制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

三波段成像光学系统的辐射定标

系统的成像波段分别为近紫外（300 nm~380 nm）波段,可见光（380 nm~760 nm）波段和近红外（760 nm~1 100 nm）波段。通过搭建与该光学系统相对应的辐射定标装置,建立辐射定标数学模型,对已研制的三波段成像光学系统进行绝对辐射定标的研究。针对系统成像波段光谱范围较宽的特点,以分波段辐射定标方法对于测量得到的定标数据,采用最小二乘线性拟合法进行处理,对算法进行修正,再对定标数据进行处理。通过实验验证了2种方法的定标精度,结果表明:修正后的算法可得到精度更高的定标曲线,测量相对误差不超过5%,定标结果满足实际工程需求。     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.     

红外光谱辐射计探测器高阶非线性响应校正方法

针对傅里叶变换红外光谱辐射计辐射定标需要黑体辐射面充满仪器视场的技术特点,分析了由于入射光子流较高导致红外探测器产生非线性响应误差的机理.通过仿真包含非线性误差的黑体辐射数据,研究了非线性误差对光谱产生的影响,并根据卷积和交叉迭代两种校正方法,提出了适合校正高阶非线性响应误差的迭代方法—梯度下降法.利用傅里叶变换红外光谱辐射计进行辐射定标实验,对比卷积、交叉迭代和梯度下降法三种校正方法的效果,结果显示三种校正方法均可有效减小非线性误差,分别使拟合优度提高了0.15%,0.29%和0.39%,梯度下降法校正后的光谱数据更为准确.     

星载多角度偏振成像仪非偏通道全视场偏振效应测量及误差分析

星载多角度偏振成像仪自身的光学系统有一定的偏振效应,会影响非偏通道的辐射测量精度.斜入射到光学元件上的光透射率是偏振敏感的,导致了光学系统的线偏振效应.为精确反演解析出观测目标光的辐射强度,需对成型仪器本身的偏振效应进行准确的测量、定标、校正.通过分析仪器原理和光路结构,详细推导出仪器非偏通道含线偏振效应的辐射测量模型,并根据实际镜头特点合理简化了模型.提出了基于不同偏振角的完全线偏光在仪器全视场内稀疏入射并最小二乘拟合响应值的方法,对非偏通道全视场线偏振效应进行测量和定标,同时对此方法的定标过程进行了仿真.另外,分析了仪器主要物理参数有偏差时对不同偏振态入射光的反演误差,如仪器单像元方位角、显式起偏效应、低频透过率.对仪器开展了实验室定标实验,得到了仪器主要物理参数范围及其拟合偏差量,进一步算出显式起偏效应参数偏差引起的辐射定标强度相对误差最大为0.4%,满足仪器辐射精度5%的要求并留足余量.该研究为仪器非偏通道全视场的高精度辐射测量、定标及后期数据处理提供了理论依据及实验指导.     

近高超声速高温蓝宝石窗口下中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验

本文基于高温红外窗口热辐射红外成像探测器干扰机理,开展高温红外窗口成像分析、仿真与实验验证研究工作. 根据流体仿真计算获得的高温窗口温度及实验测得的窗口发射率、吸收率等参数,开展窗口热辐射计算;建立了光学窗口介质内部辐射传输路径和强度计算模型,并给出了窗口辐射出射模型以及相应红外成像模型;基于光学追迹方法,把窗口热辐射成像的计算问题转换成了光学计算问题;设计了一种基于高温蓝宝石红外窗口的加热实验,对红外成像仿真结果进行了检验. 通过仿真结果与窗口加热实验结果对照,将基于模型分析获取图像与实验结果图像作差,得到的平均每个像素误差值为0.45;实验发现在窗口约773 K条件下,设计的中波红外成像系统的信噪比、对比度分别降低到原来三分之一左右,而整个红外成像系统NETD值由原来的约52 mK上升到了954 mK. 本文提出的窗口热辐射分析方法可以有效估计窗口热辐射对中波红外成像的影响,设计的实验对成像系统的指标验证有较好的用途,同时对红外成像系统波段细化优选和成像参数调整,降低图像退化程度,都有着重要的指导意义. 关键词： 近高超声速 高温蓝宝石窗口 气动效应 仿真与实验     

Infrared imaging characteristics of space-based targets based on bidirectional reflection distribution function

A modeling method of infrared imaging characteristics of a space-based target was presented. Background radiation environment of a space-based target was analyzed and the background radiation mainly consists of direct radiation of the sun, thermal radiation and reflected radiation of the earth. The target surface was divided into regions based on geometrical shape and surface material characteristics and a surface equation of each region was built based on its body coordinate system. Each region was divided into meshes supposing that each mesh is a micro-plane. A bidirectional reflection distribution function (BRDF) model considering the characteristics of surface Gauss statistics and self-shadow was introduced to describe reflected infrared of each mesh of the target surface. The emitted infrared radiation of each mesh of the target surface was described according to its thermal equilibrium temperature. Then a mathematical model on infrared radiation imaging characteristics of the space-based target was built in terms of the given infrared detector. The relative positions of the space-based target, the background radiation sources and the detector are determined by orbital parameters based on coordinate conversion. Visual surfaces of the target to observation system were determined by vector coordinate method. Simulation of optical imaging characteristics of the target in orbit was achieved according to its given geometrical dimensions and physical parameters. The results show the method is feasible and robust for infrared characteristics of the space-based target when single reflection is considered and its surface is regular and can be described in a surface equation. It can provide a facility to real-time analysis of infrared imaging characteristics of the space-based targets.     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计

