第37卷，增刊红外与激光工程
2008年6月V ol.37Supplement
Infrared and Laser Engineering
Jun.2008
收稿日期：2008-06-24
杨俊彦，沈
飞
（上海航天局第803研究所，上海200233）
摘要：在过去的凝视红外成像系统设计中，很少考虑成像系统自身组成部分的背景热辐射对其性能的影响，然而这些热辐射在某些成像系统中却是一个不可忽略的重要因素，尤其是采用非制冷探测器的成像系
统。因为在大多数实际的应用中，成像系统的温度是不可能保持不变的。通过建立系统热辐射对其影响的模型，分析了系统自身组成部分温度变化对其性能的影响，表明了温度变化对系统性能有很大影响，同时提出了一种解决思路。
关键词：凝视系统；温度变化；
非制冷探测器
中图分类号：TN215
文献标识码：A
文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0487-03
Influence on the per formance of star ing infrared imaging system
due to its temper ature var iation
Y ANG Jun-yan,SHEN Fei
（No.803Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 200233,China ）
Abstr act:The background thermal radiation from internal parts of the staring infrared imaging system was usually not considered in designs of the system,however,these therm al radiations are an important parameter that can not be ignored in some imaging systems,especially in the system used the uncooled-detector,because the system temperature is not constant in most practical applications.A model about the background therm al radiation is established,and the influence on the performance of the system due to temperature variation is analyzed,then a prelim inary scheme to solve the problem is put forward.
Key wor ds:Staring system;
Temperature variation;
Uncooled-detector
0引言
随着科技的进步，凝视红外成像系统在民用和国防领域得到了越来越广泛的重视，在电力、消防、冶金、化工、建筑、汽车、电子、军工等诸多行业都显示出了很强的应用价值，如医用热像仪、美国的THAAD 导弹、SBIRS 等都采用了凝视红外成像系统。
在传统的凝视红外成像系统设计中，只考虑了目标和背景的温度变化、乃至光学保护窗口的温度对红外成像系统性能的影响，而系统自身温度的变化往往
对其性能也有一定的影响。对于一些需要在高温环境下使用的成像系统来说，自身温度的变化所产生的噪声会严重影响系统的成像性能。
着重分析了红外成像系统自身温度变化对系统性能的影响；并建立了一个系统辐射的理论模型，分析其对系统噪声及剩余非均匀性等的影响。
1系统接收辐射的数学模型
凝视红外成像系统是通过探测器将红外辐射转
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488红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷
换成电压信号来进行工作的，所以只要是探测器能够接收到的辐射，都会对系统性能产生影响[1-3]。而系统本身（现以采用制冷探测器的系统为例），主要是光学系统和冷屏产生的辐射同样会被探测器接收。所以现在建立的辐射模型，主要包括3部分：背景辐射、光学系统辐射以及冷屏的辐射。
探测器单个光敏元在积分时间内中从背景中接收到电子数的数学模型[4]：
2
1
BB int
o
(,,)()()d x y N IFOV IFOV A T L B B T λλλ
τληλλ∫＝ (1)
