积分时间、衰减片档位，相同的系统状态（、相同），近距离标定和平行光管标定的系统响应度存在如下关系：

由于f＞，故¥＞K。

同一黑体设置相同的温度进行两种标定实验，平行光管实验测得的灰度为¥，近距离成像测得灰度为G：

5 中距离红外辐射测量实验

将黑体设置在距离设备几公里处，调整黑体的温度，用红外辐射测量设备对其进行测量。用设备提供的大气透过率软件计算大气透过率，对测量目标进行反演，进而对标定方法、数据处理方法、大气透过率计算方法进行验证。

在稳定的环境中，黑体与红外系统的距离为，黑体清晰成像时红外系统的焦距为d，设定多个温度点T，红外系统测量得到灰度G：

这里为黑体与红外系统之间大气的透过率。(14)式可以转化为：

5.1 Bd值分析

红外系统与黑体相距为，其间的大气会辐射能量，因此值不但包括相机固有的红外辐射和还应包括大气的程辐射和地面热辐射及反射太阳能量。

5.2 验证大气透过率计算精度

图6 小面源黑体近距离标定原理示意图

图7 白天、夜晚两次标定的中波辐射出射度与灰度关系曲线

5.3 验证红外数据反演方法

6 飞行器亮度反演

热特征是识别真假弹头的重要信息。通过目标红外辐射参数的测量，根据黑体辐射定律，可以获得目标的温度特征、平均温度变化率、谱分布特征、发射率-面积之积、姿态运动特征、辐射强度方向图等重要特征。

6.1 飞行试验时探测器像元接收能量

像素灰度为：

所以飞行器的波段幅亮度为：

飞行试验时，红外辐射测量设备镜筒瞄准天空，fly值由光学系统的热辐射、固有灰度、飞行器与相机之间的大气辐射、飞行器反射太阳辐射能量产生。

6.2 大气透过率

从飞行器来的辐射功率在到达红外传感器前，会被大气中某些气体有选择地吸收，大气中悬浮微粒能使光线散射，吸收、散射虽然机理不同，其作用结果均使辐射功率在传输过程中发生了衰减。大气的衰减包括大气分子的衰减（吸收和散射）、气溶胶的衰减（吸收和散射）。吸收系数、散射系数均随波长、路径和大气环境变化而变化。

根据Beer定律，单色距离大气透过率可表示为：

为大气组分的消光系数，主要包括：

ext＝a＋m＋m(21)

式中：a、m、m分别为气溶胶粒子消光系数、大气分子散射系数和吸收系数。

白天用多波段太阳辐射计测量可见光到近红外多波段的大气光谱透过率，其中1～2个波段可用来遥测整层大气水汽总含量；夜晚用激光雷达测量大气气溶胶光学厚度和大气能见度。用自动气象站测量地表大气温度、湿度、气压，以及风速、风向。根据建立的当地大气参数数据库和这些实时测量数据可以根据大气透过率计算软件（LowTran、ModTran、Cart）计算单色大气透过率a()。

根据(18)式：

6.3 背景灰度的物理含义

飞行试验测量得到的红外图像，目标占据较少的区域，目标周围的区域称为背景区域，背景区域的灰度b是由于光学系统的热辐射、固有灰度、整个大气层红外辐射产生。

对于晚上执行的试验，没有反射的太阳辐射，可认为fly是背景灰度。特别当飞行器的高程较高，由于外层大气很稀薄且温度低，目标与红外系统之间的大气辐射近似等于整个大气层辐射。因此式(19)转化为：

6.4 亮度反演

7 结论

本文研究了间接扩展源标定方法、直接扩展源标定方法、小面元黑体近距离成像标定方法的能量传递过程和标定试验过程，分析了3种标定方法得到的系统响应度和系统底灰度的物理含义。最后又研究了飞行器的亮度反演方法，讨论了波段内大气透过率的等效算法，为外场红外辐射数据处理奠定了基础。

表1 温度-波段辐亮度查找表

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Outdoor Calibration System of Infrared Device and Method of Computing Luminance of Aircraft

LU Xiao-fei，SHENG Jie，ZHAO Hui

（,732750,）

For outdoor infrared device, the calibration process establishes the relationship between input energy and output gray. This paper constructs the outdoor calibration system of infrared device, analyzes the energy transporting process of calibration by collimator, calibration by near blackbody, calibration by overlap blackbody, and demonstrates the process of calibration. By analyzing the physical meaning of calibration parameters, this paper points out the same aspects and different aspects of system response，based on which the method of computing luminance of aircraft is proposed. Also this paper proposes the method of measuring blackbody with middle range, which can be applied to validate the atmospheric transmittance and method of calibration.

outdoor calibration，collimator，small surface blackbody，luminance，atmospheric transmittance

TN216

A

1001-8891(2015)02-0154-07

2014-03-04；

2014-10-01.

禄晓飞（1981-），男，工程师，博士，主要从事红外物理研究。E-mail：Luxf08@163.com。