基于制冷型红外成像系统的辐射定标装置及定标方法

1.本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种制冷型红外成像系统辐射定标方法。


背景技术：

2.红外成像和辐射特性测量技术广泛用于先进军事领域，例如弹道导弹防御系统、红外成像控制导弹系统以及军用遥感卫星等，实现飞行目标的跟踪、探测和红外辐射特性测量。
3.制冷型红外焦平面阵列探测器以其高灵敏度、高稳定性等特点，成为中波、长波红外辐射特性测量领域主流的图像传感器。针对该传感器设计的光学系统称为制冷型红外成像系统或红外辐射特性测量系统。
4.制冷型红外成像系统的主要特征是采用制冷型红外焦平面阵列传感器，工作波段主要有中波(3～5μm)和长波(8～12μm)，光学系统特点是光阑与传感器冷屏窗口(冷阑)重合，也称为100％冷阑匹配。那么制冷型红外光学系统的光阑在最后一片镜片与像面之间，因此其入瞳在光学系统内部或图像传感器后方。
5.为准确测量目标的红外辐射特性，需要在测量前对红外光学系统和图像传感器自身的响应特性进行精确的辐射定标。当前主要的中波、长波红外辐射定标方法包括近距离扩展源法、平行光管法和远距离成像法。其中远距离成像法的标定精度受大气衰减和大气辐射的影响显著，因此应用场景受限严重、精度相对较差，不是主流的辐射定标方法。近距离扩展源法和平行光管法是两种较经典的方法，前者将大口径面源黑体直接置于光学镜头前实现探测器靶标均匀辐照，平行光管法是将小型面源黑体辐射扩束后引入制冷型红外光学系统。限制上述辐射定标方法精度的主要因素包括视场外光源、环境温度、光学透过率和光学系统各组件温度，具体表现为到达图像传感器的外部杂散光(也称为外部杂散辐射)和内部杂散辐射。因此，研究一种较少引入外部杂散光、像面辐照均匀的辐射定标方法是提高辐射定标和测量精度的关键。由于制冷型红外成像系统的高灵敏度和光学系统定制化特点，研究新型的通用辐射定标方法既能拓展现有的辐射定标理论，又具有一定的实用价值。
6.与本发明相关的现有技术
7.现有的辐射定标技术主要包括近距离扩展源法和平行光管法。
8.(1)近距离扩展源法是一种较为传统的辐射定标方法，通常将面源黑体置于光学系统入瞳附近，要求辐射面尺寸大于光学系统入瞳尺寸(即充满入瞳)，则传感器不同位置接收相应角度的辐射能，在像面处形成较为均匀的辐照。对于非制冷型红外成像系统而言，光阑和入瞳均可设置在第一片透镜处附近，能够直接采用近距离扩展源法进行辐射定标。然而制冷型红外系统的光阑在传感器冷屏窗口处，导致入瞳往往位于传感器后方，显然无法将黑体置于入瞳附近。当前研究者通常采用孔径大于入瞳的面源黑体置于红外镜头前，保证黑体辐射充满入瞳和光阑，以实现制冷型红外成像系统的辐射定标。这就导致黑体表面辐射的空间和角度非均匀性对辐照均匀性的影响增大，且引入较多的不同角度的杂散辐
射，限制了辐射定标精度的提升。
9.采用近距离扩展源法对制冷型红外成像系统进行辐射定标时，黑体尺寸要大到覆盖整个光学系统入瞳，由于黑体在入瞳处的半球空间内均有辐射能，而不仅限于图像传感器对应的视场角，这就导致大量的视场外杂散辐射(即外部杂散辐射)存在于光学系统中，这部分杂散辐射到达探测器就会影响辐射定标精度。
10.(2)针对一些通光孔径较大的红外辐射特性测量系统，为了避免使用大面源黑体，通常采用平行光管法。该方法将小面源黑体置于平行光管焦面处，黑体辐射光线经平行光管准直后到达光管出瞳，将光管出瞳调整到制冷型红外系统入瞳附近，即可实现与近距离扩展源法类似的定标功能。然而直接用于制冷型红外系统时，无法将平行光管入瞳调整到红外系统入瞳处，即不满足光瞳匹配条件。同样会导致像面的非均匀性，降低了辐射定标精度。
11.采用传统的平行光管法对制冷型红外成像系统进行辐射定标时，平行光管的出瞳在光管出口，而制冷型红外系统入瞳在镜头和制冷型红外探测器后方，不满足光瞳匹配条件，那么辐照条件是非理想的，对高精度辐射定标产生不利影响。