式中：BB N 为背景产生电子数；x IFOV 、y IFOV 为探测器单个像元的瞬时视场；A 为光学系统有效口径面积；int T 为探测器积分时间；(,,)L B B T λ为背景辐亮度；o ()τλ为光学系统透过率；()ηλ为系统的量子效率；1λ、2λ为探测器截止波长。
探测器从光学系统辐射中接收到电子数的数学模型：
2
12optic s d int
o o π(sin )(,,)(1)()d N A T L optics T λλθλ
τηλλ=∫ (2)
式中：optics N 为光学系统产生电子数；d A 为探测器单个光敏元尺寸；o (,,)L optics T λ为光学系统辐亮度；θ为探测器接收辐射立体角的半角。
1
arctan 2F
θ=(3)
式中：F 为光学系统的F 数；
最后是探测器从冷屏辐射中接收到电子数的数学模型：
2cold d i n t c 0
π(1sin )(,,)()d N A T L cold T θληλλ
∞
=∫
(4)
式中：cold N 为冷屏产生电子数；c (,,)L cold T λ为冷屏辐亮度。
探测器单个光敏元在积分时间内接收到的电子数是背景、光学系统、冷屏这几部分产生的总和，所以系统产生的总电子数为：
ph B B opti cs cold
N N N N =++(5)
上述公式也可以用来评价采用非制冷探测器的成像系统，式中系统的量子效率要用非制冷成像系统
的吸收比来代替。
由上述的推理可以得到两个结论：
（1）对于采用制冷探测器的系统，冷屏的工作温度相比背景和光学系统而言很低，所以其产生的电子数相对背景和光学系统是可以忽略的。
（2）对于采用非制冷探测器的系统，如微测辐射热计，由于其没有冷屏，由探测器真空封装部分产生
的电子数就会很大，它比背景和光学系统产生电子数要大的多。
2计算分析
现在对一个波长为3～5m 的制冷探测器组成
的成像系统根据上述公式计算optics ph N N 比值，进而分析光学系统温度变化对系统性能的影响[5]。计算结果如图1
所示。
图1光学系统对系统电子数的贡献Fig.1
Optics contribution to the total charge
由上图可见，光学系统对整个系统电子数的贡献从10℃时的2%，增加到了40℃时的20%。当背景的温度为-30℃时，光学系统的贡献约为30%～60%。当背景温度变为-60℃时，光学系统的贡献高达80%以上。
所以，成像系统的性能不仅仅于背景的温度有关，系统内部组成部分的温度也对它的性能也有很大影响。
凝视红外成像系统的一个重要应用就是热像仪。对于采用非制冷探测器的热像仪通常会遇到的一个问题就是接收到的电子大部分来自于系统内部，想要用这样的系统来进行热辐射测量，可以用下面3种办法来解决：
（1）对探测器采用真空包装，确保器件处于一个稳定的环境温度中；
增刊杨俊彦等：凝视红外成像系统温度变化对其性能的影响489（2）增加杜瓦瓶，可以控制系统内部温度的；
（3）测量周围的环境温度，建立一个数字模型来消除温度变化产生的影响；
通常的解决办法就是将探测器真空封装于包含冷屏的杜瓦中。即使是这样，光学系统辐射的影响也是不可忽略的，可以考虑采用以下两种方法来解决这个问题：
（1）测量光学系统的温度，然后用数字方法补偿这个影响；
（2）稳定光学系统的温度。
3成像系统温度变化对剩余非均匀性的影响
剩余非均匀性是影响系统性能的一个重要因素，特别是对高灵敏度的成像系统。传统的基于增益和偏置的非均匀性校正方法中没有考虑成像系统的温度变化。即便是用多点校正方法，它也只能使系统有更大的动态范围，而对系统的温度变化没有任何补偿作用[4,6]。
从非均匀性校正的角度来看，采用了非制冷探测器的成像系统由于没有控制系统内部温度的冷屏，对校正来说是一个严重的问题。探测器接收到的能量大部分都来自系统内部辐射。系统温度的改变严重的影响了探测器接收到的能量分配。
解决这个问题最简单的方法就是在探测器的视场前加一个均匀的辐射源来产生一个新的温度场分布，来补偿温度变化带来的影响。通常的做法是在探测器和光学系统之间周期性的插入一个金属片，最好使用一个漫反射体。因为漫反射体能考虑到杂散光、光学系统热辐射等对探测光敏元的影响。4结论
由光学系统、冷屏等组成的凝视红外成像系统，其内在组成部分的红外辐射也会被探测器所接收，随着系统温度的变化，它将会影响到整个系统的性能。当目标温度较低时，系统温度的变化对系统性能影响更大，当系统温度较高时，目标信号有可能被系统产生的噪声淹没，特别是对于采用了非制冷探测器的成像系统。同时，系统温度变化对剩余非均匀性也会产生影响，在探测器和光学系统中插入一个周期性的金属片可以有效地克服温度变化对其的影响。
参考文献：
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