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Efficient infrared radiation calibration method for wide dynamic range infrared radiation measurement systems

本文提出了一种针对宽动态范围红外辐射测量系统的高效校准方法，该方法利用综合非线性响应模型，在显著缩短校准时间的同时，能够适应更广泛的系统配置，且无需对光学衰减或积分时间有严格的线性要求。

原作者： MU GU, XIANG PENG, SUJUN LI, QIFENG REN, JINMEI ZHOU

发布于 2026-09-23

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原作者： MU GU, XIANG PENG, SUJUN LI, QIFENG REN, JINMEI ZHOU

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在热量的隐形世界里，物体并不发出可见的光色，而是闪烁着红外光。科学家们依靠专门的相机来观测这些肉眼看不见的事物。这些仪器对于探测天空中的飞行器、检查隐身材料的完整性，以及在不接触物体表面即可测量温度至关重要。为了确保这些相机的准确性，必须对其进行校准：这是一个教机器学会针对每一种特定的输入热量产生多少数字信号的过程。这通常是通过将相机对准一个“黑体”来完成的，黑体是一个可以设定为精确温度的完美热源。然而，当这些相机需要观察从低温地面物体到高温发动机等不同目标的场景时，必须配备可变设置。它们使用滤光片来减弱强光，并调整“观察”场景的时间长短，以捕捉到正确的细节。问题在于，为具有如此多不同设置的相机进行校准是一项缓慢且繁琐的工作。它需要拍摄数千张照片，涵盖数十种不同的温度，这一过程可能需要整整一天或更长时间，在此期间，实验室自身温度的变化可能会破坏测量结果。

来自中国科学院的一个研究小组开发出了一种方法，可以在不牺牲准确性的情况下大幅缩减这一时间。他们不再将每一种滤光片和相机设置的组合视为一个需要独立规则的单独问题，而是创建了一个能够理解整个系统如何协同工作的统一数学模型。他们意识到，输入的热量与相机拍摄的图像之间的关系并非简单的直线；它会根据滤光片阻挡光线的程度以及相机捕捉图像等待的时间而发生弯曲和偏移。通过构建一个能够解释这些曲线和偏移的模型，研究人员仅需极少的数据点即可确定相机的行为。在测试中，他们将校准所需的温度阶梯从二十四个减少到了仅五个。这一改变将校准时间从超过二十二小时缩减到了其中的一小部分，使得系统能够更快地投入使用。

研究人员在一种具有600毫米镜头的大型红外成像系统上测试了这种新方法，该系统能够观测特定红外波段的热量。他们为相机配备了三种不同的滤光片，分别允许100%、10%和1%的光线通过，并测试了四种不同的图像捕捉速度。按照旧的方法，要校准这个系统，他们必须拍摄热源在摄氏50度到1200度之间、每隔50度为一个步长的温度下的照片。这需要捕捉数百张图像，并等待热源在每一个步骤都达到稳定，整个过程耗时22小时10分钟。使用新方法，团队仅选择了五个能提供跨所有设置最有价值信息的特定温度。他们将这几个数据点输入到复杂的模型中，利用精密的计算过程来推算出整个系统的行为。其结果是一套可以高精度预测任何设置下相机响应的规则。

当他们将这种高效方法的测试结果与传统的、缓慢的方法进行对比时，发现两者的准确性几乎完全一致。新方法产生的平均误差为1.81%，非常接近传统方法的1.03%误差。这意味着相机同样可靠，但准备好投入工作的时间仅为原来的一小部分。研究人员还将他们的方法与此前其他科学家提出的另一种“快速”校准技术进行了对比。那套旧的快速方法假设相机的响应是完美的、可预测的，就像一把直尺。然而，现实世界的相机很少如此完美，它们的响应曲线往往带有轻微的弯曲。由于新方法考虑了这些弯曲，因此在实际设备上的表现远优于后者。旧的快速方法产生的误差过大，无法投入使用，这证明了试图将简单的直线解强加于复杂的曲线现实之上会导致错误。

该团队还将这种逻辑应用于一种被称为“内外”校准的更复杂的校准技术，这种技术用于单个热源无法覆盖所需整个温度范围的情况。这种方法通常涉及使用一个大型低温热源来校准温度较低的一端，以及一个小型的高温热源来校准温度较高的一端，然后将两者拼接在一起。这种拼接过程是出了名的困难且耗时。通过使用他们的统一模型，研究人员能够高效地完成这种拼接，将所需的温度点从二十六个减少到了六个。最终的准确性表现出色，平均误差仅为2.08%，远优于传统“内外”校准法所表现出的25.8%误差。这一成功表明，通过理解光与时间在相机内部相互作用的底层物理机制，科学家可以绕过详尽的测试。

这项工作之所以重要，是因为它改变了这些强大工具的部署速度。在航空航天或国防等领域，地面系统必须不断监测天空中的目标，能够快速重新校准传感器具有显著优势。如果因为天气变化或设备移动而需要重新校准系统，旧方法会让系统停用近上一整天。新方法则允许在几小时甚至几分钟内完成重新校准，具体取决于设置情况。研究人员证明，这种效率提升并没有以牺牲精度为代价；相机的准确度依然如初。通过不再将每种设置视为需要独立校准的个体，而是拥抱一个将整个系统视为一个连接整体的模型，该团队使红外测量变得更快速、更灵活，也更适用于实际应用。

