1.本发明属于高温目标红外辐射特性测试技术领域，具体涉及光谱探测设备与红外目标最小测试距离选取方法。
背景技术：
2.在目标红外辐射特性测试中，对已知温度范围的目标进行红外辐射特性测试时，关键在于确定目标和光谱探测设备之间的距离，才能获得精准的目标辐射特性。
3.目前，在对目标红外辐射特性测试前，将黑体作为标准辐射源，利用充满视场的线性标定方法标定辐射功率和电压响应曲线。利用标定好的辐射功率和电压响应曲线对高温目标红外辐射特性进行测试，当探测距离较近时，会导致探测器电压响应出现饱和，无法真正得到目标的红外辐射特性；当探测距离较远时，由于目标在探测器视场中占比较小，会导致背景占比增大、大气吸收影响增大，信噪比较小，上述两种情况均无法获得精准的目标辐射特性，而频繁移动光谱探测设备来获取测试距离的方法会大大降低测试效率；因此，如何高效的确定光谱探测设备与目标之间的最小距离仍需一种明确的方法。
技术实现要素：
4.为了克服确定目标红外辐射特性最小测试距离存在的效率低、选取准确性低的不足，本发明提出了一种目标红外辐射特性最小测试距离选取方法。
5.本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种目标红外辐射特性最小测试距离选取方法，包括如下步骤：
7.步骤1，确定光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度
8.以光谱辐射计为测试设备，以面源黑体为标准辐射源，对光谱辐射计进行充满视场标定；当光谱辐射计碲化铟通道的电压饱和度达到上限时，面源黑体温度即为光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度t1。
9.步骤2，计算面源黑体在最高标定温度时的辐射出射度
10.面源黑体在最高标定温度t1时的辐射出射度m1为：
[0011][0012]
式(2)中，c1为第一辐射常数，c1＝3.7418
×
108m/s，c2为第二辐射常数，c2＝1.4388
×
10-16w·
m2，λ为测量波段的波长，λ1为测量波段波长的下限，λ2为测量波段波长的上限。
[0013]
步骤3，计算面源黑体在最高标定温度时的辐射通量函数
[0014]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，标准辐射源通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0015]
p＝βτlωa
ꢀꢀꢀ
(3)
[0016]
式(3)中，p为通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量，β为大气透过率，τ为光谱辐射计内部光学系统透过率，l为目标光谱辐射亮度，ω为光谱辐射计内部光学
系统通光孔径角，a为光谱辐射计探测器面积。
[0017]
当面源黑体在最高标定温度时，面源黑体在光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0018]
p1＝β1τl1ωa
ꢀꢀꢀ
(4)
[0019]
式(4)中，p1为面源黑体在最高标定温度时投射到探测器上的辐射通量，即面源黑体最高标定温度时的辐射通量；β1为光谱辐射计与面源黑体之间的大气透过率，在理想状态下，β1＝1；l1为面源黑体在最高标定温度时的辐射亮度。
[0020]
根据辐射源辐射特性，面源黑体在最高标定温度时的辐射亮度与辐射出射度相关，其关系如下：
[0021][0022]
式(5)代入式(4)，得到面源黑体最高标定温度时的辐射通量函数，如下式。
[0023][0024]
至此，得到面源黑体最高标定温度时的辐射通量函数。
[0025]
步骤4，计算目标的辐射出射度
[0026]
以任意辐射源为目标，以光谱辐射计为测试设备。目标的辐射出射度m2与目标的温度t2、波段相关，目标的辐射出射度m2可由下式计算得出。
[0027][0028]
式(7)中，t2为目标的温度。
[0029]
步骤5，计算目标的辐射通量函数
[0030]
在进行目标红外辐射特性最小测试距离选取时，暂不考虑大气衰减对辐射的影响，计算目标在某一距离处，反应在光谱辐射计探测器上的辐射通量函数。由于在某一距离处目标是非充满视场的，因此目标在光谱辐射计探测器上的投影也是非充满的。当目标在全视场范围内的面积占比为γ，目标的面积为a1，某一距离处光谱辐射计全视场面积为a2，目标投影到光谱辐射计探测器上面积为ab，根据三角形比例对称关系可知，目标在全视场范围内的面积占比γ与目标投影到光谱辐射计探测器上面积ab、光谱辐射计探测器面积a；目标在全视场范围内的面积占比γ与目标的面积a1、某一距离处光谱辐射计全视场面积a2的关系如下：
[0031][0032][0033]
根据辐射源辐射特性，目标的辐射亮度与辐射出射度相关，其关系如下：
[0034][0035]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，在光谱辐射计测试时，目标处于某一距离时，通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0036]
