阅读说明：本技术 一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量装置 (Infrared detector nonlinear measurement method and measurement device based on luminous flux multiplication method ) 是由 董伟 宋旭尧 原遵东 赵云龙 安保林 卢小丰 王景辉 于 2020-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量装置和测量方法,测量装置包括光通量倍增光阑组、挡板、外置红外光学系统和标准红外辐射源。所述测量方法通过半开和全开光阑实现红外辐射源光通量的倍增,被测红外探测器测量获得在上述测量条件下红外辐射源的光通量,通过挡板测量并消除红外辐射源外部的杂散辐射,将上述红外探测器测量得到的输出信号基于光通量倍增法得到该红外探测器响应非线性,该测量方法具有在理论上严格满足探测器非线性原理的特点,实际操作便捷,可以精确、有效的获得红外探测器在宽亮度范围上响应的非线性特征。(The invention relates to an infrared detector nonlinear measurement device and a measurement method based on a luminous flux multiplication method. According to the measuring method, the multiplication of the luminous flux of an infrared radiation source is realized through half-open and full-open diaphragms, the measured infrared detector measures the luminous flux of the infrared radiation source under the measuring conditions, the baffle plate measures and eliminates the stray radiation outside the infrared radiation source, and the output signal measured by the infrared detector is used for obtaining the response nonlinearity of the infrared detector based on a luminous flux multiplication method.)

一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量 装置

技术领域

本发明涉及非线性测量领域，尤其是一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量装置。

背景技术

辐射测量法基于国际温标规定由普朗克公式进行定义。对于目前红外波段上的辐射测量研究，已拓展至宽温区测量。即基于普朗克公式，其温区对应的辐射亮度已跨越多个数量级。红外探测器作为红外辐射接收设备，其响应度存在非线性，且相比于可见光波段的探测器，通常具有较明显的非线性特征。

在宽动态范围红外辐射测量中对测量的影响可达1％量级。非线性通常归因于探测器及关联放大电路的非理想特性，随着测量精度的提高，把对红外探测器非线性测量属于对红外探测器性能评价的必要的步骤。

因此，对于高精度测量而言，亟需进行精确的刻画与标定，以减小红外辐射测量的不确定度。

发明内容

本发明提供了一种基于光通倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量装置，已具有良好温度准确性和稳定性的标准黑体为红外辐射源，通过改变在相同温度下入射到红外探测器的光通量，定量获得在宽温区、特定波长下红外探测器的非线性特征。本发明在测量原理上，严格满足探测器非线性定义；在操作方法上，具有快速简便的特点，且可有效抑制反射影响。这亦是当前对于红外探测器非线性测量提出的必要需求。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量装置，其包括：

冷却杂散辐射屏蔽仓，在所述冷却杂散辐射屏蔽仓的仓体两侧设置有第一透光口和第二透光口，笼式光学元件固定结构，其位于所述冷却杂散辐射屏蔽仓中；光通量倍增光阑组，所述光通量倍增光阑组设置于所述笼式光学元件固定结构中，该光通量倍增光阑组包括至少一个光阑；标准黑体辐射源，所述标准黑体辐射源位于所述第一透光口的外侧；红外探测器，所述红外探测器位于所述第二透光口的外侧；红外光学系统，所述红外光学系统和所述光通量倍增光阑组位于所述笼式光学元件固定结构中。

