环境对中波红外探测器测温精度的影响

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3.56℃和0.27℃,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。     

非制冷型长波红外光谱仪的辐射定标方法

提出一种根据环境温度变化量补偿红外光谱仪系统输出灰度值的辐射定标方法。首先分析了在辐射定标和测量过程中红外光谱仪系统输出灰度值漂移的原因,推导出漂移变化量和环境温度辐射度变化量的函数关系;然后利用自主研发的非制冷型长波红外光栅光谱仪进行辐射定标实验,确定了实验室辐射定标方程和环境温度改变后通过补偿得到的辐射定标方程;最后通过实验验证了在不同环境温度下利用补偿后的辐射定标方程进行辐射测量的准确性。结果表明:在不同的环境温度下,通过漂移补偿可使光谱仪系统输出灰度值误差明显减小,其误差不超过2.4%,显著提高了非制冷型长波红外光谱仪对红外辐射的测量精度。     

根据环境温度进行红外成像系统漂移补偿

采用红外成像系统进行目标辐射特性测量时,环境温度变化引起的输出灰度漂移是一项重要的误差来源。通过研究环境温度对制冷型红外成像系统输出灰度的影响机理,提出了一种直接根据环境温度对输出灰度漂移进行补偿的方法。分析了红外成像系统灰度漂移来源,推导了漂移量与环境温度的函数关系,建立了理论模型,并在此基础上提出一种简便的漂移修正方法。通过辐射定标实验对该方法的有效性进行验证,结果表明,提出的方法不仅保证了红外系统测量精度,而且在系统线性响应范围内可以直接通过计算实现任意积分时间下的漂移补偿,提高了辐射定标和测量效率。     

频率扫描干涉仪漂移误差正反向扫描补偿法

频率扫描干涉仪对测量过程中光程差的漂移非常敏感,目标镜的微小位移会被放大几千倍,使得测量结果严重失真,因此必须消除或减弱漂移误差。针对现场测量中目标镜的低频振动或缓慢漂移,根据光频连续正反向扫描测量值漂移误差放大项大小近似相等、符号相反的特性,提出了一种光频连续正反向快速扫描的漂移误差补偿方法,并进行了频率扫描干涉仪漂移误差补偿实验,分析对比补偿前后的实验结果,验证了该方法的可行性。实验结果表明,在测量距离约1543.3mm处,目标镜振动频率为4.7Hz,振幅为1μm,采用补偿后,连续40次采样测量的标准差由补偿前的51.9μm下降到8μm。     

激光辐照下红外测温的误差补偿方法研究

为了提高激光辐照下加热点处红外测温精度,建立了多变量测温补偿模型,研究了测量距离、测量角度与测量精度的关系。采用单一变量与正交变量结合的方法,建立关于测量距离与测量角度的二元变量补偿模型,并进行误差补偿模型验证实验。结果表明:补偿模型与实际测量结果可以较好地匹配,补偿后测量误差为±1.25%,与补偿之前相比测量精度提高64.25%,验证了补偿模型的正确性,为激光辐照下加热点温度红外测量提供理论指导。     

碳纳米管微悬臂梁红外探测器的优化设计

对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析，并建立了相应的理论模型，实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性，优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性，在一定的红外辐射下，微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化，从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测，利用碳纳米管的红外吸收特性，在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层，提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明：其功率灵敏度可达fw级，比传统的静态测试方法提高了两个数量级。而且这种基于微机电系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的。     

高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件,在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用.然而,由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感,因此在外场环境下工作时容易出现增益波动,继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移,严重降低了探测器的时间稳定性.本文发展了一种稳定输出延时的方法,采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管,使其处于恒定温度,并实时补偿由环境温度引起的延时漂移,实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测.实验中,环境温度从16 ℃变化到36 ℃,雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃,经过延时补偿,雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps,时间稳定度达到0.15 ps@100 s.这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.     

一种基于纹理特征的红外成像目标跟踪方法

提出了一种基于LBP（Local Binary Pattern)纹理特征的红外成像目标跟踪方法,将LBP纹理特征集成到了核跟踪方法中.根据目标各区域对背景的区分能力不同,提出了目标各区域置信度的评价方法,用基于区域置信度及空间距离核加权的LBP特征概率密度函数,构造了目标及候选目标的特征模型.通过相似性度量,利用均值漂移方法实现了基于纹理特征的红外成像目标跟踪.实验结果验证了该算法在红外成像目标跟踪中较基于灰度的均值漂移跟踪算法更为鲁棒.     