12.综上，传统方法并不能完全满足制冷型红外系统高精度辐射定标需求。为提高制冷型红外系统辐射定标精度，需要进行针对性的照明光管和定标方法设计，以减小光瞳不匹配、杂散辐射等因素对辐射定标精度的影响。


技术实现要素：

13.本发明的目的是针对现有辐射定标技术存在光瞳不匹配现象且受杂散辐射影响，限制了辐射定标精度的提升的技术问题，本发明提供一种定制化设计的照明光管，照明光管与黑体辐射源组成辐射定标源。制冷型红外光学系统设计时将孔径光阑放置在探测器之前，作为最后一个元件，并且将光阑放置到低温冷却的杜瓦组件中以抑制光学系统内部杂散辐射，从而保证系统的高灵敏度、提高对复杂场景中目标的识别能力。此时，孔径光阑在焦平面附近，光学系统的非对称性明显，会增加所需的光学元件数量，使得系统的杂散光风险增加。
14.为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
15.一种基于制冷型红外成像系统的辐射定标装置，包括辐射定标源1和制冷型红外成像系统7共同组成的光学系统，其中，所述的辐射定标源包括照明光管2和黑体辐射源3，黑体辐射源3位于照明光管2的焦面上；
16.制冷型红外成像系统7包括制冷型红外探测器4、冷光阑5和红外光学系统6，将整个系统的孔径光阑设置为冷光阑5，冷光阑5为红外光学系统6的出瞳，冷光阑5在红外光学系统6的像为红外光学系统6的入瞳8；
17.其中，所述的照明光管2的出瞳与红外光学系统6的入瞳8重合；
18.黑体辐射源3和制冷型红外探测器4处于物像共轭位置，冷阑5为整个系统的孔径光阑。
19.优选的，所述的制冷型红外探测器4采用flir制冷型中波红外探测器，包括焦平面阵列探测器401、探测器保护窗口402、杜瓦瓶403、冷屏404、冷屏窗口405。
20.优选的，所述的焦平面阵列探测器401的参数为，响应波段3.7～4.8μm，焦平面阵
列探测器401像元大小为15μm
×
15μm，像元数量为640
×
512，输出图像为14位，光圈数值为2，冷屏404直径10mm，冷屏404到焦平面阵列探测器401距离为20mm。
21.优选的，所述的制冷型红外光学系统6焦距100mm，光圈为2，包括四片镜片：第五透镜601、第七透镜603、第八透镜604均为球面镜，材料均为硅；第六透镜602材料为锗，前表面为球面，后表面为非球面。
22.优选的，所述的制冷型红外成像系统7的光阑与冷屏404重合，实现100％冷阑匹配；制冷型红外成像系统7的入瞳8在第五透镜601前表面顶点右方，也处于焦平面阵列探测器401右方。
23.优选的，所述的照明光管2包括第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204。
24.本发明还提供了基于制冷型红外成像系统的辐射定标装置的辐射定标方法，包括以下步骤：
25.步骤s1，将黑体辐射源与照明光管集成为一个组件，调整照明光管与制冷型红外成像系统的相对位置，满足光瞳匹配条件，即照明光管的出瞳与制冷型红外成像系统内的红外光学系统的入瞳重合；
26.步骤s2，将包含制冷型红外焦平面阵列探测器的红外相机设置到合适的曝光时间；
27.步骤s3，设置黑体辐射源为多个不同的温度t1,t2...tn，分别采集多帧红外定标图像；
28.步骤s4，对步骤s3采集的红外定标图像取平均，对每个像素点定标，将像素输出灰度表示为黑体辐射亮度的线性函数；
29.所述的步骤s4具体为，
30.温度t下像素(x,y)的灰度均值为dn
x,y
(t)；
31.对不同温度下像素(x,y)输出灰度进行线性拟合后得到辐射定标方程
32.dn
x,y
(ti)＝g
x,y
×
l(t)+b
x,y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
33.其中l(t)为理想黑体辐射源在温度t下的辐射亮度，由普朗克公式计算，g
x,y
为像素(x,y)的响应度，b
x,y
为偏置，辐射定标的目的是获得响应度和偏置。
34.步骤s5，测量照明光管2透过率，并计算等效热辐射亮度；
