红外成像系统作用距离计算.pdf

第4 0卷 第7期 2 0 1 0年 7月 激 光 与 红 外 L A S E R I NF R ARE D Vo 1 4 0 No 7 J u l y，2 01 0 文章编号：1 0 0 1-5 0 7 8(2 0 1 0)0 7-0 7 1 6 4 3 4 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 1 0 0 0 1 5)红外技术 摘要：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：T N 2 1 6 文献标识码：A Ca l c u l a t i o n o f f u n c t i o n r a n g e o f i n f r a r e d i ma g i n g s y s t e m A N C h e n g b i n，Z H A N G X i n i n g，C H E N Y i n g，Y I N J i n-j i a n (N o a h C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E l e c t r o-o p t i c s，B e ij i n g 1 0 0 0 1 5，C h i n a)Ab s t r a c t：I t a n a l y z e d s o m e m a j o r p e rf o r ma n c e p a r a m e t e r s o f t h e I R i m a g i n g s y s t e m B a s e d o n t h e a t mo s p h e r e e o n d i t i o n s，t h e t arg e t g e o me t r i c s h a p e a n d t h e t h e r mal r a d i a n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t arg e t s a n d b a c k g r o u n d s，w i t h t h e n e c e s-s a r y c o r r e c ti o n，t h e s y s t e m f u n c t i o n r a n g e u n d e r t h e r e q u e s t s o f d i ff e r e n t d e t e c t i o n a n d r e c o g n i t i o n w a s c a l c u l a t e d T h e c alc ula t i o n c a n b e a c c o mp l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c al mo d e l o r t h e e x p e rime n t a l d a t a f r o m l a b，a n d i t c a n b e u s e d f o r s p o t t a r g e t s a n d c o v e r t arg e ts Ke y wo r d s：i n f r a r e d i ma g i n g s y s t e m；f u n c t i o n r a n g e；t a r g e t；b a c k g r o u n d 1 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 N E T D、最小可分辨 温差 M R T D、最小 可探测 温差 MD T D 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 N E T D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 时标准试验图形上黑体 目标 与背景的温差。N E T D的公式可表示为：。=式中，A T为测量温差；为峰值信号电压；为均 方根噪声电压。N E T D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(1 9 7 4一)，男，本科，高 级工程师，主要从事红 外成像系统及光电系统的研究工作。E m a i l：a n c h e r Ig b i n s i n a t o m 收稿 日期：2 0 1 0-0 5-2 3 激 光 与 红 外N 0 7 2 0 1 0 安成斌等红外成像系统作用距离计算 7 1 7 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(A 8)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 N E T D的通用公式可以表示为：N E T D：堕 (2)6 0 D D 2 d l V 1 T dM 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H A p 射常数。通过 N E T D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 MR T D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。M R T D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【NE T_DD r MR T D：(3)r s t e F 式中，=O d 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 2 s；F为帧频，H z。红外成像系统的 MR T D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 M R T D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(f o=1 2 0)的值作为 MR T D的标称值。MR T D还可以用另一种表达的方式：M R T D(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 MD T D。MD T D和 MR T D的区别在于 MD T D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。MD T D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 M T F；，(，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 MR T D 后，由于在极限频率时，M R T D为无穷大，则 MD T D 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。T D(f)=u2(S N 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 MT F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 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 7 1 8 激 光 与 红 外 第4 0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。1 I1t t 1 1 H f0 c Io 2 J【I I 【l l。【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 M R T D 为：MR T。=，M R T D (8)设 目标的宽度为 D(m)，高度为 H(r n)，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 2 y)，则有：=2 T D H (9)设 目标距系统的距离为(k m)，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 (2 7)(m)，目标 的空间 频率(c m r a d)为：=y R H(1 O)将公式(1 0)通过推算可 以得到有关 R的曲线 MR T D (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 M R T D (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 k m 图2 作用距离解算 图 F i g 2 c a l c u l a t e$c h c f u a o f f u n c t i o n r a n g e 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 1 3 1 2 9 2 4 O 9 5 2 8 6 1 6 0 8 1 5 6 4 5 1 2 O 5 1 O 4 3 8 0 3 O 7 5 3 2 2 5 6 0 1 0 5 2 1 5 4 O O 2 O 2 5 l 0 7 5 2 0 O 0 O 7 6 5 4 3 2 l 口 将 蜊 K越 0 一 工 v 篁 激 光 与 红 外N o 7 2 0 1 0 安成斌等红外成像系统作用距离计算 7 1 9 以上 的作用 距 离 的计算 是 根据 理论 得 到 的 MR T D进行的。如果在实验室针对标准图案，在一 定温度下测得 的 M R T D数据，除了上述的修正外，还需对 MR T D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：K i=X r (1 1)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(P 1)，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：K 2=(P。)(P 2)(1 2)修正后的 MR T D为：MR T D ：k l k (1 3),2 7 在完成上述 必要 的修正 后，利用 与理论 计算 MR T D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 N E T D的数 据直接计算。N E T D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 N E T D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 M T F性能引 起的目标大小对 N E T D的影响，即 目标在一个 瞬时 视场大小时对热像仪 N E T D所引起的下降，假定此 时的 N E T D为 N E T D d。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 ab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 N E T D d 的数据。而当 0 ，b 口时，由于 目标 只有在 ab角度内起作用，所 以对 N E T D 还必须 进行修正，此时：NETD=aff b N E T D d(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：a b=S R (1 5)温差 经大气衰减后成为 ，近似为：AT=A T o 。=A T o e 一 (1 6)如果要在阈值信噪比(V o)下探测到 目标，必 须使：A T=(v o)N E T D d (1 7)因此：e 一 洲=(L )N E T D d R S(1 8)o R+2 ln R=In【而】(19)式中，为大气消光系数；|s 是目标投影面积；A T o 是 目标与背景的实际温差；O l J B是红外成像系统在水 平、垂直方向瞬时视场角的乘积；N E T D 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，N E T D的减小有助 于提高作用距离。但 由于式(1 9)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(1 8)和式(1 9)也可表示成：。=(I 1,)N E T D d R S z o 当 值不清楚时，可利用 L O WT R A N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，1 9 9 0 3 K N L I O U 大气辐射导论 M 郭彩丽，周诗健，译 北 京：气象出版社，2 0 0 4 4 陈玻若 红外系统 M 北京：兵器工业出版社，1 9 9 5 5 R D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，1 9 7 5