价值工程
0引言
对目标进行识别的重要手段之一[1]
。对目标进行红外辐射特性测量可
以获得可见光难以获得的目标信息，
如目标亮度、辐射强度及温度等信息，
从而对目标进行识别和跟踪。动态范围通常是指由最高溢出值到最低值之间的范围。红外辐射特性测量系统的动态范围定义为系统有效测量到的目标发出的一系列辐射亮度或辐射温度的最大值与最小值的 比[2，
3]
。在CMOS 、CCD 传感器应用的诸多领域中，都给出了探测器的动态范围。
探测器的动态范围越大，表示其测量的能力越强，
输出图像的质量就越好，图像细节就越清晰[4-6]。对于红外辐射特性测量系统而言，
动态范围越大，系统就能够采集到越丰富的目标信息，
就能够测量越高的目标辐射温度。随着科学技术的快速进步，目前各类新式
飞行目标的飞行速度趋于越来越快，
目标辐射温度的变化范围也越来越大。
红外辐射特性测量系统为应对各种类型的被测目标，
获得被测目标的全部辐射信息，尤其是为了避免丢失重要敏感信息，
必须提高系统的动态范围以提高系统的测量能力[7，8]
。本文通过理论推导，
研究分析了影响红外辐射特性测量系统动态范围的因素，
并提出了一种通过改变系统积分时间和增加系统光学衰减，
从而提高系统的动态范围的方法。随后通过某红外辐射特性测量系统对
该方法进行了实验验证，验证结果表明，
该方法切实有效，能够较大幅度地提高红外辐射特性测量系统的动态范围。
1动态范围影响因素分析1.1动态范围定义红外辐射特性测量系统的动态范围DR 定义为系统能够有效测量到的目标发出的一系列辐射亮度的最大值
与最小值的比，
可以表述为：（1）
其中，L max （T ）为红外辐射特性测量系统所能测量到的最大辐射亮度值，
L min （T ）为红外辐射特性测量系统能测量到的最小辐射亮度值。
1.2数字灰度值与目标辐射出射度的关系
目标辐射出射度是指单位时间内从辐射源单位面积上所辐射出的辐射能量。
红外探测器焦平面阵列其响应为一个很窄的波长范围，记为λ1~λ2，该波长范围内的辐射出射度M （T ）可以表示为[9]
：
（2）
其中λ为波长，
T 为绝对温度，M 为波长范围λ1~λ2内的辐射出射度，
ε为发射率，c 1、c 2分别为第一辐射常数和第二辐射常数[10]。
数字灰度也称DN 值或数字量化值，
通常用来表示某些还没有校准到具体意义单位的像素值，是对接收到的辐
射进行量化的一个数值，
大小与量化的深度有关。红外焦平面阵列其每个像素在线性响应区域，
爬梯安全装置像元的输出数字灰度G 与辐射源的出射度M 呈线性关系。
（3）
其中G 为探测器数字灰度值，单位为DN ，B 为整个波
——————————————————————
—
作者简介：钱范源（1991-），男，江苏江阴人，助理工程师，硕士，
研究方向为光学。
一种提高红外辐射测量系统动态范围的方法
A Method to Improve the Dynamic Range of Infrared Radiation Measurement System
钱范源QIAN Fan-yuan ；孙晓东SUN Xiao-dong ；李可LI Ke ;
周海渊ZHOU Hai-yuan ；徐如祥XU Ru-xiang
（中国卫星海上测控部，
江阴214431）（China Satellite Maritime Tracking and Control Department ，Jiangyin 214431，China ）
摘要：红外辐射测量系统动态范围是系统能够测量到的最大辐射亮度值与最小辐射亮度值的比。系统动态范围越大，
则系统的测量能力越强，
能够采集到的目标信息越丰富，能够测量的辐射温度也越高。如何提高红外辐射测量系统动态范围是提升系统测量能力的关键之一。通过理论推导，分析影响系统动态范围的因素，最后提出了一种通过改变系统积分时间和增加光学衰减来提高系统动态范围的方法。验证结果表明，
该方法切实有效。Abstract:The dynamic range of infrared radiation measurement system is the ratio of the maximum value to the minimum value of a series of radiation brightness that the system can measure.The larger the dynamic range is,the stronger the ability of radiation measurement of the system is,the more abundant the information of measuring target is,and the higher the radiation temperature can be measured.How to improve the dynamic range is one of the keys to improve the measurement ability of infrared radiation characteristics measurement system.Through theoretical derivation,the factors affecting the dynamic range of the infrared radiation measurement system are analyzed.Finally,a method to improve the dynamic range of the infrared radiation measurement system by changing the integration time and increasing the optical attenuation is proposed.The experimental results show that the method is effective.
