红外成像系统作用距离计算

第40卷第7期2010年7月激光与红外LASER＆INFRAREDVo1．40．No．7July，2010文章编号：1001-5078(2010)07-0716434红外成像系统作用距离计算安成斌，张熙宁，陈盈，殷金坚(华北光电技术研究所，北京100015)·红外技术·摘要： 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了红外成像系统的几个主要性能参数。根据大气环境条件、目标几何形状以及目标和背景热辐射特征，进行了必要的修正，完成了不同探测及识别要求时系统的作用距离计算。计算可根据理论模型或实验室实测数据进行，并适用于点目标和面目标。关键词：红外成像系统；作用距离；目标；背景中图分类号：TN216文献标识码：ACalculationoffunctionrangeofinfraredimagingsystemANCheng—bin，ZHANGXi—ning，CHENYing，YINJin-jian(NoahChinaResearchInstituteofElectro-optics，Beijing100015，China)Abstract：ItanalyzedsomemajorperformanceparametersoftheIRimagingsystem．Basedontheatmosphereeondi—tions，thetargetgeometricshapeandthethermalradiantcharacteristicsofthetargetsandbackgrounds，withtheneces-sarycorrection，thesystemfunctionrangeundertherequestsofdifferentdetectionandrecognitionwascalculated．Thecalculationcanbeaccomplishedaccordingtothetheoreticalmodelortheexperimentaldatafromlab，anditcanbeusedforspottargetsandcovertargets．Keywords：infraredimagingsystem；functionrange；target；background1引言随着微电子技术的飞跃发展，红外探测器的研制水平在不断提高，热成像技术在探测器研制工艺不断成熟的基础上，从采用单元探测器加二维光机扫描、多元线阵探测器加一维光机扫描，发展到不需光机扫描的“凝视”型红外热成像系统，在军事上广泛应用于空间防御、火控、昼夜观察、成像制导等领域。由于目标、背景和环境特征的复杂多变性，如何准确的评价红外成像系统的综合性能，在红外成像系统的论证、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和测试的每一个环节都是十分重要的。基于目标、背景和大气环境的特征参数，本文运用红外成像系统的光、机、电部件的性能参数，建立理论模型，从而给出描述红外成像系统总体性能的度量参数：噪声等效温差NETD、最小可分辨温差MRTD、最小可探测温差MDTD以及作用距离兄。同时采用必要的修正法，对红外成像系统的作用距离进行综合评估。2红外成像系统的主要性能参数2．1噪声等效温差噪声等效温差NETD定义为：系统观察试验图案时，基准电子滤波器输出端产生的峰值信号与均方根噪声比(S／N)为1时 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 试验图形上黑体目标与背景的温差。NETD的公式可表示为：⋯。=式中，AT为测量温差；为峰值信号电压；为均方根噪声电压。NETD的定义中所假定的条件，在实验室中是比较容易满足的，而在实际使用中，此条件是不易满足的。红外成像系统所探测到的物体往往不是黑体，至多是灰体，也可能是选择性辐射体，而且其辐射率相差可能很大，再加上物体表面能够反射周围物体的辐射(这又与物体表面的反射率有关)，因此作者简介：安成斌(1974一)，男，本科，高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，主要从事红外成像系统及光电系统的研究工作。E·mail：ancherIgbin@sina．tom收稿日期：2010-05-23激光与红外N0．72010安成斌等红外成像系统作用距离计算717红外成像系统所接收到的辐射是目标之间存在的温差(△)、辐射率差(A8)和反射率差(△p)的总和。