紅外熱像儀性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)校正方法研究

宿軍，王勁松，李延風(fēng)，劉斯堯

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

近幾十年來，紅外熱像儀以其隱蔽性好、具有穿透煙、霧、雨、雪等限制以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全天候觀察等優(yōu)點(diǎn)，在偵查、導(dǎo)航、氣象、醫(yī)學(xué)熱診斷、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。隨著紅外熱像儀研發(fā)和生產(chǎn)的日益更新，對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)性能測(cè)試提出了更高的要求，其各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)也愈發(fā)重要，紅外熱像儀性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，控溫準(zhǔn)確，快速，能夠完成最小可分辨溫差［1］、最小可探測(cè)溫差等紅外熱像儀重要性能參數(shù)的測(cè)試。系統(tǒng)校正方法的研究。很好地解決了測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定的技術(shù)問題。對(duì)獲得準(zhǔn)確的、等指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)，降低測(cè)試系統(tǒng)自身特性的影響，具有十分重要的意義。

1 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及測(cè)量參數(shù)

1.1 工作原理

檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。靶標(biāo)位于準(zhǔn)直儀的焦面上，模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，使熱像儀接收到近似于無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的平行光束。可變溫差目標(biāo)發(fā)生器為熱像儀提供一個(gè)均勻可調(diào)的目標(biāo)-背景溫差，經(jīng)過反射式準(zhǔn)直儀輻射到熱像儀視場(chǎng)內(nèi)，使靶標(biāo)在熱像儀視頻圖像上呈現(xiàn)一定對(duì)比度的圖案，增加減小溫差可使圖案對(duì)比度增加或減小。通過熱像儀視頻圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)MRTD/MDTD、光軸一致性等參數(shù)的精確測(cè)試。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

1.2 檢測(cè)參數(shù)

國(guó)標(biāo)中規(guī)定用于評(píng)估紅外熱像儀性能的參數(shù)主要有零位走動(dòng)量［2］、最小可分辨溫差（MRTD）［3］、最小可探測(cè)溫差（MDTD）［4］、噪聲等效溫差（NETD）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。其中MRTD是綜合評(píng)價(jià)紅外熱像儀的核心參數(shù)，是能表征紅外熱像儀熱靈敏度和高頻極限分辨力的綜合度量。MDTD是一種能與受噪聲限制的野外探測(cè)性能相關(guān)的參數(shù)［5，6］。

用于MRTD溫差判讀的靶標(biāo)采用四桿靶形式，紅外熱像儀的MRTD為：

測(cè)量時(shí)，目標(biāo)溫度比背景溫度高時(shí)（白桿），稱為正溫差ΔT1，目標(biāo)溫度比背景溫度低時(shí)（黑桿），稱為負(fù)溫差ΔT2，取其絕對(duì)值的平均值。

MDTD的測(cè)試原理與MRTD類似。不同的是靶標(biāo)形式采用圓孔靶。紅外熱像儀的MDTD為：

測(cè)量時(shí)，通過調(diào)節(jié)面源黑體溫度，使目標(biāo)溫度逐漸高于背景溫度，當(dāng)觀察亮圓斑時(shí)的溫差，稱之為正溫差ΔT1′。繼續(xù)降低溫差，直到暗圓斑出現(xiàn)，稱之為負(fù)溫差ΔT2′，其中K是系統(tǒng)校正系數(shù)。該系統(tǒng)校正的量值傳遞基準(zhǔn)是鉑電阻溫度計(jì)（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)黑體對(duì)掃描輻射計(jì)進(jìn)行校正，再用校準(zhǔn)合格的輻射計(jì)對(duì)熱像儀整機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校正。

2 校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)校正系數(shù)

系統(tǒng)黑體源輻射的是物理溫差，經(jīng)平面反射鏡、拋物面鏡反射后平行投射于熱像儀，這過程中由于大氣衰減、反射損失等因素，最后熱像儀接收到的輻射能將減弱，也就是接收到輻射溫差。輻射溫差與物理溫差之間的比值（測(cè)試很多組數(shù)據(jù)，再用最小二乘法計(jì)算斜率）即為系統(tǒng)校正系數(shù)。這個(gè)系數(shù)K經(jīng)校正后，即可長(zhǎng)期使用。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的MTF、透射比及面源黑體發(fā)射率的影響，檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量前需要進(jìn)行系統(tǒng)校正標(biāo)定。系統(tǒng)校正示意圖如圖2所示。設(shè)備配置圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)校正示意圖

圖3 校正系統(tǒng)布局圖

3 校正結(jié)果與討論

進(jìn)行系統(tǒng)較正，首先將四桿靶溫差（物理溫差）通過熱源控制器降至-8℃（注：最大負(fù)溫差不能低于黑體輻射溫差表的下限，最大正溫差不能高于黑體輻射溫差表的上限），使用經(jīng)標(biāo)定的輻射計(jì)，在±1.5°角范圍內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行掃描。得到如圖4結(jié)果。改變溫差，測(cè)得不同溫度（物理溫差）下的靶標(biāo)溫差。得到一系列具有四個(gè)波峰，三個(gè)波谷的溫度分布曲線。

圖4 溫度分布曲線圖

對(duì)于負(fù)溫差，將溫度分布曲線中四個(gè)波峰溫度（最小值）取算術(shù)平均Tf，再將三個(gè)波谷溫度（最大值）取算術(shù)平均Tg，則Tf-Tg即為該物理溫差下的輻射溫差。對(duì)于正溫差，將溫度分布曲線中的四個(gè)波峰溫度（最大值）取算數(shù)平均得Tf，再將三個(gè)波谷溫度（最小值）取算術(shù)平均Tg，則Tf-Tg即為該物理溫差下的輻射溫差。其測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 物理溫差與輻射溫差測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1中溫差數(shù)據(jù)可知，以物理溫差為橫坐標(biāo)，輻射溫差為縱坐標(biāo)，采用最小二乘方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)校正系數(shù)擬合曲線

由擬合結(jié)果計(jì)算可知，K=0.864。得到校正系數(shù)后，代入計(jì)算公式中，進(jìn)行系統(tǒng)修正。即可求得被測(cè)紅外熱像儀的MRTD和MDTD參數(shù)。完成測(cè)試設(shè)備的全部校正。

4 結(jié)論

紅外熱像儀各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試離不開紅外成像系統(tǒng)性能測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)校正系數(shù)的標(biāo)定是進(jìn)行紅外成像系統(tǒng)各參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)，本文針對(duì)紅外熱像儀性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)校正問題，進(jìn)行了研究和探討。分析了采用高精度成像式紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的系統(tǒng)校正方法，通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得了系統(tǒng)校正系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可滿足儀器常數(shù)的標(biāo)定測(cè)試要求。能夠很好解決檢測(cè)系統(tǒng)校正的技術(shù)問題。對(duì)于紅外熱像儀的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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