关键词：红外辐射；动态范围；积分时间；光学衰减Key words:infrared radiation ；dynamic range ；integration time ；optical attenuation 中图分类号:TN216文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2022）24-134-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2022.24.042
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Value Engineering
段范围内的平均响应偏置，R 为整个波段响应范围内的平均响应率，
T 为绝对温度。R 是红外辐射特性测量系统的固有性质，
与目标的辐射出射度无关。由于红外辐射特性测量系统工作于线性响应区域，
所以其平均响应偏置B 可表示为：
（4）
B out 为外部偏置，主要由红外辐射特性测量系统的外
部因素产生，
如光机结构的内、外杂散辐射，会随积分时间呈线性变化；
B in 为内部偏置，主要因工艺设计的缺陷产生，如由红外焦平面阵列的放大电路和量子阱产生，与积分时间无关。
结合
（3）
和（4）可以得到：（5）
若辐射源是朗伯体
（指在半球范围内任意方向的辐射亮度都相等的辐射体）
，则R 1=R/π。L 为辐射亮度，t 为积分时间，
T 为绝对温度。理论上只要得到三组G 和M 的对应数据即可求解公式
（5）中的三个未知量R 、B out 、B in ，实验过程中可以使用最小二乘法对多组实验数据进行拟合，
最终获取系统的标定方程。
求取获得R 、
B out 、B in 后，可以通过获得的标定方程进行反演计算，得出线性响应区被测目标的数字灰度值G ，从而得到被测目标的辐射亮度L 。
1.3系统动态范围与积分时间的关系
在实际求取系统动态范围DR 的过程中，由于公式
（5）
的关系，通常用G max 代替L max （T ），用G minx 代替L min （T ）。G max 为线性输出数字灰度最大值，G min 为线性输出数字灰度最小值[11]。
假设G max 满足：
（6）
虚拟架子鼓为了保证测量信号的可信性，
信号的信噪比应该大于1，此时红外辐射特性测量系统的动态范围DR 为[12]：
（7）由公式（7）可以分析得到，
随着系统积分时间的缩短，红外辐射特性测量系统的动态范围会随之增加。
1.4动态范围与系统衰减之间的关系
若红外辐射特性测量系统中，设计增加了衰减片，
且衰减片的衰减率为α
，
则此时红外辐射特性测量系统的动态范围DR 为：
（8）通过公式（8）可以分析得到，
随着系统衰减倍率的增加，红外辐射特性测量系统的动态范围也可以得到有效提高。
2实验结果及验证
2.1实验条件
为了验证通过改变红外辐射特性测量系统的积分时间和改变系统光学衰减可以有效提高系统的动态范围，利用某口径为400mm 的红外辐射特性测量系统设计进行一
系列的验证实验。在该系统的光路中设计有100%，
20%，5%和2%四档中性衰减滤光片，
光学衰减机构示意图如图1所示。光学系统的技术参数如表1所示。实验中用来定标的黑体的技术参数如表2所示。
2.2提高动态范围验证
实验时，
黑体定标采用5℃的温度间隔，从100℃升到150℃。在系统选用不同透过率的光学衰减片的情况下，将系统的积分时间分别设为4ms ，0.76ms ，0.12ms ，可以得到不同衰减率和不同积分时间的定标结果，如图2所示。由图2（a ）中可以看出，在红外辐射特性测量系统使用100%透过率的光学滤光片情况下，在系统积分时间为4ms 时，探测器输出灰度值达到饱和时的测量温度为160℃；在积分时间为0.76ms 时，探测器输出灰度值达到
