中温面源黑体设计及性能参数测试

中温面源黑体是一种宽带红外参考源,其波长范围覆盖了从近红外到远红外的波段,辐射面的温度具有很高的精度。作为高辐射强度的参考源,中温面源黑体已被广泛应用于红外传感器如辐射温度计、红外热像仪的校准以及样品辐射率或透过率的测量。用基于大辐射面和坚实结构的面源黑体在实验室内或野外测试中对无准直仪时的红外传感器进行了标定。为了提供红外系统性能测试的解决方案,本文对中温面源黑体进行了设计和性能参数测试。结果表明,其主要参数能满足高稳定度和高精度的要求。     

基于两相流体的超大面源黑体控温技术

面源黑体作为红外源标在红外测温、红外成像、红外相机标定等领域广泛应用,红外源标红外辐射性能主要取决于面源黑体温度场的控制。为了适应星载和机载红外探测器大孔径、大视场角的发展需求,文中对超大尺寸面源黑体温度控制技术进行了研究。外场条件下,面源黑体会随着尺寸的增大而增加温度控制的难度,控温系统采用两相流体回路技术实现了外场3 m×3 m面源黑体不同目标温度下高温度均匀性、稳定性温度控制,试验结果表明,黑体表面温度均匀性控制优于±0.60 ℃,稳定性控制优于0.14 ℃/15 min。     

真空低温高灵敏度中红外辐射计EI北大核心CSCD

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性,设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型,详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比,得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案,研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构,满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度,创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源,采用四级TE制冷中红外探测单元,配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器,获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明:在温度77 K、真空度1×10-5Pa真空低温环境下,测试213 K目标黑体辐射源,1 h内的信号不稳定度为0.24%;噪声等效温差(NETD)值为0.034 K;测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

真空低温高灵敏度中红外辐射计

为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性，设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型，详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比，得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案，研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构，满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度，创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源，采用四级TE制冷中红外探测单元，配合高性能探测单元及80倍动态范围的同步积分锁相放大器，获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明：在温度77 K、真空度1×10^-5 Pa真空低温环境下，测试213 K目标黑体辐射源，1 h内的信号不稳定度为0.24%；噪声等效温差(NETD)值为0.034 K；测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。     

真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置研制

为满足红外遥感载荷在辐射定标方面的量值溯源需求,中国计量科学研究院研制了真空低背景红外高光谱亮温计量标准研究装置。介绍了红外高光谱亮温计量标准装置的设计方案和高光谱分辨的量值传递方法和溯源链等。设计了用于放置用户被校黑体的模拟太空环境的真空低背景实验舱,建立了包含固定点黑体源和标准变温黑体源在内的标准器,通过傅里叶变换红外光谱仪将标准黑体源的量值传递给被校黑体辐射源。研制的标准变温黑体辐射源的温度范围覆盖125~500 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 7,亮度温度标准不确定度优于0.026 K@300 K/10 m。真空固定点黑体包含汞固定点、镓固定点和铟固定点黑体,口径为25 mm,温度不确定度优于0.020 K@10 m。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,能够满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

低温红外目标源控温技术

低温红外目标源是测试和标定低温红外传感器的响应线性度和非均匀性的关键测试设备.对所研制的低温红外目标源设备的工作原理进行了论述,同时基于有限元分析方法,以ANSYS 软件为载体对黑体面源控温方式及温度场分布进行模拟分析,并进行了测温实验.结果表明:所研制的低温红外目标源结构设计合理,仿真温度场与实测温度场分布规律一致,控温精度不大于0.5 K,黑体面源温度分布均匀,表面温差不大于0.2 K,稳定性好(0.1 K/min),可以满足低温红外系统的测试和检定要求.     

基于模糊PID算法的红外面源黑体设计

针对红外热像系统检测需求,采用紫铜辐射面、热电制冷器、散热片等设计了红外面源黑体的结构,采用铂热电阻和24位AD采样,实现了环境温度及辐射面温度的高精度采集。为克服黑体时间常数大、响应滞后、环境温度持续扰动等问题,设计了模糊PID控制器,根据偏差及其变化率实时整定控制参数,实现超调量小、响应速度快、稳态精度高等目标。实验及测试情况表明,温控精度为±0.03℃,响应时间小于180 s,达到了设计要求。     

浅谈红外测试标准的传递

简述了目前红外测试标准传递的体系,红外标准从国家级红外辐射计、凝固点黑体、传输标准点温仪或者可变温度黑体或者标准探测器到用户黑体依次进行传递.目前对红外参数标准的传递和测试设备的校准,集中在黑体的校准、探测器响应曲线的校准、光学系统反射率、平行光管的透过率的校准上.通过对这些关键部件性能参数的校准,可以保证红外测试的精度.分析了影响NETD测试不确定度的几个因素,高精度的黑体是测试高灵敏度红外探测器和红外热像仪的必备条件之一.华中光电技术研究所建立了用户红外标准传递体系,其红外标准可以回溯到美国国家标准与技术监督局.其红外测试精度与国外公司的测试结果的偏差在10%以内.给出了我国建立红外测试标准的建议.     