p2＝β2τl2ωabꢀꢀꢀ
(11)
[0037]
式(11)中，p2为目标处于某一距离时在光谱辐射计探测器上的辐射通量，即目标的辐射通量，l2为目标的辐射亮度；暂不考虑大气衰减对辐射的影响，即理想状态下，β2＝1。
[0038]
式(8)、式(10)和式(11)联立，得到目标的辐射通量函数如下：
[0039][0040]
步骤6，确定目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系
[0041]
光谱辐射计充满视场标定时，面源黑体在最高标定温度时光谱辐射计电压饱和度达到上限，为使光谱辐射计标定数据有效，需要满足如下条件：目标的辐射通量p2小于等于面源黑体在最高标定温度时的辐射通量p1。即：
[0042]
p2≤p1ꢀꢀꢀ
(13)
[0043]
联立式(6)、式(12)、式(13)，得到下式：
[0044][0045]
式(14)即为目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系。
[0046]
步骤7，确定目标红外辐射特性初步最小测试距离
[0047]
依据目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系，确定目标红外辐射特性初步最小测试距离r
min
。
[0048]
步骤8，确定目标红外辐射特性最小测试距离
[0049]
目标红外辐射特性实际测量时，即非理想状态条件下，应当考虑大气透过率的影响。
[0050]
由步骤7得到的目标红外辐射特性初步最小测试距离，在考虑大气透过率影响的情况下，将初步最小测试距离r
min
带入大气辐射传输特性计算软件modtran，生成初步最小测试距离下的大气透过率β3。
[0051]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，在光谱辐射计测试时，目标处于某一距离且考虑大气透过率影响时，通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0052]
p3＝β3τl2ωabꢀꢀꢀ
(18)
[0053]
式(18)中，p3为在考虑大气透过率情况下目标处于某一距离时在探测器上的辐射通量，β3为光谱辐射计与目标之间的大气透过率。
[0054]
由式(8)、式(10)、式(18)联立，可得到下式：
[0055][0056]
式(19)即为目标处于某一距离时的辐射通量函数。
[0057]
光谱辐射计充满视场标定时，当光谱辐射计电压饱和度达到上限时，为使光谱辐射计标定数据有效，需要满足如下条件：目标处于某一距离时的辐射通量p3小于等于面源黑体在最高标定温度时的辐射通量p1。即：
[0058]
p3≤p1ꢀꢀꢀ
(20)
[0059]
由式(6)、式(19)、式(20)联立，得到下式：
[0060][0061]
当成立时，目标红外辐射特性测试距离r1达到最小值r
1min
；因此，可得出，目标红外辐射特性最小测试距离r
1min
为：
[0062][0063]
至此，得到目标红外辐射特性最小测试距离r
1min
。
[0064]
上述的目标红外辐射特性最小测试距离选取方法，所述光谱辐射计充满视场标定，在实验室进行；将光谱辐射计充满视场标定，光谱辐射计开始测量面源黑体辐射面的辐射能量，同时面源黑体温度开始由室温逐渐升高，当光谱辐射计测试软件上碲化铟通道对应的电压饱和度达到上限时，记录此时面源黑体的温度t1，此时面源黑体的温度t1即为光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度。
[0065]
上述的目标红外辐射特性最小测试距离选取方法，所述步骤7，确定目标红外辐射特性初步最小测试距离，进一步包括：
[0066]
光谱辐射计全视场面积a2与光谱辐射计镜头的视场角θ、初步测试距离相关，具体关系如下：
[0067][0068]
式(15)中，r为目标红外辐射特性初步测试距离，即光谱辐射计镜头至目标辐射面的距离；0.0573为弧度与角度换算系数。
[0069]
由步骤6得到的目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系可知，当成立时，目标红外辐射特性初步测试距离r达到最小值r
min
，因此，可得出：
[0070][0071]
由式(16)可进一步推导出，目标红外辐射特性初步最小测试距离r
min
与辐射出射度关系：
[0072][0073]
至此，得到目标红外辐射特性初步最小测试距离。
[0074]
本发明的有益效果是：
[0075]
一种目标红外辐射特性最小测试距离选取方法，根据光学成像系统光通量传播规律和无损介质辐射亮度守恒定律，基于黑体和目标辐射亮度通过光学系统后在探测器像平
面上的辐射通量响应电压值饱和度对比的方法，确定目标红外辐射特性最小测试距离；通过实施例验证，确定了目标红外辐射特性测试距离，将光谱辐射计放置于该距离处进行测试，测试到的光谱辐射计碲化铟通道对应的电压饱和度为97％，与光谱辐射计充满视场线性标定时，高温辐射亮度通过光学系统后在探测器像平面上的辐射通量响应产生的电压值饱和度98％相比，相对误差1％，取得了有益的效果。
具体实施方式
