基于二次修正提高宽动态红外辐射测量精度

随着高超音速武器的出现,实现系统对目标从低温到高温宽动态的辐射测量是未来的发展趋势,而现在对辐射测量宽动态范围的研究相对较少。文中针对宽动态辐射测量中的平行光管和衰减片带来的误差提出了二次修正方法,进一步提高了高温红外辐射测量的目标反演的精度。为验证文中提出方法的实际效果,对基于600 mm口径的中波红外辐射测量系统进行了实验。并利用文中的方法对2%、10%、20%的辐射测量结果进行了修正,实验分析结果显示,该修正方法分别将原有的测量精度提高3.31%、3.27%、1.60%,证实修正方法可以有效地提高辐射测量的精度,具有一定的工程实践意义。     

红外系统辐射特性探测功能设计

红外可以获得可见光难以获取的目标景物信息,红外辐射特性作为一种重要的光学表征方式,目前广泛应用于目标的跟踪和识别。某光电经纬仪具备中波红外跟踪功能,针对目标红外特性探测的需求,需要对其红外系统继续设计改造。本文结合设备实际情况,分析了红外辐射特性测量系统的组成及工作方式,从红外辐射温度漂移补偿、红外辐射标定方程获取、相机动态范围计算几个方面对该光电经纬仪进行改造设计,通过试验对改造后的指标进行测试验证,结果表明设计方案合理,能够达到预期目标。     

宽动态范围红外辐射测量系统快速定标算法

红外辐射测量系统的宽动态范围定标通常是在多个温度点下,设置多个积分时间并适当加入衰减片的方式实现的。其不仅效率低、耗时长、成本高且影响整个红外辐射测量系统实时性和机动性。对此,在考虑积分时间的定标模型基础上,提出宽动态范围快速定标方法。只需调节一次积分时间和一次温度即得到宽动态范围任意积分时间的定标方程。利用400 mm红外辐射测量系统对快速定标方法的定标精度、测量精度进行验证。实验结果表明:快速定标方法与直接定标结果之间最大误差为2.75%,该方法外场测量时最大辐射测量误差为11.69%,相比传统辐射测量最大误差不超过1.52%。说明快速定标方法能有效地保证系统辐射定标精度,提高辐射测量系统的定标效率,缩短定标时间,实现对系统宽动态范围任意积分时间的定标。整个辐射测量过程实时性好,操作简单、易实现且可靠性高,适应针对外场条件下红外辐射特性测量系统的要求,外场测量结果也说明快速定标可以直接应用于靶场目标的红外辐射测量任务中。     

考虑积分时间变量的红外系统辐射响应定标

辐射定标是红外系统辐射特性测量的基础。文中采用间接扩展源法对红外系统进行定标,分析了红外焦平面阵列探测元的响应模型以及响应特性与目标黑体辐射、积分时间的关系。提出了采用最小二乘法拟合得到红外焦平面像元响应灰度值对辐射量和积分时间的响应函数的定标算法。通过分析不同环境温度下的响应函数,进一步验证了其有效性。该方法可简化定标过程,节省定标时间。定标方程不仅可用于定量分析辐射定标的影响因素,而且有利于动态范围较大时的辐射测量。     

基于长波红外成像系统的红外辐射特性测量方法

地基红外成像系统是靶场领域实现目标跟踪、实况记录成像的重要成像设备之一。配有高性能红外辐射定标系统的地基长波红外成像系统,可对低温以及常温目标实现高精度辐射特性测量。通过建立制冷型红外辐射特性测量系统的辐射测量模型,在7.7~9.3 μm长波波段利用某光学口径为600 mm的长波红外辐射测量系统实现了对目标的高精度测量。实验结果表明,辐射测量的精度为16.81%,能满足靶场对高精度辐射测量的要求。     

飞行目标红外辐射特性工程化算法

地基红外辐射测量设备往往被用来测量高速飞行目标的动态红外辐射特性。本文研究了计算飞行目标红外辐射特性的工程化算法。首先阐述了外场红外标定的意义,指出了外场标定与室内标定的不同。给出了平行光管标定能量传递过程、外场标定试验过程、标定数据处理方法以及影响因素。然后分析了飞行面目标辐射亮度以及点目标辐射强度计算方法,提出了适用于外场数据处理的工程化算法。最后根据实际工作经验总结分析了进行外场动态飞行目标红外辐射特性计算时存在的难点。     