35.所述的步骤s5具体为，
36.照明光管的透过率和热辐射对辐射定标方程(式1)均产生影响，设照明光管透过率为τ
ill
，将其视为制冷型红外成像系统镜头前的黑体辐射源，其等效热辐射亮度为
37.l
ill
(t
atm
)＝(1-τ
ill
)
×
l(t
atm
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
38.其中t
atm
为定标系统附近环境温度，在稳定条件下照明光学系统各组件温度与环境温度近似相等。
39.步骤s6，对照明光管的影响进行补偿后获得最终的辐射标定方程。补偿方法：采用照明光管定标方法获得了辐射定标方程(式1)，其中响应度g
x,y
中包含照明光管2的透过率，因此实际的响应度为
40.g＝g
x,y
/τ
ill
41.偏置b
x,y
中包含光管热辐射影响(表示为dn
ill
＝g
x,y
l
ill
(t
atm
)＝(1-τ
ill
)
×gx,y
l
(t
atm
))，因此实际的偏置为
42.b＝b
x,y-(1-τ
ill
)
×gx,y
l(t
atm
)
43.那么，补偿后的辐射定标方程为
[0044][0045]
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
[0046]
本发明采用光瞳匹配原则，减小了辐射定标过程中视场外杂散辐射的影响、提高了红外焦平面阵列探测器的辐照均匀性；提供基于照明光管的辐射定标方法，能够有效提升辐射定标精度。
附图说明：
[0047]
图1为本发明的照明光管及辐射标定原理图；
[0048]
图2为本发明的基于照明光管的制冷型红外成像系统辐射定标示意图；
[0049]
图3为本发明的辐射定标流程图。
具体实施方式：
[0050]
为了更加清晰地解释本发明提供的一种基于照明光管的制冷型红外成像系统辐射定标方法，现结合具体实施例及附图对其进行详细说明。该实施例应用场景为中波红外成像系统的辐射定标。
[0051]
如图1所示，基于照明光管的制冷型红外成像系统，包括辐射定标源1和制冷型红外成像系统7共同组成的光学系统，辐射定标源1包括照明光管2和黑体辐射源3，黑体辐射源3位于照明光管2的焦面上。
[0052]
制冷型红外成像系统7包括制冷型红外探测器4、冷光阑5和红外光学系统6，为实现冷阑匹配，将整个系统的孔径光阑设置为冷光阑5，那么冷光阑5为红外光学系统6的出瞳，冷光阑5在红外光学系统6的像为红外光学系统6入瞳8。
[0053]
由此可见，典型的制冷型红外光学系统的入瞳在探测器后方，传统的平行光管辐射定标法照明系统或辐射源的出瞳在平行光管出口，也就是在图1中红外光学系统6的左侧，不满足光瞳匹配条件。
[0054]
本发明的所述照明光管2的重要特性之一是其与红外光学系统6满足光瞳匹配条件，即照明光管2的出瞳是红外光学系统6的入瞳。此时照明光管2的反向光路相当于显微成像系统常用的镜筒透镜，其入瞳在红外光学系统6外侧，也呈现出显著的非对称性，增加了红外光学系统6的复杂度。满足光瞳匹配条件后，黑体辐射源3以临界照明方式辐照制冷型红外探测器4，利于实现均匀照明，满足辐射定标所需条件。图1中辐射定标源1和制冷型红外成像系统7共同组成一个光学系统，黑体辐射源3和探测器4处于物像共轭位置，冷阑5为整个系统的孔径光阑。
[0055]
制冷型红外探测器4采用flir制冷型中波红外探测器，与红外光学系统相关部分主要包括焦平面阵列探测器401、探测器保护窗口402(材料为锗)、杜瓦瓶403、冷屏404、冷屏窗口405(材料为锗)。(图2中示出)焦平面阵列探测器401主要参数：响应波段3.7～4.8μ
m，焦平面阵列探测器401像元大小为15μm
×
15μm，像元数量为640
×
512，输出图像为14位，f/#(光圈数值)为2，冷屏404直径10mm，冷屏404到焦平面阵列探测器401距离为20mm。
[0056]