[0076]
实施例
[0077]
一种目标红外辐射特性最小测试距离选取方法，包括如下步骤：
[0078]
步骤1，确定光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度
[0079]
以光谱辐射计为测试设备，以面源黑体为标准辐射源，对光谱辐射计进行充满视场标定，光谱辐射计碲化铟通道的电压饱和度达到上限时面源黑体温度即为光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度。
[0080]
光谱辐射计充满视场标定在实验室进行，将光谱辐射计充满视场标定，光谱辐射计开始测量面源黑体辐射面的辐射能量，同时面源黑体温度开始由室温逐渐升高，当光谱辐射计测试软件上碲化铟通道对应的电压饱和度达到上限时，记录此时面源黑体的温度t1，此时面源黑体的温度t1即为光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度。
[0081]
例如，实验室温度为常温，22℃，实验室湿度为36％；采用的测试设备为mr170光谱辐射计，mr170光谱辐射计镜头选用视场角为θ的镜头，视场角为28mrad，光谱辐射计探测器直径为1mm、探测器面积为；以法国fluke4181面源黑体为测试目标，法国fluke4181面源黑体尺寸为150mm、温度精度
±
0.5℃、稳定性
±
0.5℃、光谱范围2μm～15μm、发射率＞0.95。
[0082]
将mr170光谱辐射计充满视场标定，在mr170光谱辐射计测量面源黑体辐射面的辐射能量的同时，面源黑体温度开始由室温逐渐升高，当光谱辐射计测试软件上碲化铟通道对应的电压饱和度达到98％时，电压饱和度达到上限，此时，mr170光谱辐射计充满视场标定时面源黑体的最高标定温度t1为187℃。
[0083]
步骤2，计算面源黑体在最高标定温度时的辐射出射度
[0084]
辐射出射度m由普朗克公式计算得出，普朗克公式如下：
[0085][0086]
式(1)中，c1为第一辐射常数，c1＝3.7418
×
108m/s，c2为第二辐射常数，c2＝1.4388
×
10-16w·
m2，λ为测量波段的波长，t为标准辐射源温度，λ1为测量波段波长的下限，λ2为测量波段波长的上限。
[0087]
由式(1)可推理出，面源黑体在最高标定温度t1时的辐射出射度m1为：
[0088][0089]
至此，得到面源黑体在最高标定温度时的辐射出射度m1。
[0090]
例如，条件同步骤1举例，当面源黑体的最高标定温度为187℃，在测量波段为2～5μm波段，即测量波段下限为2μm，测量波段上限为5μm时，由式(2)计算，得到面源黑体在187℃时的辐射出射度为305.7063w
·
m-2
。
[0091]
步骤3，计算面源黑体在最高标定温度时的辐射通量函数
[0092]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，标准辐射源通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0093]
p＝βτlωa
ꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
式(3)中，p为通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量，β为大气透过率，τ为光谱辐射计内部光学系统透过率，l为目标光谱辐射亮度，ω为光谱辐射计内部光学系统通光孔径角，a为光谱辐射计探测器面积。
[0095]
当面源黑体在最高标定温度时，面源黑体在光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0096]
p1＝β1τl1ωa
ꢀꢀꢀ
(4)
[0097]
式(4)中，p1为面源黑体在最高标定温度时投射到探测器上的辐射通量，即面源黑体最高标定温度时的辐射通量；β1为光谱辐射计与面源黑体之间的大气透过率，在理想状态下，β1＝1；l1为面源黑体在最高标定温度时的辐射亮度。
[0098]
根据辐射源辐射特性，面源黑体在最高标定温度时的辐射亮度与辐射出射度相关，其关系如下：
[0099][0100]
式(5)代入式(4)，得到面源黑体最高标定温度时的辐射通量函数，如下式。
[0101][0102]
至此，得到面源黑体最高标定温度时的辐射通量函数。
[0103]
步骤4，计算目标的辐射出射度
[0104]
以任意辐射源为目标，以光谱辐射计为测试设备。目标的辐射出射度m2与目标的温度t2、波段相关，目标的辐射出射度m2可由下式计算得出。
[0105][0106]
式(7)中，t2为目标的温度。
[0107]
至此，得到目标的辐射出射度m2。
[0108]
例如，条件同步骤2举例，当目标的温度为450℃，波长为2～5μm波段，由式(7)得到目标的辐射出射度为6165.7w.m-2
。
[0109]
步骤5，计算目标的辐射通量函数
[0110]
在进行目标红外辐射特性最小测试距离选取时，暂不考虑大气衰减对辐射的影响，计算目标在某一距离处，反应在光谱辐射计探测器上的辐射通量函数。由于在某一距离处目标是非充满视场的，因此目标在光谱辐射计探测器上的投影也是非充满的。当目标在全视场范围内的面积占比为γ，目标的面积为a1，某一距离处光谱辐射计全视场面积为a2，