基于短波变F数系统的红外辐射定标规律研究

在靶场辐射测量中,红外辐射特性数据被广泛应用于目标红外特性识别和隐身特性评估,在安防与军事领域发挥着不可替代的作用。目标红外辐射特性数据获取需基于系统的辐射定标。对于中、长波测量系统来说,红外辐射定标主要针对定焦系统,而对变焦系统的辐射标定较少。建立了连续变焦系统的红外辐射定标模型,并对1000 mm口径的短波连续变焦系统进行了分析。数据分析结果显示,随着F数的增大,系统的辐射响应增益减小。分析了其对辐射测量的影响。可以看出,该研究具有一定的工程意义。     

基于加权最小二乘法的红外辐射定标

随着红外物理与红外技术的深入发展,目标的辐射特性测量受到了广泛的重视,红外探测器的辐射定标直接决定了辐射特性测量精度,为此文中建立了辐射定标系统,对3～5μm的红外焦平面阵列相机进行了绝对辐射定标实验。文中给出了辐射定标的数学模型,制定了定标的流程并进行了相应的辐射定标实验;针对红外标准源和环境波动性的影响,提出了加权最小二乘法的辐射定标优化方法;通过外场辐射特性测量实验表明,该方法的反演误差优于4%,提高了辐射定标的精度,结果满足实际工程的需要。     

空间目标红外辐射测量系统标定技术

为实现对空间目标红外辐射进行定量测量,需要解决红外辐射测量系统的标定问题。针对常规标定方法对大口径红外辐射测量系统标定存在的不足,在对其测量原理分析的基础上,提出了一种内置黑体标定与天文恒星标定相结合的新方法。采用内置黑体作为标准辐射源对匹配镜组和探测器进行标定,采用恒星标准辐射源对大口径主光学系统透过率进行标定,并推导出了红外辐射测量系统整体的响应关系。试验验证表明,该方法与传统的全孔径标定方法相比,曲线斜率误差在4%以内,具有操作简单易行、标定系统的研制难度低、标定效率高等优点。     

基于大气程辐射比例修正的红外辐射特性测量

大气程辐射是影响目标红外辐射特性测量精度的重要因素之一。本文利用大气程辐射修正因子修正大气程辐射值以提高其测量精度。首先,给出目标红外辐射特性测量模型,然后,提出利用大气程辐射修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将一定距离下实际测量的大气程辐射和MODTRAN计算的大气程辐射之比定义为大气程辐射修正因子,最后利用该修正因子对其他距离的MODTRAN计算的大气程辐射进行修正并进行目标的辐射反演,获得目标辐射特性。本文利用中波红外摄像机和小面源黑体开展目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,本文方法较传统方法可以在一定程度上提高目标辐射特性测量精度,将精度提高2%左右。     

测试数据在红外目标作用距离分析中的应用

从理论上建立了目标红外特性动态测试数据与目标作用距离计算的关联模型,并给出了基于测试数据预测作用距离的一般性方法。作为应用,依托外场地基大口径红外测量系统对某型目标的红外辐射特性进行了动态测试,获得了目标迎头和尾后两个方向上的红外辐射特性以及传输路径上的大气透过率数据,预测了不同口径红外系统的作用距离并对计算结果进行了分析。本文方法为基于目标真实测试数据的作用距离预测研究提供了思路。     

基于参考源的空间目标红外辐射特性测量

地基测量是获取空间目标红外辐射特性的主要手段。地基测量由于大气影响,测量结果含有严重误差。利用由大气光学参数测量设备和辐射传输软件构成的大气同步修正系统,可以减小大气影响引入的误差。然而,由于典型大气模式和测量参数精度限制,经大气修正后的测量误差仍高于20%。提出一种基于红外标准星的辐射测量方法,使用与目标具有相近观测仰角的红外标准星作为参考源,准确获取空间目标观测光路上的透过率,分析了水汽、臭氧和观测仰角对透过率精度的影响。进行了红外星测量实验,利用文中方法测量的目标辐射误差为4.65%,明显优于传统方法的14.57%。结果说明文中方法能作为一种获取空间目标红外辐射的有效途径。     