其中，所述红外系统包括双离轴反射镜，所述双离轴反射镜包括第一离轴反射镜和第二离轴反射镜。

其中，所述标准黑体辐射源为深腔结构，腔体材料为烧结碳化硅，工作温度区间200-1000℃。

其中，所述光通量倍增光阑组包括全开光阑、左侧半开光阑和右侧半开光阑，光阑表面涂有低反射特征黑漆。

其中，进一步包括挡板，所述挡板为表面全部涂黑且不透明的金属，通过光阑槽内嵌安装和固定。

其中，光通量倍增光阑由光阑槽安装固定，所述光阑槽为3/4圆形。

本发明提供了采用上述非线性测量装置的红外探测器非线性测量方法，其特征在于：

使用被测红外探测器测量标准黑体辐射源通过全开光阑的光通量；

使用被测红外探测器分别测量标准黑体辐射源通过两个半开光阑的光通量；

使用挡板对标准黑体辐射源进行遮挡，测量环境杂散辐射光通量；

通过测量得到的红外探测器输出信号得到该探测器的非线性。

其中，通过光通量倍增光阑组实现黑体辐射源在某已知入射辐射亮度下到达探测器的光通量倍增，通过笼式光学元件固定结构置于红外光学系统平行光路处；

将光通量倍增光阑组中的全开光阑置于红外光学系统平行光路处，测量黑体辐射源的辐射亮度；

将光通量倍增光阑组中的左侧半开光阑置于红外光学系统平行光路处，测量黑体辐射源的辐射亮度；

将光通量倍增光阑组中的右侧半开光阑置于红外光学系统平行光路处，测量黑体辐射源的辐射亮度；

将挡板置于红外系统平行光路处，测量环境背景杂散辐射亮度；

通过上述测量的辐射亮度系统，通过显示计算仪器得到该被测探测器的非线性。

其中，红外探测器非线性还包括建立基于光通量倍增法的非线性计算函数和累积非线性计算函数。

其中，所述红外探测器非线性计算函数为：

其中，NL为红外探测器非线性，R为红外探测器响应度，φ为红外探测器接收的光通量，λ为测量波长，A、B、C分别对应权利要求6中所述的不同光阑。

其中，所述红外探测器累积非线性计算函数为：

其中，INL为红外探测器累积非线性，i为累积步数。

其中，所述红外探测器非线性计算函数还包括建立红外探测器输出信号计算模型；

红外探测器输出信号计算模型为：

S(λ,T)＝R(λ,T)φ(λ,T)+S₀(λ,T)

其中，S为红外探测器输出信号，S₀为红外探测器对于杂散辐射的输出信号，T为标准黑体辐射源温度。

其中，通过计算并显示的红外探测器非线性计算函数为：

其中，S_A、S_B、S_C和S₀分别为测量全开光阑、左侧半开光阑、右侧半开光阑以及挡板时的红外探测器输出信号。上述NL和INL即为本发明最终获得的红外探测器非线性测量结果。

红外光学系统、光通量倍增、挡板等位于冷却杂散辐射屏蔽仓内，冷却杂散辐射屏蔽仓为长方体仓，仓顶为可提仓盖，仓壁为双层结构，双层内具有冷却液槽，仓内外壁均涂有低反射特征黑漆。面向标准黑体辐射源和面向红外探测器的仓壁均具有直径30mm的开孔。在仓侧向具有冷却液的进口和出口，通过循环冷却液控制仓壁温度与测试环境温度相同，通常为室温20℃。

本发明提供了一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量装置，通过倍增辐射源入射辐射光通量对红外探测器的非线性特征在宽温区上进行高精度定量测量，并有效消除杂散辐射和抑制光学元件相互反射的影响，且在实际操作上满足快速便捷的需求。

采用本发明一种基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法和测量装置，可以高精度定量描画红外探测器的非线性特征，在理论上严格满足探测器非线性定义。采用具有宽温区的标准黑体辐射源作为入射红外辐射源具有温度准确性好、高稳定性的特点，且回避了光源自身反射的问题；采用具有高反射率的红外反射式双离轴光学系统可减小在透过式红外光学系统中常存在的较明显像差；采用将倾斜涂黑的光阑置于水冷杂散辐射屏蔽仓内的技术方案可有效抑制测量光路中反射和光学元件热效应的影响；整个红外光学系统中的光学元件采用笼式结构进行安装定位的技术方案，便于操作，对于所有光学元件的同轴度也具有很高的保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量装置示意图；

图2为本发明的基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法的主要流程；

图3为本发明的测量装置中具有光通量倍增光阑的红外光学系统的结构示意图；

图4为本发明的光通量倍增光阑定位装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明的基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量装置，如图1所示，所述测量装置包括：冷却杂散辐射屏蔽仓1，所述冷却杂散辐射屏蔽仓1包括腔体和位于腔体内的冷却液体，在所述冷却杂散辐射屏蔽仓1的顶部具有冷却液体的进口和出口，冷却循环组件6与所述进口和出口连接，实现所述冷却液体的循环，通过循环冷却液体控制仓壁温度保持为20℃，优选所述冷却液体为水；在所述腔体两侧上设置有第一透光口和第二透光口，所述第一透光口位于所述冷却杂散辐射屏蔽仓1的仓体一侧，所述第二透光口位于所述冷却杂散辐射屏蔽仓1的仓体的另一侧，所述冷却杂散辐射屏蔽仓1优选为长方体仓，所述腔体包括仓顶和仓壁，所述仓顶为可提仓盖，所述仓壁为双层结构，双层内具有水路槽，仓内外壁均涂有低反射特征黑漆，位于仓壁上的面向标准黑体辐射源4和面向红外探测器5的第一透光口和第二透光口优选直径为30mm；笼式光学元件固定结构2，其位于所述冷却杂散辐射屏蔽仓1中，光通量倍增光阑组3，所述光通量倍增光阑组3设置于所述笼式光学元件固定结构2中，该光通量倍增光阑组3包括一个全开光阑、两个半开光阑和挡板；标准黑体辐射源4，所述标准黑体辐射源4位于所述第一透光口的外侧；红外探测器5，所述红外探测器5位于所述第二透光口的外侧；显示计算仪器，其与所述红外探测器5相连；红外光学系统7，所述红外系统7包括双离轴反射镜，所述双离轴反射镜包括第一离轴反射镜8和第二离轴反射镜9；所述红外光学系统7和所述光通量倍增光阑组3位于所述笼式光学元件固定结构2中。