目标投影到光谱辐射计探测器上面积为ab，根据三角形比例对称关系可知，目标在全视场范围内的面积占比γ与目标投影到光谱辐射计探测器上面积ab、光谱辐射计探测器面积a；目标在全视场范围内的面积占比γ与目标的面积a1、某一距离处光谱辐射计全视场面积a2的关系如下：
[0111][0112][0113]
根据辐射源辐射特性，目标的辐射亮度与辐射出射度相关，其关系如下：
[0114][0115]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，在光谱辐射计测试时，目标处于某一距离时，通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0116]
p2＝β2τl2ωabꢀꢀꢀ
(11)
[0117]
式(11)中，p2为目标处于某一距离时在光谱辐射计探测器上的辐射通量，即目标的辐射通量，l2为目标的辐射亮度；暂不考虑大气衰减对辐射的影响，即理想状态下，β2＝1。
[0118]
式(8)、式(10)和式(11)联立，得到目标的辐射通量函数如下：
[0119][0120]
至此，得到目标的辐射通量函数。
[0121]
步骤6，确定目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系
[0122]
光谱辐射计充满视场标定时，面源黑体在最高标定温度时光谱辐射计电压饱和度达到上限，为使光谱辐射计标定数据有效，需要满足如下条件：目标的辐射通量p2小于等于面源黑体在最高标定温度时的辐射通量p1。即：
[0123]
p2≤p1ꢀꢀꢀ
(13)
[0124]
联立式(6)、式(12)、式(13)，得到下式：
[0125][0126]
式(14)即为目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系。
[0127]
步骤7，确定目标红外辐射特性初步最小测试距离
[0128]
光谱辐射计全视场面积a2与光谱辐射计镜头的视场角θ、初步测试距离相关，具体关系如下：
[0129][0130]
式(15)中，r为目标红外辐射特性初步测试距离，即光谱辐射计镜头至目标辐射面的距离；0.0573为弧度与角度换算系数。
[0131]
由步骤6得到的目标在全视场范围内的面积占比γ与辐射出射度比值的关系可知，当成立时，目标红外辐射特性初步测试距离r达到最小值r
min
，因此，可得出：
[0132][0133]
由式(16)可进一步推导出，目标红外辐射特性初步测试最小距离r
min
与辐射出射度关系：
[0134][0135]
至此，得到目标红外辐射特性初步最小测试距离。
[0136]
例如，条件同步骤4举例，光谱辐射计镜头采用θ＝28mrad镜头，目标尺寸φ＝150mm，即，将步骤2和步骤4得到的结果代入(17)式可得到目标红外辐射特性初步最小测试距离为24.0555米。
[0137]
步骤8，确定目标红外辐射特性最小测试距离
[0138]
目标红外辐射特性实际测量时，即非理想状态条件下，应当考虑大气透过率的影响。
[0139]
由步骤7得到的目标红外辐射特性初步最小测试距离，在考虑大气透过率影响的情况下，将初步最小测试距离r
min
带入大气辐射传输特性计算软件modtran，生成初步最小测试距离下的大气透过率β3。
[0140]
根据光学成像系统中光通量的传播规律，在光谱辐射计测试时，目标处于某一距离且考虑大气透过率影响时，通过光学系统投射到光谱辐射计探测器上的辐射通量函数为：
[0141]
p3＝β3τl2ωabꢀꢀꢀ
(18)
[0142]
式(18)中，p3为在考虑大气透过率情况下目标处于某一距离时在探测器上的辐射通量，β3为光谱辐射计与目标之间的大气透过率。
[0143]
由式(8)、式(10)、式(18)联立，可得到下式：
[0144][0145]
式(19)即为目标处于某一距离时的辐射通量函数。
[0146]
光谱辐射计充满视场标定时，当光谱辐射计电压饱和度达到上限时，为使光谱辐射计标定数据有效，需要满足如下条件：目标处于某一距离时的辐射通量p3小于等于面源黑体在最高标定温度时的辐射通量p1。即：
[0147]
p3≤p1ꢀꢀꢀ
(20)
[0148]
由式(6)、式(19)、式(20)联立，得到下式：
[0149][0150]
当成立时，目标红外辐射特性测试距离r1达到最小值r
1min
，因此，可得
出：
[0151][0152]
式(22)中，r
1min
为目标红外辐射特性最小测试距离。
[0153]
由式(22)可进一步推导出，目标红外辐射特性最小测试距离r
1min
与辐射出射度及大气透过率的关系如下：
[0154][0155]
至此，得到目标红外辐射特性最小测试距离r
1min
。
[0156]
例如，条件同步骤7举例，由步骤7确定的初步最小测试距离为24.0555米，根据大气辐射传输特性计算软件modtran，计算出光谱辐射计与目标之间在初步最小测试距离下的大气透过率为0.83665，将步骤2和步骤4得到的结果代入式(23)可得到目标红外辐射特性最小测试距离为22.003米。