技术摘要：宽动态范围红外辐射校准的高效方法

问题陈述
宽动态范围红外辐射测量系统对于目标检测、隐身材料评估及非接触式温度测量至关重要，这类系统通常采用可变光学衰减器和可调积分时间来适应不同的目标辐射水平。这些系统的传统校准方法——特别是准直器-黑体法、近距离扩展源法和内外校准法——依赖于为每种积分时间与衰减设置的组合分别拟合线性模型。这种方法需要大量的校准温度点（例如，在50°C至1200°C范围内以50°C为间隔，共计24个点），导致校准时间过长（在报告的实验中超过22小时），并可能因校准过程中的环境温度漂移而产生误差。虽然现有的快速校准方法（如Luo、Li、Chang和Yang提出的方法）试图将这些变量整合到一个模型中，但它们往往依赖于在衰减和积分时间维度上都满足严格线性假设。这些假设限制了它们在存在非线性现象的系统中的适用性，并且往往无法充分整合实现高温度范围覆盖所需的内外校准概念。

方法论
本文提出了一种统一且高效的校准框架，通过以下三个主要技术改进解决了上述局限性：

全面的非线性系统响应模型：
作者开发了一个考虑涉及光学衰减器和积分时间能量传递机制的数学模型。与以往的线性模型不同，该方法包含：
- 非线性衰减校正： 使用二次函数 ( $\alpha_1\tau^2 + \alpha_2\tau + \alpha_3$ ) 来模拟实际透过率与设计透过率之间的关系，以解决衰减器性能偏差问题。
- 衰减器自辐射： 模型包含了衰减器的发射率 ( $\epsilon = 1-\tau\sigma$ ) 及其热辐射贡献。
- 积分时间非线性： 引入二次和三次校正项 ( $t^2, t^3$ )，以解释系统对积分时间响应的非线性特征，特别是针对热杂散辐射偏移。
  最终得到的方程（方程5）包含11个未知参数 ( $R_0, \alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, B_{out1}, B_{out21}, B_{out22}, B_{out23}, \sigma, B_{att}, B_{det}$ )，这些参数是使用非线性优化算法（内点法）而非简单的线性最小二乘法进行估计的。
与内外校准的集成：
该模型旨在具有普适性，能够无缝集成内外校准概念。这使得框架可以通过以下方式覆盖全光路和全温度范围：
- 在共同温度范围内进行高效的外校准（使用扩展源或准直器-黑体）。
- 在高温度范围内进行高效的内校准（使用空腔黑体）。
- 在重叠温度范围内推导校正系数 ( $a$ 和 $b$ )，从而将内外校准方程统一为一个适用于全温度范围的模型。
高效的数据采集策略：
通过利用统一的非线性模型，该方法大幅减少了所需的校准点数量。该方法并非在所有设置下进行密集采样，而是选择一组极简的黑体温度点（例如，准直器-黑体法为5个点，内外校准法为6个点），以确保在各种衰减器和积分时间的线性灰度范围内均有有效数据覆盖。

核心贡献

统一框架： 本文提出了一个能够同时处理所有工作设置（衰减和积分时间）的单一校准方程，消除了为每种配置单独建立校准方程的需求。
非线性处理： 通过引入针对衰减和积分时间的二次及三次校正，该方法打破了以往快速校准方法（如Yang的方法）中存在的严格线性约束，使其适用于更广泛的红外辐射测量系统。
全覆盖： 该方法成功集成了内外校准概念，确保了从环境温度到高温（高达1200°C）的准确校准，不受扩展源黑体的限制。

实验结果
所提方法通过两个实验装置进行了验证：一个600mm口径系统（准直器-黑体法）和一个450mm口径系统（内外校准法）。

效率：
- 在准直器-黑体实验中，所提方法仅使用 5个黑体温度点，就将传统的22小时10分钟（24个点）的校准时间缩减到了极短的时间内。
- 在内外校准实验中，该方法实现了四倍的效率提升，相比于传统内外校准法所需的26个校准点，仅需 6个校准点。
精度：
- 准直器-黑体： 所提方法的平均相对误差为 1.81%，接近传统方法的1.03%。相比之下，Yang的方法由于依赖严格的线性假设，在高衰减设置下表现出显著更大的误差。
- 内外校准： 对于需要校正的设置，所提方法的平均相对误差为 2.08%。这明显优于传统内外校准法（平均误差25.80%），且与全温度范围黑体-准直器法的表现相当（平均误差1.84%）。传统内外校准法无法为未在校正过程中明确使用的设置提供满意的结果。

意义
本文声称，这种高效的校准方法通过显著减少校准时间和人力成本，同时保持高精度，为宽动态范围红外系统提供了切实可行的解决方案。通过克服以往快速方法中的线性约束，并将不同的校准技术（准直器、扩展源和内外校准）统一在一个非线性框架内，该方法增强了红外辐射校准的普适性。作者指出，该方法具有重要的科学价值和工程应用前景，特别是在提高系统任务响应效率以及减轻校准过程中环境温度波动影响方面。

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