所述笼式光学元件固定结构2包括镜笼、镜笼连接杆，所述镜笼为立方体，优选边长为76.2mm(3英寸)，每个面均有中空部分，中空部分为圆形，直径优选为63.5mm(2.5英寸),镜笼全部涂黑；在镜笼的4个角处均有6mm的通孔，多个镜笼可通过4根镜笼连接杆相连，镜笼连接杆直径优选为6mm，长度优选为152.4mm。

所述第一离轴反射镜8和第二离轴反射镜9的尺寸和结构相同，离轴反射镜优选直径为50.8mm(2英寸)，焦距为152.4mm(6为英寸)，镜面镀金。

图3为本发明的测量装置中具有光通量倍增光阑的红外光学系统的结构示意图，如图3的左侧所示，可以是三个光通量倍增光阑和挡板。所述光通量倍增光阑组3的三个光阑的外径优选为50mm，内径优选均为40mm，其中光阑A为全开光阑，开孔为圆形，光阑B为左侧半开光阑，光阑C为右侧半开光阑，光阑B和C开孔为半圆形。光阑A开孔面积等于光阑B和C开孔面积之和。三个光阑的上部均有聚四氟材料所制的定位螺钉，并且光阑表面均涂有低反射特征黑漆。

所述标准黑体辐射源4优选为深腔结构，腔深优选为270mm，腔口直径优选为50mm，腔底优选为120°锥角，腔体材料为烧结碳化硅，工作温度区间200-1000℃，采用三段加热方式，使用Monte-Carlo光线追迹法评估的黑体有效发射率优于0.998，30分钟内温度稳定性优于0.01％。

所述光通量倍增光阑组3中的光阑由光阑槽10安装固定，光阑槽10优选为3/4圆形，外径优选为3英寸(76.2mm)，内径优选为50mm，其外径尺寸与笼式光学元件固定结构边长匹配，内径与光通量倍增光阑外径尺寸匹配，在其四个角处均具有6mm的通孔，可通过所述笼式光学元件固定结构3进行定位，并定位于所述红外光学系统7中的平行光路处，即两个离轴反射镜之间。光阑安装至光阑槽的方式为内嵌式。光阑槽表面涂有低反射特征黑漆。光阑槽倾斜放置于红外光学系统中，与主光轴垂直方向夹角20°。所述挡板表面全部涂黑且不透明的金属挡板，其外径与所述光通量倍增光阑外径相同，优选为50mm，并也可通过所述光阑槽10内嵌安装和固定。

图2为本发明的基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法的主要流程。

使用被测红外探测器测量标准红外辐射源通过全开光阑的光通量；

使用被测红外探测器分别测量标准红外辐射源通过两个半开光阑的光通量；

使用挡板对标准红外辐射源进行遮挡，测量环境杂散辐射光通量；

通过上述得到的红外探测器输出信号得到该探测器的非线性。

具体而言，本实施方式中红外探测器非线性测量包括以下步骤：

步骤1：图3为具有光通量倍增光阑的红外光学系统示意图；如图3所示，将光通量倍增光阑通过光阑槽10置于笼式光学元件固定结构2内的红外光学系统7中，所述光通量倍增光阑设置在红外光学系统7的第一离轴反射镜8和第二离轴反射镜9之间。

步骤2：将带有光阑槽10的红外光学系统7置于所述冷杂散辐射屏蔽仓1内，屏蔽仓通过冷却液体进行冷却，优选所述冷却液体为水，冷却水温度20℃，全部测量过程冷却水温度保持在20℃，保证测量环境稳定。