显然这三者的影响是等效的。在红外成像系统观察景物过程中，被观察物体均为充满瞬时视场的大面源，假定在整个大面源中各个小面积存在着温差、辐射率差和反射率差。如果把正在观察的探测器元瞬时视场当作目标时，则周围的探测器元对应的瞬时视场均可看作背景。目标和背景由于存在着温差、辐射率差和反射率差，于是每个探测器元就产生了信号差，这种差别最终形成了图像的灰度。经过整理，对于光子探测器和热探测器的NETD的通用公式可以表示为：NETD：——堕(2)60DD2dlV1~TdM．式中，0，b为探测器水平和垂直尺寸；O／，为系统瞬时视场；D。为系统的有效接收孔径；。为光学效率；D·为红外探测器的峰值探测率；j为辐1口』HAp射常数。通过NETD的通用公式可以看出在红外成像系统中，用定量的表示法说明组成系统的各个部件的参数与系统的总体参数之间的关系，可以直接评价各个部件对总体指标的贡献。2．2最小可分辨温差最小可分辨温差MRTD定义为对四条带图案(高度为宽度的7倍)观测时，显示屏上刚能分辨出条带图案时条带与背景的温度差，称为该组目标基本空间频率下的最小可分辨温差。MRTD公式的推导涉及噪声、滤波器、视觉心理学等方面的许多知识，非常复杂。这里给出有关文献的推导结果：1【NET___DD]rMRTD：(3)rsteF式中，=Od×p(r)；r为探测器滞留时间，s；为热像仪总的传递函数；t为人眼的有效积分时间，一般取0．2s；F为帧频，Hz。红外成像系统的MRTD值与空间频率有关，式中是线性关系，实际上由于其他参数的影响，成对数关系。而且理论上当线条宽度为瞬时视场()一半所对应的空间频率(=1／0)为极限空间频率，此时MRTD值为无穷大，这就限制了目标的最远识别距离。为了比较各个热象仪的性能，又往往将(fo=1／20)的值作为MRTD的标称值。MRTD还可以用另一种表达的方式：MRTD(f)=(S／N【(4)式中，(S／N)为观察者刚好可识别的阈值信噪比。2．3最小可探测温差对于位于均匀背景中的单个方形目标(其尺寸为)，在显示屏上刚能分辨出目标时所需的目标与背景的温差，定义为最小可探测温差MDTD。MDTD和MRTD的区别在于MDTD由于使用的为单个方形靶，当空间频率升高时，不存在极限的空间频率，也就是说不管目标大小如何，只要温度足够高，总是可以探测到的。MDTD的计算公式为：1．MDTD：1／2=二MRTD(，：l／2(5)式中，为系统的总调制传递函数MTF；，(，Y)为是规一化为单位振幅的方形目标物函数O(，Y)的像函数，(，Y)的平均值，对于比探测器立体角小得多的目标，其值可化为目标立体角张角与探测器立体角张角之比。上述公式计算比较困难，而且式中引入MRTD后，由于在极限频率时，MRTD为无穷大，则MDTD也成为无穷大，所以此式使用有局限性，通常采用下面的公式进行计算：M。TD(f)=u'2(S／N[㈤式中，(S／N)。为观察者刚好可探测的视觉阈值信噪比；。为考虑人眼滤波的系统带宽；f。为人眼积分时间；F为帧频。当确定，(，Y)后，上式就可以进行手工计算。2．4调制传递函数根据线性滤波理论，对于由一系列具有一定频率特性(空间的或时间的)的各个部件所组成的红外成像系统，其整个系统的传递函数为各个部件的传递函数乘积。由于每个红外成像系统中所包含的各个部件在性能上是有差异的，所以在设计时必须对选定部件的MTF进行单独计算，再得到系统总的调制传递函数。要考虑的内容包括光学、探测器、电子线路、显示、人眼等。各个组成部分的计算本文就不详细论述了。3红外辐射的大气衰减红外辐射在通过介质(如大气、光学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 等)时，由于受到介质材料的吸收、散射或反射的影响，会引起衰减，对于某些波长，甚至会完全不透过。本718激光与红外第40卷文主要讨论红外辐射在大气中的衰减，主要体现在大气的吸收和散射两个方面。大气是由气体、固体微粒和液体微粒所组成，对红外传输的光谱透过情况如图1所示。1I1tt11Hf0cIo2J【II{【‘ll。【．．．数为4。在野外探测目标时，考虑了目标外形尺寸的修正值，则修正后的MRTD为：MRT。=，MRTD(8)设目标的宽度为D(m)，高度为H(rn)，其临界尺寸为日(等于最小的被观测尺寸)，探测或识别所要求的线对数为，则将目标沿垂直于日方向分为宽度为(2)的线对，每一条带的长宽比为D／(H／2y)，则有：=2TD／H(9)设目标距系统的距离为(km)，目标的临界尺寸为日(m)，系统完成探测或识别的线对数为，则等效的每一条带宽度为H／(27)(m)，目标的空间频率．