红外目标模拟器校准系统的研制

红外目标模拟器校准系统的研制

1红外目标处理器的辐射校准红外目标模拟器根据已知的高线辐射能量对红外接收系统进行了测试和定标。图1是一种反射式红外目标模拟器的结构示意图,辐射源用黑体,离轴抛物镜将辐射准直后出射。由于各种各样的红外系统对标定的需求不同,诸如能量大小、波长范围和准直特性等,难以用一种红外模拟器涵盖所有的应用场合,所以许多关键的产品研制出了特定的红外目标标模拟器,甚至一些产品配置了整套的标定设备而形成完整的测试工作站。人们总希望标定用的红外目标模拟器能够提供标准的辐射能量,但是针对各种特殊场合研制的、现场使用的红外目标模拟器不可能,也不必要是辐射量值的标准。这样,既要满足第一线特定红外产品标定的需要,又要在一定程度上与标准辐射相吻合,产生了红外目标模拟器的辐射校准问题。从人工黑体到光学元件,尤其是相互之间的位置关系,无一不给红外目标模拟器的出射带来影响,最佳方案是整体辐照度的校准。红外准直辐射测量的困难是能量低,属于弱信号处理范畴,分光谱后还要低约两个数量级。具体校准的方法,可以采用高性能的红外光谱辐射计,也可以在专门研制的红外目标模拟器校准装置上进行。应该注意的是,尽管有时只需要红外目标模拟器提供某一波段的积分辐射能量,但校准时只有对输出光谱进行分析判断,才能深刻了解整体性能,得出更为准确的积分值结果。由于红外辐射测量涉及众多的因素,用两种方法对同一个红外目标模拟器进行辐射校准,将其结果相互印证比较,无疑具有一定的理论和实践意义。2sr-500校准红外目标模块SR-5000采用CVF进行分光,换用元件后可以在0.2μm～25μm的光谱区间工作,是一种比较成熟的智能型红外光谱辐射计。有资料报道用SR-5000进行热像仪定标黑体的光谱辐照度校准,其中介绍了SR-5000的特点,并和FT光谱辐射计进行了一些比较。为了尽可能地消除系统及传递误差的影响,在校准红外目标模拟器时采用标准黑体对SR-5000进行现场标定。图2给出了SR-5000校准红外目标模拟器的原理示意图。先用标准黑体对SR-5000定标,黑体温度设置在227℃(500K),距离3.54m。定标后立即将SR-5000对准红外目标模拟器进行校准。表1列出了SR-5000的设置条件。标准黑体采用副基准级的变温黑体,有效发射率0.999,2/3以上腔体温度的不均匀性小于0.2℃,温度分辨0.1℃,出口光阑直径25.4mm。待校红外目标模拟器焦距650mm,口径110mm,工作黑体的温度设置为227℃(500k),光阑口径0.36mm。校准过程中,根据目标模拟器的特性,调整SR-5000的FOV和标准黑体的光阑,使目标完全包含在辐射计的有效视场内并相匹配。图3给出了8μm～14μm光谱区间的计算值和测量值,将测值积分后得出该区间红外目标模拟器的辐照度为8.336×10-9W/cm2。3红外目标器件的光谱和能量红外目标模拟器校准系统是专门设计为检测准直辐射能量的标准装置,图4是校准红外目标模拟器的原理图。系统主要由标准黑体、准直光管、转向镜和红外光谱辐射计组成,准直光管出射的辐射和待校模拟器的辐射经由转向镜交替进入红外光谱辐射计中。标准黑体性能同前所述,和准直光管一起组成标准准直辐射源。虽然校准系统的一些主要性能,如可校准的最低量值、光谱范围和波长分辨率等都由光谱辐射计决定,但由于采用了辐射对比的原理,辐射计本身的噪声和稳定性对测量结果的影响很小。黑体在距离L上产生的光谱辐照度可以表示为:式中的ΔAs是辐射源面积。认为θs和θd为零,准直光管的焦距为fb,标准黑体光阑为rb,发射率ε,则标准准直光管辐射照度是:式中τb表示准直系统的光谱透过率。如认为可以忽略大气的影响,则τb主要由光学元件的透过率决定。两块反射镜的膜层相同,反射率为ρλ,则:(3)式给出的是标准辐射计算值,转向镜两边辐射交替测量后根据辐射计输出得到的是测量值。为使测值准确,避免非线性等误差的影响,标准与待测的辐射在光谱和能量大小两方面上都应尽可能地匹配。对于黑体辐射源,目前的工艺水平容易使发射率达到0.98以上,温度设置相同时,可以使光谱形状接近,而能量大小的匹配比较困难。测量时,通过改变标准黑体的出射光阑使之与待测辐射的大小接近,因为待校准的红外目标模拟器参数一般是事先给定不能随意更改的。校准时,红外目标模拟器距离辐射计约5m,大致和标准辐射的相同。表2给出了8μm～14μm光谱区间的测试结果,其余条件和SR-5000测法的相同。图5绘出了表2中计算值和测量值的曲线。积分辐照度值为8.233×10-9W/cm2。4量领域已达10-10w/cm2/m得益于红外探测和电子技术上的进步,红外准直辐射测量领域已经达到10-10W/cm2/μm量级以下。虽然两种方法给出的光谱曲线基本相同,积分值也很接近,但校准工作中仍然存在一些问题,试分析如下。4.1sr-500的导向范围在用SR-5000校准时,需要用标准黑体对辐射计进行定标。标准黑体的光阑口径有限,为提高标定的准确度,黑体和辐射计之间的距离应当近些,但SR-5000最近的聚焦范围是3m。当校准红外目标模拟器时,因为是准直辐射,SR-5000调整到无限远的状态,原理上存在一定的误差。4.2实验结果和讨论实验室内的近距离测量,假定了大气影响可以忽略,一定条件下会产生误差。图5中,测量值在9μm～10μm处和计算值几乎相同了。表2中的数据是多次平均值,有些测值已经超过了理论计算值,原因是该区间的二氧化碳吸收通过标准辐射比值引起的。通常,该区间并不是强吸收带,但当实验室通风不良、人员增多时引起了反常。4.3红外目标罪犯光新型采样SR-5000的测量曲线呈起伏状,原因是入射能量小时信噪比不够。实验中曾将红外目标模拟器的光阑增加到1.18mm,结果发现曲线平滑。校准系统的采样速度较SR-5000慢,为了不使测量时间过长,采样间距大些。平均效果和对比的测量原理增大了可测值的范围。4.4对外辐射测量系统校准的目的是更好地使用,为此,尽可能在校准中采用实际使用中的一些主要设置条件。除了温度、光谱范围和光阑大小等基本参数外,距离的远近往往容易被忽略。采用和校准时相同的距离,可以在实际工作中减少大气和模拟器本身的光学特性影响