饱和时的测量温度为220℃；在积分时间为0.12ms 时，探
测器输出灰度值达到饱和时的测量温度为300℃。可以验证得到，
减小系统积分时间可以使红外辐射特性测量系统的动态范围得到有效增加。由图2（b ）中可以看出，在红外辐射特性测量系统使用2%透过率的光学滤光片情况下，在系统积分时间为4ms 时，探测器输出灰度值达到饱和时的测量温度为
310℃
；在积分时间为0.76ms 时，
探测器输出灰度值达到图1光学衰减机构示意图表1光学系统的技术参数
波段3~5μm 焦平面类型碲镉汞像元数目320×256像元尺寸30μm 探测器动态范围
80dB
口径1″（25.4mm ）绝对温度范围50~1200℃温度精度0.3%
温度稳定性短时间：±0.4℃；长时间：±0.25℃；
温度均匀性±4℃@800℃发射率0.99±0.01辐射头大小
195×329×214
表2黑体的技术参数
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价值工程
饱和时的测量温度为420℃；在积分时间为0.12ms 时，
探测器输出灰度值达到饱和时的测量温度为590℃。
结合图2（a ）和图2（b ），可以验证得到，
随着光学衰减片衰减倍率的增加，可以进一步增加红外辐射特性测量系统的动
态范围。2.3不同动态范围的标定方程系统选用不同透过率的光学衰减片和不同的积分时间可以导致红外辐射特性测量系统的动态范围不一致。可以使用最小二乘法对通过实验获得的多组数进行拟合，从而得到系统不同的动态范围下的标定方程如表3所示。
表3的标定方程中x 为辐射温度T ，y 为数字灰度值
G ，因此，通过标定方程可反演计算出与辐射温度T 相对应的数字灰度值G ，
从而得到辐射亮度L 。结合图2和表3标定方程可以分析得到，
红外辐射特性测量系统的动态范围与其标定方程的斜率存在直接关
系，斜率越小，系统的动态范围越大。
因此，可以验证得到，红外辐射特性测量系统的动态范围随着系统积分时间的
减小而增大，随着系统衰减的增加而增大。3结束语本文针对红外辐射特性测量系统为了实现对各种不同类型的被测目标的跟踪测量、
获得被测目标的全部辐射信息，必须提高自身的动态范围以提高系统的测量能力的
需求，通过理论分析，
推导出了影响红外辐射特性测量系统动态范围的影响因素，
提出了一种通过减小红外辐射特性测量系统的积分时间和增大光路系统的衰减倍率可以
超声波打磨机在一定范围内有效提高系统动态范围的方法。
通过实验验证，该方法对提升红外辐射特性测量系统动态范围具有一
定意义，但需要在此说明的是，
如果积分时间调得过短，将会对图像的信噪比产生影响，如果衰减倍率调得过大，
衰减片自身对系统测量的影响将会增加，
机顶盒支架所以在这种方法中积分时间不可能无限调小，
衰减倍率也不可能无限调大。参考文献:
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2018.
（a ）100%
透过率
（b ）2%透过率
图2不同衰减率和积分时间的定标结果
表3不同动态范围下的标定方程
衰减片透过率（%）
积分时间（ms ）
整个系统的定标方程20%
0.12
0.764y=104.14*x+1856.46y=644.78*x+1949.22y=3517.88*x+2525.825%
0.120.764y=23.18*x+1877.98y=154.61*x+1950.66y=820.48*x+2621.742%
0.120.764
y=8.71*x+1965.21y=61.86*x+1980.77y=346.91*x+2551.72
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