(c／mrad)为：=yR／H(1O)将公式(10)通过推算可以得到有关R的曲线MRTD(R)。根据大气气象条件可计算出作用波段的大气透过率丁。(R)和目标与背景的等效黑体温差△。这样由曲线MRTD(尺)和。()△的交点(作用距离解算图如图2所示)即可得到距离R。距离／km图2作用距离解算图Fig．2calculate$chcfuaoffunctionrange红外成像系统探测、识别和辨认概率与线对数y的关系如表1所示。表1概率与可分辨线对数的关系概率探测识别(保守／一般)辨认1312／924O．9528／6160．81．56／4．512O．51．O4／380．3O．753／2．2560．10．52／1．54O．O2O．25l／0．7520O0O765432l／口将蜊K越0^一工v篁激光与红外No．72010安成斌等红外成像系统作用距离计算719以上的作用距离的计算是根据理论得到的MRTD进行的。如果在实验室针对标准图案，在一定温度下测得的MRTD数据，除了上述的修正外，还需对MRTD进行以下修正即可完成作用距离的计算。设测量是在标准温度()下进行的，野外环境下的目标温度为()，则温度修正因子为：Ki=Xr(11)由于在实验室测量时，通常是在一定的探测或识别概率要求下进行的，此时图像信噪比取为K(P1)，而在野外探测或识别目标时，是在另外的探测或识别概率要求下进行的，此时图像信噪比取为K(P)，则信噪比修正因子为：K2=(P。)／(P2)(12)修正后的MRTD为：MRTD：klk(13),／2／7在完成上述必要的修正后，利用与理论计算MRTD的相同方法，即可完成作用距离的计算。4．2点目标当红外成像系统探测很远的目标时，这类目标在系统焦平面上的像很小，以致目标的张角小于或等于系统的瞬时视场角，这时称目标为点目标。在点目标探测情况下，目标细节已不可能探测，但从能量的观点看，只要信号足够大就能探测到，即要求信噪比达到探测阈值。估算点目标的探测距离，可以利用NETD的数据直接计算。NETD公式在推导过程中是针对一个像素进行的，但是忽略了光学传递函数的影响，而NETD的测量值不是针对一个瞬时视场的测试结果，所以精确计算时还必须考虑由整机MTF性能引起的目标大小对NETD的影响，即目标在一个瞬时视场大小时对热像仪NETD所引起的下降，假定此时的NETD为NETDd。如果红外成像系统的瞬时视场为×，目标在一定距离上的实际张角为a×b，当a≥a，b≥时，可认为目标的能量可全被探测器接收，这时可直接利用NETDd的数据。而当0≤，b≤口时，由于目标只有在a×b角度内起作用，所以对NETD还必须进行修正，此时：NETD=aff~bNETDd(14)若目标观察方向的正交截面内投影面积为s，离红外成像系统距离为，与背景的温差为△，则：ab=S／R(15)温差△经大气衰减后成为△，近似为：AT=ATo。=AToe一(16)如果要在阈值信噪比(／Vo)下探测到目标，必须使：AT=(／vo)·NETDd(17)因此：△e一洲=(L／)··NETDd·R／S(18)o'R+2lnR=In【而】(19)式中，为大气消光系数；|s是目标投影面积；ATo是目标与背景的实际温差；Ol×JB是红外成像系统在水平、垂直方向瞬时视场角的乘积；NETD是红外成像系统在目标为一个瞬时视场时的噪声等效温差；L／是要求的极限信噪比；为热像仪的探测距离。可见，s，△的增加以及，，NETD的减小有助于提高作用距离。但由于式(19)右端要作自然对数运算，使这些量的变化对作用距离的影响不太显著。另外，消光系数的减小对提高作用距离有利。但要注意，值也是波长A和作用距离的函数。式(18)和式(19)也可表示成：△。=(I1,／)··NETDd·R／Szo当值不清楚时，可利用LOWTRAN程序计算出．r。和距离的关系，用逼近的方法得到。5结论本文通过对红外成像系统的几个关键性能参数的推算，将影响系统作用距离的各个环节进行了详细的论述，并根据实验室和实际野外试验的不同情况，对系统作用距离的计算进行了修正。根据本文提出的作用距离计算方法，可以在系统研制的初期进行性能指标的预计，为系统的前期论证、研制及后期测试提供了一定的借鉴作用。参考文献：[1]张建奇，方小平．红外物理[M]．西安：西安电子科技大学出版社．[2]杨臣华，梅遂生，林钧挺．激光与红外技术手册[M]．北京：国防工业出版社，1990．[3]KNLIOU．大气辐射导论[M]．郭彩丽，周诗健，译．北京：气象出版社，2004．[4]陈玻若．红外系统[M]．北京：兵器工业出版社，1995．[5]RD小哈得逊．红外系统原理[M]．《红外系统原理》翻译组，译．北京：国防工、I出版社，1975．