制冷型红外探测器f数由冷阑尺寸和位置决定,在冷阑附近加温阑可以改变探测器f数,但是会引入大量杂散辐射.为解决这一问题,提出一种基于球面反射温阑的红外探测器变f数设计方法.建立了温阑红外辐射模型,分析普通平面温阑引入的杂散辐射及其对探测器性能的影响.在此基础上提出球面反射温阑的设计方法,通过改变表面形状和发射特性,降低温阑引入的杂散辐射,以保证探测器变f数后的性能.为验证本文方法,设计球面反射温阑和普通平面温阑改变某制冷型探测器f数,在高低温试验箱内进行辐射定标实验测量两种温阑引入的杂散辐射,比较二者对探测器的影响.分析和实验结果表明,球面反射温阑引入的杂散辐射远小于普通平面温阑,引入的噪声等效温差也较小,能够更好地保证红外系统的成像性能.     

真空条件下低温红外辐射测量技术研究

针对红外载荷在轨服役期间低温目标的红外辐射探测需求，提出一种真空条件下的低温红外辐射测量方案，并研制了测量装置。测量装置主要由低温红外光学系统、低温机械结构、低温红外探测系统及微弱信号处理系统构成。低温红外辐射经过光学系统会聚到探测器像面，锁相放大器利用相干检测技术将目标信号提取，完成低温红外辐射的测量。测量装置研制完成后，在真空仓内使用标准黑体辐射源，在198 K～423 K温度范围内进行了低温红外辐射定标试验，取得了有效的试验数据，测量不确定度在5%以内。该文提出的真空条件下低温红外辐射测量技术可为在轨空间红外载荷低温红外目标探测设计提供重要数据支撑。     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

谱线漂移对星载成像光谱仪辐射测量精度的影响

分析了谱线漂移在地面辐射定标、星上辐射定标和在轨对地观测等环节对成像光谱仪辐射测量的影响,建立了从实验室辐射定标到星上辐射定标再到在轨对地观测全过程的辐射传递模型,并通过仿真分析求解了成像光谱仪入瞳处辐射测量不确定与谱线漂移之间的关系。结果表明,谱线漂移导致的辐射测量误差与谱线漂移量和入瞳辐亮度的分布梯度成正比;光谱带宽偏差对测量精度的影响程度较中心波长误差高一个数量级。对于可见近红外(VNIR)波段平均光谱带宽10 nm、短波红外(SWIR)波段平均光谱带宽20 nm的典型成像光谱仪,要保证谱线漂移引起的辐射测量不确定度小于6%,实现成像光谱仪在轨观测时入瞳处的辐射测量绝对精度优于10%,可见近红外波段中心波长偏差应不大于2 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm,短波红外波段中心波长偏差应不大于3 nm,光谱带宽偏差应不大于0.1 nm。     

基于图像的飞行器红外辐射特性测量

通过将目标在一定波段内的红外辐射等效为红外成像系统前一定距离下黑体在对应波段内的红外辐射,建立了等效辐射方程。根据黑体辐射定标实验数据,利用非线性回归方法确定了在不同的积分时间条件下红外凝视成像系统输出红外图像的灰度值与在一定距离下的黑体温度之间的定量关系,建立了辐射定标方程。在Visual C++6.0平台下,在对红外目标图像进行SUSAN滤波等预处理后,分析了已知目标距离的红外图像的灰度均值。首先根据辐射定标方程计算出目标等效为黑体的温度,然后利用等效辐射方程反推目标的红外辐射强度,以达到根据跟踪的红外图像确定红外目标辐射特性的目的。此项研究不仅可以为目标识别提供目标分类、识别和辨认所必需的光谱数据库,而且还可以为红外预警提供重要的参考数据。     

空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析

针对空中目标在复杂背景下的探测需求,根据实际目标的运动特性,分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点,基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据,建立目标的三维模型、热辐射和反射模型,搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明:在中波波段,目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多,在长波波段,蒙皮的红外辐射比较强,仿真图像的细节比较多,尾焰的红外辐射虽然有所减弱,红外成像效果依旧很好;相同探测条件下,由于位置越高大气越稀薄,探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.     

红外多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标光学系统精度分析

从国际不确定度工作组制定的《测量不确定度表示指南》入手,建立辐射定标光学系统的精度分析模型,确定影响定标精度的各误差源和不确定度分量,采用仿真分析、统计计算、查阅手册,结合试验数据等多种方法计算各自数值,得到系统相对常差和合成相对标准不确定度。结果表明:黑体辐射源定标系统常差为0.012,不确定度为1.07%;积分球系统常差为0.024,不确定度为2.51%,定标系统性能良好。通过研究,建立了一种分析模拟空间环境下光学试验精度的指导性方法。     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

无人机多光谱传感器场地绝对辐射定标研究

2010年10月14日无人机遥感载荷验证场科学实验在内蒙古乌拉特前旗展开,这是我国首个航空遥感定标验证场的首次科学实验。通过验证场实验数据及制作的朗伯特性好的六块高光谱辐射特性靶标,采用反射率基法对搭载在无人机平台上的宽视场多光谱相机进行了场地绝对辐射定标。结果显示,对于成功获取影像的绿光、红光及近红外通道的绝对定标结果中,计数值(DN值)与辐射传输计算得出的表观辐亮度之间的线性相关系数优于99%。经误差分析得到不确定度为5.19%,优于验证场课题要求的6%。定标结果表示,验证场所配备之高光谱辐射特性靶标适用于机载多光谱载荷的场地绝对定标,且定标结果可靠,可以用于地物参数的反演。