大口径红外光电系统辐射定标及误差分析

为了实现对大口径红外光电系统的辐射定标,建立了基于大面源黑体的辐射定标系统以及基于红外单色照明光管的光谱定标系统.利用腔型黑体、连续可变滤光片CVF和平行光管组成红外单色照明光管,对红外系统进行光谱定标,确定系统归一化相对光谱响应函数.利用大面源黑体覆盖红外系统入瞳和视场,对红外系统进行辐射定标,确定系统绝对辐射亮度响...     

基于图像灰度的大范围辐射温度反演

为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。     

宽动态范围红外积分球辐射源的优化设计与性能测试(特邀)

为满足红外遥感器高精度等效噪声光谱辐亮度的定标要求,在原有的设计基础上改进了红外积分球辐射源研制制造工艺,满足真空低温使用要求。该积分球辐射源采用8组碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,实现工作波段覆盖3~15 μm,可调辐射动态范围提升1倍。设计了辐射定标与测量光路,通过比对测量标准腔式黑体辐射源,实现红外积分球辐射源真空低温条件下的辐射定标。定标结果表明:红外积分球辐射源出光口法线Ф200 mm范围内的面均匀性为99.75%,±10°范围内的角度均匀性为99.81%,非稳定性为0.05%。实现了红外积分球辐射源光谱辐亮度输出等色温近线性可调功能,5 μm和10 μm辐亮度可调范围分别达到12.8 μW/(cm2·sr·nm)和1.6 μW/(cm2·sr·nm)。     

焦距固定红外探测系统定标实验

辐射定标数据在目标辐射特性数据测量和仿真试验应用中均有重要作用。首先对焦距固定红外探测系统外场定标方法进行了初步分析。采用近距离直接扩展源法、远距离扩展面源法和平行光管定标法对焦距固定红外探测系统进行了定标实验研究。实验发现:近距离直接扩展源法对旋转的红外探测系统不适用;远距离扩展面源法对路径辐射、路径透过率和环境辐射修正较为困难;平行光管定标法操作较为麻烦,但考虑目标特性数据的有效性和实用性,需考虑平行光管定标。文中对焦距固定红外探测系统辐射外场定标技术改造研究、红外目标特性测量系统研制具有较大的参考意义。     

点目标成像红外遥感器探测信噪比测试研究

针对遥感器真空低温测试需求，设计并搭建了一套能够在低温真空环境中稳定工作的红外目标背景模拟器，模拟器主要由冷光阑、真空低温面源黑体、三维电移台三部分组成，冷光阑模拟探测背景，冷光阑上分布微孔用于模拟探测点目标。通过有效控制目标模拟器与背景模拟器间的隔热、控温以及背景模拟器与待测遥感器之间的隔热，实现稳定测试。另外，将仿真优化与实践经验相结合，通过仿真计算去除模拟器冷光阑板厚度、目标相位、平行光管等的影响，有效降低系统测量不确定度。文中的仿真分析方法和验证情况对于红外遥感器点目标探测信噪比检测试验具有参考意义。     

红外热像仪高精度测温标定技术

红外热像仪能够监测目标温度从而起到事故预警与位置确认、大规模人体表面温度筛查等作用。由于环境温度变化与红外辐射吸收产生的温度漂移现象,目前大部分测温红外热像仪需要采用黑体进行实时校正,但是基于黑体的红外热像仪架设场景固定,便携性差。针对以上问题提出了一种无黑体式红外热像仪测温标定和温度补偿技术,通过对红外测温原理进行推导,采用多黑体标定获得目标温度与辐射量的先验关系,针对探测器内部结构引起温度漂移,由牛顿冷却定律进行非线性建模实现实时温度补偿。通过实验验证,所提出的测温标定技术可将测温平均相对误差长时稳定保持在0.9%以内,相比于标定前平均相对误差有效降低64%,从而实现小型化红外热像仪便携、实时、稳定高精度测温。     

一种大型黑体辐射源测控系统的设计

为了满足近年来国内飞速发展的红外测控的定标需求,设计出了一种能满足更宽大视场角以及更高分辨率红外探测系统的测控定标用黑体辐射源的测控系统。采用7075冷处理锻压合金制成该大型黑体辐射源的面本体黑体辐射面,其有效辐射面积达到1200 mm×1200 mm。对于该尺寸的大型黑体辐射源,国内并没有现成的测控控制方法与手段来验证其技术指标是否达到设计要求。根据大型黑体的主要技术指标要求,给出了黑体测控及控制方法,并通过实际测控取得的数据验证了黑体测控系统的准确性。     

光谱仪在发动机红外隐身测评中的应用研究

航空发动机红外辐射特征台架测试试验数据可用以评估发动机的红外辐射特性指标达标情况,进而优化改善隐身措施。光谱辐射计既可获取发动机的光谱分布,也可获取所需波段区间的积分辐射强度数据,本文研究了SR5000N光谱辐射计在发动机红外辐射特征台架测试试验中的应用,分析测试中的误差源产生机理,提出光谱测试误差控制措施;针对非充满视场条件下的发动红外辐射特征测试,提出黑体视场占比相当的光谱标定方法,标定结果同热图像测试结果一致,表明该方法的正确性,分析了不同标定条件下标定结果的差异性,得到了标定条件对标定结果影响较小的结论,减小了标定限制,拓宽了光谱测试的工程应用范围。