一种面目标红外辐射特性测量方法*

韩 璐 李桂芝

（92941部队44分队 葫芦岛 125000）

1 引言

红外辐射特性测量随着红外技术的发展，在武器红外性能评估、目标识别探测、目标温度分布获取和隐身效果评估等诸多领域应用越来越广泛。按搭载平台样式可分为地基、海基、空基和天基，其中地基红外辐射特性测量系统在国内使用较多，与传统获取外弹道信息相比，是光学测量的一个重要分支。

通常按目标与探测器像面像元数量的关系，目标可分为点目标和面（扩展源）目标。理想中的点源是指目标在探测器像面上所成像的面积小于或等于一个像元，但实际中，通常将几何成像面积小于8×8 像元数的作为点目标，将几何成像面积大于或等于8×8 像元数的作为面目标。由于面目标会包含目标更多的信息，例如测量得到的红外辐射亮度，可描述目标在不同位置沿着空间不同方向的辐射分布特性，因此，研究面目标红外辐射测量方法具有重大应用前景。

2 定标原理

为获得红外辐射特性测量系统灰度输出量与光学系统入瞳辐射亮度的关系，需要对系统进行定标。定标作为定量测量目标红外辐射特性测量的基础，定标精度是系统的重要指标，对系统测量精度有直接影响。通常在使用黑体作为入瞳辐射亮度辐射源的情况下，要求系统定标不确定度需控制在15%以内。当前比较典型的系统定标方法，主要有扩展源黑体定标法和平行光管定标法两种，前者使用广泛［1～2］。

2.1 扩展源黑体定标法

扩展源黑体定标法的原理是将高精度扩展（面）源黑体的有效辐射面积完全覆盖测量系统的入瞳位置，原理如图1 所示。该方法可以有效消除大气等环境因素对透过率的影响，定标精度高；同时也可以对红外焦平面阵列所有像元同时进行定标，因而定标效率高。

图1 扩展源黑体定标法原理图

单个像元对应的立体角Ω 可表示为

其中，Ad为单个像元的面积，δ为主光线与主光轴的夹角，f为光学系统的焦距。

因此该像素接收的辐射通量Φ 可表示为

其中，τopt为光学系统的透过率，Tb为黑体的工作温度，L(Tb)为黑体温度为Tb对应的红外辐射亮度，D为光学系统的有效通光口径。当黑体看做为标准朗伯体时，L(Tb)可表示为

其中，ε为黑体的发射率，W(λ，Tb)为黑体在波长λ处对应的辐射出射度，λ1～λ2为波段范围。

2.2 平行光管定标法

平行光管定标法的原理是将中、高温腔型黑体放置于红外平行光管的像面处，通过平行光管对腔型黑体的细光束进行均匀扩束，同时将平行的入瞳位置完全覆盖测量系统，完成定标［3］，原理如图2所示。该方法的优点是可以实现高温定标，一定程度上弥补扩展源黑体定标法不能实现高温定标的缺陷，但该方法同样也有缺点，大口径平行光管体积庞大，机动性差，室内定标使用较多，外场定标使用不便［4］。

图2 平行光管定标法原理图

2.3 变积分时间定标原理

高精度红外特性测量系统，红外焦平面阵列通常使用制冷方式，以实现响应灰度与照射辐射亮度具有良好的线性度，表示为［5］

其中，Gi，j为焦平面阵列像元(i，j)的输出灰度值，Ri，j为该像元对输入辐射亮度L(Tb)的响应增益，Bi，j为无辐射输入时的初始响应偏置，在探测器线性响应范围内，若考虑积分时间，则Bi，j可表示为

其中，为与积分时间有关的外部杂散辐射所引起的偏置，为与积分时间无关的探测器内部暗电流等引起的偏置。

因此考虑积分时间，定标可表示为［6］

其中，Ri，j为单位积分时间内像元(i，j)对输入辐射亮度L(Tb)的响应增益。

3 辐射特性测量原理

3.1 测量原理

如图3 所示，红外辐射特性测量系统接收到的能量主要包括三个部分［7～10］：经过大气吸收和散射产生衰减的目标辐射量、经过大气吸收和散射产生衰减的目标反射周围环境的辐射量、目标和测量系统路径之间的大气自身的辐射量。

图3 红外辐射特性测量系统示意图

因此，焦平面阵列像元(i，j)的输出灰度可表示为

其中，τatm为大气透过率，ε为目标的发射率，L(T0)为目标温度T0对应的辐射亮度，L(Te)为环境温度Te对应的辐射量，Lpath为目标和测量系统之间的大气路径辐射量。

因此目标辐射亮度L(T0)可表示为

其中，Ri，j和Bi，j可通过定标获得，τatm和Lpath可通过大气传输计算软件获得，Te可通过大气测量设备获得，在ε确定的情况下，可实现目标辐射亮度、辐射强度、辐射功率、表面温度的反演。外场测量中，通常要求系统辐射特性测量不确定度需控制在30%以内。

3.2 面目标测量原理

假设目标在像方的投影面积为At，目标理想成像面积为Ai，由几何成像关系可得［11～12］：

其中，f为系统焦距，R为目标距离，K为系统放大率。面目标辐射特性测量原理如图4所示。

图4 面目标辐射特性测量原理图

选取目标区域A，区域内含有整个目标（包括全部弥散斑）以及少量的背景，共有M 个像元。选取区域B，共有N 个像元，且区域A 完全在区域B内，因此B 和A 之间背景区域只含有背景，像元数为N-M，当Ad为单个像元尺寸时，B 和A 之间的面积为(N-M)·Ad，因此背景灰度均值Gb为

其中Gi为背景区域像元灰度值，i=1，2，...，N-M。

区域A总灰度值为

区域A中的背景辐射灰度值为

区域A中的目标辐射灰度值为

由GA=GA，目标+GA，背景可得：

因此L(T0)为

4 实验验证

为验证本文提出的面目标特性测量方法的有效性，利用某中波红外辐射特性测量系统进行实验。光学系统D 为600mm，f 为1200mm，探测器工作波段为3.7μm～4.8μm，像元尺寸为15μm×15μm，像元数为640×512。测量目标为面源黑体，黑体水平放置于距离光学系统830m 处。实验气象条件：能见度30km、湿度20%、气温7.4℃、气压89.9KPa。利用大气传输计算软件可得，τatm和Lpath分别为0.7354和0.2115 W·m-2·sr-1。黑体工作温度从50℃升温至110℃，间隔10℃，探测器积分时间选2ms和3ms。通过黑体辐射亮度测量结果与理论值相比，得出测量误差曲线，如图5所示。

图5 测量误差曲线

实验表明，当积分时间为2ms 和3ms 时，最大测量误差分别为11.38%和8.08%，且均方根误差分别为6.64%和4.66%，测量精度较高。

5 结语

本文提出了一种面目标辐射特性的测量方法，为验证该方法的有效性，通过测量830m 处黑体辐射亮度进行实验。对比测量值与理论值可得，系统辐射特性测量误差在积分时间为2ms 和3ms 时，最大误差分别为11.38%和8.08%，均方根误差分别为6.64%和4.66%，测量精度较高，本文提出的面目标辐射特性测量方法具有简单、实用、有效等优点。