一种红外目标模拟器的大气传输校准方法研究

红外辐射在大气中传输会在大气分子、气溶胶粒子的吸收和散射以及大气自身辐射的影响下发生变化,导致红外辐射测量精度的降低。为消除大气在红外目标模拟器校准中的影响,在基于恒定标准源的宽动态红外辐射测量方法的基础上,提出了一种红外目标模拟器的大气传输校准方法。在水平均匀大气近距离的红外目标模拟器校准中,利用卷积神经网络的数据分析能力建立了不同波段、不同温度、不同距离下的大气透过率和大气程辐射的动态模型,将探测器输出电压作为基于编码器-解码器结构的卷积神经网络的输入,按照训练流程对网络进行训练,在实验环境下预测了大气传输对红外辐射的影响。所建模型能够反映大气透过率和大气程辐射的动态变化规律,并通过红外辐射反演对提出的方法进行了验证。实验结果表明：基于编码器-解码器结构的卷积神经网络算法能够较好地预测大气透过率和大气程辐射,在三个波段下的平均误差为3.078 3%、3.818 6%、5.345 2%,低于传统方法,降低了大气透过率和大气程辐射的影响,从而减小了红外辐射的测量误差,提高了校准精度。     

HDR热成像系统动态范围特性测试评价方法

为了适应具有太阳、干扰弹、火光等强辐射背景下的高性能热成像应用,可适应温差达1 000~5 000 ℃以上强辐射干扰场景的HDR热成像成为国内外发展的重要方向。虽然HDR热成像系统动态范围测试系统组成与传统测试系统没有明显的差异,但目前尚没有适宜的测试方法和仪器,其核心在于缺乏大动态范围动态红外辐射源靶标。研究了一种HDR热成像系统动态范围特性测试评价方法,设计了一种新型的HDR动态红外辐射源阵列靶标,可获得温差不低于1 000 ℃的HDR动态红外辐射,实现HDR热成像系统动态范围特性的客观测试。实验结果表明:HDR动态红外辐射源阵列靶标在温度范围、稳定性、精度、调制频率等方面满足测试评价的要求,可实现快速、可靠的HDR热成像系统动态范围特性测试,对于推进HDR热成像技术研究和系统测试评价具有指导意义。     

大气与环境影响分析的红外比色测温方法

传统的比色测温法通常利用可见光和近红外波段,对距离较近的高温目标具有较高的测量精度,而对距离较远的中低温目标无法精确测量。针对传统比色方法适用局限性,提出考虑大气和环境影响的红外比色测温方法,建立基于中波红外相机的比色测温实验系统。首先使用标准黑体进行中波红外相机和比色系统单波段定标;然后推导加入环境辐射参数的比色测量模型,进而建立新的目标辐射亮度比值与目标温度间的函数关系;最后,进行了实验室内自制灰体目标温度测量实验,验证了提出方法的可行性。实验表明:在实验温度范围内,温度绝对误差和相对误差分别小于4 ℃和6.7%,目标辐射亮度测量精度高于10%,考虑大气与环境影响的比色测温方法可实现中低温目标温度精确测量。     

无扫描宽范围多波长成像测温技术

多波长测温是一种先进的辐射测温技术,其原理是假定发射率光谱模型,利用测得的多波长辐射与波长发射率函数关系,求得目标的真温和发射率。多波长成像测温技术通过探测目标的多波长辐射图像信息,反演计算得到目标的温场分布。针对基于彩色CCD的多波长成像测温不能适应非线性光谱发射率模型、测温动态范围较窄等不足,提出了一种基于光阑处非等比例滤色分光的四波长无扫描成像测温方法,有效压缩了波段成像带宽,形成了四个窄波段的成像探测,适用于非线性光谱发射率模型目标宽动态范围温场测量。根据提出的测温方法研制了四波长成像测温仪。测温仪主要由窗口、中性衰减片、四色滤光片、光学物镜镜头、可见/近红外集成传感器、测量控制单元及软件等部分组成。测温仪软件由目标四个波长的单色成像图像,得到目标的真温温场分布。在激光加热条件下对800~2500 ℃目标高温温场进行了试验测试,测量结果与热电偶数据比对表明误差小于1%,具有较高的准确度和较好的动态范围适应性。