其中，制冷型红外光学系统6针对该探测器设计，如图2所示，焦距100mm，f/#为2，包括四片镜片：第五透镜601、第七透镜603、第八透镜604均为球面镜，材料均为硅；第六透镜602材料为锗，前表面为球面，后表面为非球面。
[0057]
成像系统像质近衍射极限，光阑与冷屏404重合，实现100％冷阑匹配。该成像系统入瞳8在第五透镜601前表面顶点右方360mm处，也处于焦平面阵列探测器401右方(或后方)。
[0058]
针对该制冷型红外成像系统，设计了专用的照明光管2，焦距100mm，用于辐射定标。照明光管2的出瞳与成像系统7的入瞳8重合，光阑5与冷屏404重合，实现光瞳匹配。
[0059]
所述的照明光管2包括第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204，
[0060]
图2中照明光管2的出瞳与第四透镜204右表面顶点的距离为450mm，作为照明光管2的输入条件，因而定标时照明光管2与红外成像系统7的距离为90mm。本实施例中照明光管2的主要光学参数见表1，按图2所示从右至左列出各面数据，右表面为前表面，左表面为后表面。
[0061]
表1照明光管光学设计结果
[0062][0063][0064]
其中第三透镜203的后表面为非球面，非球面系数0.95，4阶项-1.51e-8，6阶项-2.27e-12。
[0065]
图2中黑体辐射源3为辐射源，通过矩形视场光阑限制入射到照明光管中的辐射能，面源黑体3与焦平面阵列探测器401是物像共轭关系，形成临界照明条件。本实例中照明光管的焦距与制冷型红外成像系统相等，即系统放大倍率为1，因而黑体辐射源3的面积只要大于红外传感器即可。本发明不限制照明光管焦距，但推荐其照明光管焦距大于成像系统。
[0066]
本发明的辐射定标流程如图3所示：
[0067]
步骤s1，将黑体辐射源3与照明光管2集成为一个组件，调整照明光管2与制冷型红外成像系统7的相对位置，满足光瞳匹配条件，即照明光管2的出瞳与制冷型红外成像系统7内的红外光学系统6的入瞳8重合，如图2所示；
[0068]
步骤s2，将包含制冷型红外焦平面阵列探测器401的红外相机设置到合适的曝光时间
[0069]
步骤s3，设置黑体辐射源3为多个不同的温度t1,t2...tn，分别采集30帧红外定标图像
[0070]
步骤s4，对步骤s3采集的红外定标图像取平均，对每个像素点定标，将像素输出灰度表示为黑体辐射亮度的线性函数；
[0071]
温度t下像素(x,y)的灰度均值为dn
x,y
(t)；
[0072]
对不同温度下像素(x,y)输出灰度进行线性拟合后得到辐射定标方程
[0073]
dn
x,y
(ti)＝g
x,y
×
l(t)+b
x,y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0074]
其中l(t)为理想黑体辐射源在温度t下的辐射亮度，由普朗克公式计算，g
x,y
为像素(x,y)的响应度，b
x,y
为偏置，辐射定标的目的是获得响应度和偏置；
[0075]
步骤s5，测量照明光管2透过率，并计算等效热辐射亮度；
[0076]
照明光管2的透过率和热辐射对辐射定标方程(式1)均产生影响，设照明光管透过率为τ
ill
，将其视为制冷型红外成像系统镜头前的黑体辐射源，其等效热辐射亮度为
[0077]
l
ill
(t
atm
)＝(1-τ
ill
)
×
l(t
atm
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0078]
其中t
atm
为定标系统附近环境温度，在稳定条件下照明光学系统各组件温度与环境温度近似相等。
[0079]
步骤s6，对照明光管的影响进行补偿后获得最终的辐射标定方程；补偿方法：照明光管对黑体辐射源能量衰减率为
[0080]
进而得到最终的辐射定标方程
[0081][0082]
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。