红外辐射特性测量技术及研究进展

1红外辐射特性测量技术

及研究进展中国科学院长春光学精密机械与物理研究所二O一五年四月报告人：孙志远2报告内容红外辐射特性测量概述国内外研究现状红外辐射特性测量设备研制能力及设备简介红外辐射特性测量技术研究进展总结什么是红外辐射特性测量？3影响辐射特性测量精度的因素：目标所处的环境辐射的直射影响（太阳、地表、海面等辐射）；目标所处的环境辐射的散射影响；大气传输衰减影响；大气路径辐射影响（程辐射）；环境温度变化对测量精度的影响。红外目标的分类？红外目标空间目标与深空背景空中目标与天空背景海面目标与海洋背景地面目标与地物背景高度约100km以上的战略导弹、卫星、空间飞行器、空间站和中继站

高度约20~30km以下的各种类型的飞机和战术导弹，以及它们可能施放的红外诱饵等

各种海面舰艇，如航空母舰、巡洋舰、驱逐舰和军用快艇等

坦克、装甲车、运输车辆、火炮、电站、机场、桥梁、导弹发射场和各类建筑物等通过红外辐射特性测量可以得到？为武器系统仿真提供目标和背景生成的物理特征及数学模型；为目标识别提供目标分类、识别和辨别所必需的图像和光谱特征库；为精确制导提供目标的光谱和图像特征，以提高制导精度和杀伤概率；为隐身材料和隐身结构设计提供量化的特征，为特征控制方法和隐身效果提供评估手段，为靶标和诱饵研制提供逼真的目标复现特征。获取红外辐射特性的意义？现阶段主要需求导引头打击效果测试；隐身效果测试；导弹突防性能研究；对红外辐射特性技术的质疑测量的温度与弹体传感器温度差距较大；大气透过率测量精度怎么检测？怎么检测红外辐射特性测量系统；为什么测不准？制约因素？大气透过率测量误差；没有针对性地设计红外辐射特性测量系统；被测目标在靶面上成像很小；被测量的误解；没有已知发射率的被测目标斜程检测实验条件限制检测的困难。国内外研究现状10国内外现状国外国内仿真计算现场试验仿真计算现场试验SIRRMNIRATAMIRSAM207所上海技物所长春光机所飞行器尾焰、飞行器蒙皮、海面舰船的红外辐射特性研究以及红外隐身特性研究

美国空军毛伊岛观测站的3.67m望远镜系统（AEOS）配置的2个长波焦平面探测器，可得到目标的温度分布图和测量精度优于10%的辐射强度分布图本所红外辐射特性测量设备研制能力长春光机所的红外辐射特性测量设备都是在红外经纬仪的基础上，配备辐射定标设备（黑体等）、大气传输修正系统和辐射特性测量软件，以实现目标的辐射特性测量，已装备的辐射特性测量系统参数如下：主系统口径：最大口径Φ1000mm；传感器：短波、中波和长波；定标温度范围：最宽可实现0℃~1200℃；辐射定标精度：优于10%；辐射特性测量精度：优于30%。红外辐射特性测量技术研究进展实现了辐射定标过程的自动化；通过远程操控实现了黑体温度的自动控制，并根据预设的相关参数实现自动定标，极大地提高了辐射定标效率。辐射定标过程自动化13红外辐射特性测量技术研究进展实现了辐射定标过程的自动化；实现了红外小目标辐射特性的精确测量；红外小目标成像特性对于该红外成像系统，圆孔理想成像直径达到12个像元以上时成像像元的灰度峰值接近，即可以认为是扩展源。而圆形目标理想成像直径小于8个像元时，灰度峰值急剧下降，这时作为扩展源处理就会产生很大的误差，定义为点目标。

15考虑到虽然目标成像弥散到多个像元，但是到达红外探测器焦平面阵列的目标总能量不变，基于以上原理提出了能量法来计算点目标的等效灰度值。能量法能量法原理16

将带有不同口径圆孔的目标靶安装在黑体前以模拟小目标辐射源。目标成像过程如图所示，辐射源温度设为70℃，目标靶上孔的直径为2、4、6、8、10、12、14、16和18mm，在距离相机6m处成像。6m处小目标灰度图像直径为10mm的目标图像灰度分布实验过程能量法17基于能量法的点目标测量算法室内测量误差均方根为1.45%，最大误差为3.03%。温度/℃辐射亮度理论值/(W·m-2·sr-1)目标尺寸/mm理想成像像元数辐射亮度测量值/(W·m-2·sr-1)辐射亮度测量误差/%705.027321.124.8751-3.0342.244.9956-0.6363.365.05820.6284.484.9640-1.26105.605.07610.97126.725.06470.74147.485.13102.06168.965.0068-0.411810.085.09061.26测量结果能量法18

红外目标成像过程中大气及光学系统传函等因素会导致图像边缘模糊，即图像退化。最终得到的模糊数字图像是通过对入射到探测器上的目标能量进行采样和数字化获得的，图像退化模型如图所示。基于点扩散函数的方法原理19基于点扩散函数的方法基于点扩散函数的测量原理20

采用CI公司的METS平行光管,工作波段范围0.4~15μm，口径12″，焦距120″。辐射源温度设为70℃，目标靶上孔的直径为0.9、1.8、2、3.6、4、6、8和10mm。实验过程基于点扩散函数的方法21实验结果基于点扩散函数的方法直径4mm圆孔目标成像真实图像直径4mm圆孔目标成像模拟图像

模拟图像与真实图像的灰度差

22温度/℃辐射亮度理论值/(W·m-2·sr-1)目标尺寸/mm理想成像像元数辐射亮度测量值/(W·m-2·sr-1)辐射亮度测量误差/%705.02730.90.986.417427.651.81.975.971718.7922.195.637612.143.63.945.14532.3544.375.05180.4966.564.9907-0.7388.755.04280.311010.945.0208-0.13实验结果基于点扩散函数的方法23

基于点扩散函数的点目标测量算法室内测量误差均方根为1.13%，最大误差为2.35%（成像像元大于4个）。红外辐射特性测量技术研究进展实现了辐射定标过程的自动化；实现了红外小目标辐射特性的精确测量；环境温度变化对辐射特性测量的影响规律；将短波（中波）红外相机和黑体都放入高低温试验箱内，黑体充满光学系统的视场，黑体温度设定为70℃保持恒定，对高低温试验箱在0~50℃范围内升、降温，间隔5℃，待温度稳定后再次进行升、降温，监测探测器上某一像元的灰度值变化情况（温漂）。25环境温度变化对辐射特性测量的影响26短波红外相机温漂2.环境温度保持不变时，温漂量不变；

1.环境温度越低，环境温度变化引起红外系统的温漂变化越慢，相反，环境温度越高，环境温度变化引起红外系统的温漂变化越快；3.如果环境温度经过一系列变化后返回原温度值，温漂值也近似返回原数值。27中波红外相机温漂当红外系统在较高的环境温度条件下有较大的温度变化时，红外探测器的温漂较大。此时，如果不重新进行辐射定标，辐射特性测量误差较大。所以，为了保证辐射特性测量精度，最好的方法是对红外系统进行温控，对于一些没有窗口的口径较大的系统，也需要采取一定的措施抑制温漂的影响。28温漂总结红外辐射特性测量技术研究进展实现了辐射定标过程的自动化；实现了红外小目标辐射特性的精确测量；总结了环境温度对辐射特性测量的影响规律；在不同的地域积累了大量的工程经验。不同地域内陆地区实验室长春地区沙漠气候海洋气候总结经过多年的红外辐射特性的理论研究，本