步骤3：将标准黑体辐射源4和红外探测器5分别放置于水冷杂散辐射屏蔽仓透光口两侧的红外光学系统7的焦点处，形成对于该红外探测器的非线性测量装置。

步骤4：将标准黑体辐射源通电升温，设定温度为在探测波长上辐射亮度倍增所对应的温度点。以本实施方式为例，标准黑体辐射源4工作温度范围为200-1000℃，作为被测红外探测器的红外探测器6波长为3.9μm，标准黑体辐射源工作温度对应的辐射亮度为180-25000W/(m²·sr·μm)，根据光通量倍增法，即在相同的测量条件下设定温度点的辐射亮度呈倍增关系，在该辐射亮度范围内选择的辐射亮度点分别为190、380、760、1520、3040、6080、12160、24320W/(m²·sr·μm)，即实现标准黑体辐射源辐射亮度7次倍增，分别对应的设定温度值为207、254、312、383、476、597、762、1000℃。标准黑体辐射源在达到各设定温度点后，稳定30分钟，进入工作状态。

步骤5：将全开光阑(光阑A)置于光阑槽10内，在标准黑体辐射源4升温至第一个设定温度点并稳定进入工作状态后，使用被测红外探测器进行辐射测量，通过显示计算仪器将光信号转换成电信号进行输出，输出信号为：

S_A1(λ,T₁)＝R_A1(λ,T₁)φ_A1(λ,T₁)+S₀(λ)

其中，S_A1为红外探测器测量在光阑A限制下标准黑体辐射源在第一个温度点T₁的输出信号，R_A1为红外探测器对应的响应度，S₀为环境杂散辐射信号，λ为红外探测器工作波长。

步骤6：步骤5完成后更换光阑，图4为光通量倍增光阑定位装置示意图，如图4所示，将右侧半开光阑(光阑B)置于光阑槽内并通过定位螺丝定位；或者通过将光阑A和挡板进行组合获得光阑B，，标准黑体辐射源保持在步骤5中的工作状态不变，使用被测红外探测器进行辐射测量，通过显示计算仪器的输出信号为：

S_B1(λ,T₁)＝R_B1(λ,T₁)φ_B1(λ,T₁)+S₀(λ)

其中，S_B1为红外探测器测量在光阑B限制下标准黑体辐射源在第一个温度点T₁的输出信号，R_B1为红外探测器对应的响应度。

步骤7：步骤6完成后更换光阑，如图4所示，将右侧半开光阑(光阑C)置于光阑槽内并通过定位螺丝定位，标准黑体辐射源保持在步骤5和6中的工作状态不变，使用被测红外探测器进行辐射测量，通过显示计算仪器的输出信号为：

S_C1(λ,T₁)＝R_C1(λ,T₁)φ_C1(λ,T₁)+S₀(λ)

其中，S_C1为红外探测器测量在光阑C限制下标准黑体辐射源在第一个温度点T₁的输出信号，R_C1为红外探测器对应的响应度。

步骤8：步骤7完成后更换光阑，将全黑挡板置于光阑槽内，标准黑体辐射源保持在步骤5-7中的工作状态不变，使用被测红外探测器进行环境杂散辐射测量，通过显示计算仪器获得环境杂散辐射输出信号S₀。

步骤9：根据步骤5-8得到的红外探测器输出信号，基于光通量倍增法，通过显示计算仪器计算得到被测红外探测器在当前标准黑体辐射源辐射亮度下的单次非线性，即在标准黑体辐射源第一个设定温度点时红外探测器非线性NL₁计算函数为：

步骤10：将标准黑体辐射源升温并稳定至第二个温度点，在该温度点上完成步骤5-9中操作，得到标准黑体辐射源温度升至第二个温度点时红外探测器非线性NL₂。根据步骤4中所述标准黑体辐射源设定温度点，并以此类推，分别计算得到在各温度点上的红外探测器非线性NL₃-NL₈。

步骤11：根据上述步骤5-10测量得到的红外探测器非线性NL₁-NL₈，通过显示计算仪器计算得到被测红外探测器在温度范围200-1000℃，工作波长3.9μm上，即辐射亮度180-25000W/(m²·sr·μm)范围内的累积非线性，红外探测器累积非线性计算函数为：

步骤12:上述步骤5-11的测量过程重复3次，红外探测器非线性测量结果取3次测量平均值，即为本发明基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量结果。

综上所述，基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量方法可实现在宽亮度范围上的高精度测量，且严格符合探测器非线性测量原理。基于光通量倍增法的红外探测器非线性测量装置采用标准黑体辐射源为作入射光源，对于被测红外探测器类型不存在明显局限性；采用笼式光学元件固定结构，可保证整体测量光路具有高同轴度；在测量过程中，仅更换光通量倍增光阑，操作过程简便，且光阑在安装过程中具有高重复定位精度，有效减小测量过程中的机械误差。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施方式，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。