基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。     

环境温度对红外图像非均匀性影响的研究

定量分析了SOFRADIR公司生产的320×240凝视型非制冷焦平面探测器关键偏置电压FID、VEBASAGE对焦平面探测器输出的影响.通过测试发现,焦平面驱动电路板所处系统内部环境温度在某一温度附近有振荡现象,理论上推导出了焦平面驱动电路所处系统内部环境温度在（－10℃,40℃）的缓慢漂移以及振荡均能使关键偏置电压产生毫伏级漂移的结论.结果表明,焦平面驱动电路所处系统内部环境温度变化严重影响了焦平面探测器输出的稳定性并改变了红外图像的非均匀性,为基于环境温度补偿的非均匀性校正算法研究提供了依据.     

红外光谱发射率测量系统的温漂修正方法

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响,分析探测器温度与输出电压之间的变化规律,提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系,对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合,得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程,计算光谱响应度的温漂修正系数,修正探测器的输出电压,消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。研制光谱响应度温漂修正装置,测得探测器光谱响度的温漂曲线,对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度,结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好,提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。     

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。     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22 ℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。     

非制冷热像仪内部温升对测温精度的影响修正

随着非制冷型热像仪工作时间的增长,其内部器件、机械结构所积累的热量越来越多,其温升所导致的热辐射势必会对热像仪的测温精度产生严重影响。因此,要实现热像仪的准确测温,必须对其内部的各温升影响因素进行相应的修正。本文通过对影响测温精度的镜筒辐射温度、探测器靶面温度以及热像仪工作累积时间三个因素进行评估和建模,并对其相互关系进行评价,根据数据模型对热像仪辐射测温值进行修正。结果表明,在实验室条件下,经过修正,非制冷型红外热像仪测温精度可控制在±1℃以内,其稳定性可控制在±0.5℃以内。修正后的温度结果基本不受内部温升的影响,有效的提高了非制冷测温型热像仪的稳定性、可重复性以及测温精度。     

基于多参数模型的非分散红外光谱气体检测稳定性方法研究

针对非分散红外光谱传感器零点和温度漂移问题,建立了一种基于零气光强、参考光强、标准温度、环境温度、温度漂移系数等多参数模型,对红外传感器长期连续运行中存在的零点和温度漂移进行自动校正和补偿。测试结果和长时间应用表明,仪器在各种变换的环境条件下检测精度均小于5%F.S。CO₂的平均检测精度从未综合处理前的9.26%提高到了处理后的1.23%,CH₄的平均检测精度从未综合处理前的10.61%提高到了处理后的0.70%,克服了很多气体检测仪存在的稳定性差,标定周期短等不足,有效提高了仪器的检测精度、稳定性,降低了维护成本。     

气体光谱分析应用中傅里叶变换红外光谱基线漂移分段比校正方法

针对气体光谱分析应用中傅里叶变换红外光谱仪长时间连续工作时易出现光谱基线漂移、畸变问题,对红外光源温度波动及漂移、动镜倾斜、分束器性能变化以及检测器横向偏移对光谱基线的影响进行了仿真研究,结果表明光谱基线的漂移近似线性。基于此,本文提出分段比光谱基线漂移修正法SBCPD校正光谱基线。通过比较基线校正前后仿真光谱峰高变化、偏最小二乘(PLS)定量分析模型预测不确定度、油气探井气测录井在线基线校正性能,发现SBCPD性能优越,要优于传统的多项式拟合法及airPLS法。经检验,该方法性能稳定,计算量小,便于工程应用。     

热释电探测器积分响应测试系统研究

为了实现对红外探测器积分响应的自动测量,配合虚拟仪器技术搭建了一套热释电红外探测器积分响应自动测试系统。利用双绞线将测试仪器与计算机连接,以LabVIEW为开发平台编写软件测试系统,遥控测量仪器,实现计算机自动采集和处理数据实时绘制曲线,对LT-020-H型热释电红外探测器在不同调制频率下的积分响应度进行了测试并分析。在500K的黑体辐射下,探测器积分响应度达到3.5×106V/W。通过对实验结果进行分析,得到了探测器响应、黑体辐射温度以及信号调制频率之间的关系。