1、第7卷 第18期 2007年9月1671 1819(2007)18 4587 04科 學 技 術 與 工 程ScienceTechnologyandEngineeringVo.l7 No.18Sep.20072007 Sc.iTech.Engng.通信技術點源目標的紅外成像系統作用距離分析黃 靜 劉朝暉 鄧書穎(中國科學院西安光學精密機械研究所,西安710068)摘 要 紅外系統的作用距離是紅外探測系統的一個重要的綜合性能參數,它直接影響紅外圖像的像質,從而影響目標的提取與識別。基于NETD和NEFD對紅外成像系統的作用距離進行了詳細的分析,以便在設計中參考使用。關鍵詞 點源目標 NETD N

2、EFD 紅外成像系統 作用距離中圖法分類號 TN219; 文獻標識碼A紅外成像系統的作用距離遠近直接影響到采集的紅外圖像的信噪比,也就是說直接影響圖像的像質,從而給目標的提取與識別帶來了很大的困難。因此,在這里有必要對紅外成像系統的作用距離進行詳細的分析。紅外系統的作用距離是探測系統的一個重要的綜合性能參數。當目標相對系統的張角小于系統的瞬時視場時,系統不能分辨,這時可將目標看成點輻射源。紅外系統接收點輻射源的能量與其間的距離有關,距離越遠接收到的能量越少,與接收到的最小可用能量相應的距離稱為系統的作用距離1公式可以避免其中的一些的不足。尤其是避免了對大溫差目標進行校正的問題。1 基于成像系統

3、NETD估算作用距離當系統的噪聲僅受探測器的噪聲所限制時,對于紅外探測系統的作用距離,傳統的分析方法主要以目標的輻射功率在探測器上的響應是否滿足信噪比要求為依據,其具體的公式如下:a It0D0DR=sAd 2*1/2(1)。其(1)式中:R為探測系統的作用距離;It為點源的紅外輻射強度; a為大氣平均透過率; 0為光學效率;D為探測器的比探測率;D0為系統的通光口徑;Ad為敏感單元面積; f為系統寬帶: f=1/2T,T為積分時間,積分時間取1ms, f為500Hz;由噪聲等效溫差的定義可得1,21/2*在用紅外熱像儀探測目標的場合,往往用熱成像系統的作用距離方程來估算作用距離。目前紅外熱像

4、儀的性能指標都給出了NETD(等效噪聲溫差)的數值。因此,有必要推導出用NETD表達的作用距離公式,以便進行準確的計算,使用起來也更為方便。但是用NETD表達的距離公式,存在一定的缺陷。如果用NEFD(等效噪聲照度差)表示作用距離2007年5月24日收到第一作者簡介:黃 靜(1978 ),研究方向:光電經緯儀。E mai:lhuangjing1631。:(2)Ad NETD=!0 0DXT高低張角的乘積;XT為微分輻射量。把(2)式代到(1)式中可得:R=2其(2)式中:!為探測器敏感元的水平張角和It aNETDs!XT(3)4588科 學 技 術 與 工 程7卷2,3又:It=T#At %

5、4從圖1可以計算得(4)(5)-4:(8)Et=當(=0時,Et=Itcos(aR RC2 %TXT=式中:=5.67 10-12ItaR。RW!cm!K,系斯蒂芬系4數;#:目標表面材料的發射率;%2:探測器的工作波段的下限;C2=1.4388 10&m!K,系第二輻射系數;At:敏感元面積;T:目標溫度; %:探測器工作波段上下限的相對能量差。把(4)式和(5)式帶入(3)式可得:%2At#T aR=C2NETD!s/n(6)在信號處理過程中往往會引起信號損失,所以引入了信號損失系數(根據經驗,一般取34),這時作用距離就成為:%2At#T aR=C2NETD!s/n圖1 點源產生

6、的輻照度(7)表1 不同環境溫度下目標的輻射強度環境溫度/#點源輻射強度W/Sr103.46204.4306.3該方法存在一定的局限性,主要表現在四個方面1:(1)在NETD的推導中,假設了目標和背景都是黑體;而實際觀察的目標不是黑體,至多是灰體,灰體的輻射比各不相同;(2)NETD只反映了光學系統、探測器及一部分電路的特性,而沒有考慮目標到探測器之間的噪聲源;(3)該算法考慮到目標到靶面上的輻射功率是否滿足探測要求,未考慮背景的影響;(4)該方法未考慮成像點的彌散及其影響。(2)背景輻射在紅外系統入瞳上的輻照度Eb:Eb=Lb()-)t) a(9)其(9)式中:Lb:背景的輻射亮度;):紅外

7、系統的瞬時立體視場角;)t:目標對光學系統的中心所張的立體角。根據紅外與微光技術(國防工業出版社)給出的背景輻照度與波長和背景溫度的關系數據及紅外技術原理手冊(國防工業出版社)給出的白天和夜晚的天空亮度實驗曲線,可以給出下列數據。表2 不同環境溫度下天空輻亮度Lb(W/cm2)環境溫度10#1.0 10-41.2 10-420#1.15 10-41.45 10-430#1.2 10-41.62 10-42 基于成像系統NEFD估算作用距離當系統的噪聲并不以探測器噪聲為主,而是點源周圍背景產生的噪聲超過了探測器噪聲,此時就應該考慮用NEFD來估算作用距離。(1)點源在紅外系統入瞳上的輻照度為Et

8、: 點源輻射強度為It;點源到被照面的距離為R;dA對;夜晚白天(3)紅外系統總的輻照度:E=Et+Eb的輻照度:(10)(4)當背景充滿探測單元時,紅外系統入瞳上18期黃 靜,等:點源目標的紅外成像系統作用距離分析4589E=Lb) aR(5)目標與背景在入瞳上的輻照度差: E=E-E=It-LbAt2aR (At=)tR)R(11)12km的范圍內,意義最大的是水汽和二氧化碳氣體分子對輻射的選擇性吸收。除吸收外,輻射通量還受空氣分子散射和受存在于大氣中的各種粒子 鹽晶、風從地面刮起的(12)(6)入瞳上的輻照度差 E與系統的噪聲等效輻照度的比為s/n:s/n=因此:(NEFD=Lb) a(

9、R)NEFDR=2塵埃、燃燒的殘渣、水滴和冰晶的散射(氣溶膠散射)。精確計算氣溶膠散射是困難的,因為必須知道引起散射的氣溶膠物質的含量、尺寸、形狀和組分。所以大氣透射窗輻射通量的散射多在實際研究結果的基礎上加以考慮。表3為能見度%20km,距離10km時的大氣透過率。表3 大氣透過率環境溫度/#相對濕度10#20#30#35#40#45#(13)It-LbAt aR。NEFDs/n(7)從(9)式可以看出,背景在系統入瞳上產生的最大輻照度為Lb) aR。當點源所在的分辨單元上的背景輻射亮度為0,而鄰近單元上的背景輻射亮度為最大值Lb。此二單元在入瞳上引起的輻照度差為:ItaR-Lb) aR于背

10、景產生的輻照度ItR或:21300.36940.29370.23620.219400.32890.26710.211500.30370.2440.1920.1650.130.1370.10.1280.078(14)0.18970.168若要探測到點源目標,必須使上面的差值不小,即要求:(15)(16)圖2為海拔1100km,能見度20km和能見度15km時不同溫、濕度的大氣透過率曲線。a-Lb) aR%Lb) aRR&2It2Lb)由此可見,為獲得最大探測距離,為了在背景干擾很大的情況下探測到點源目標,瞬時視場必須盡可能地小。3 估算紅外測量系統作用距離3.1 大氣透過率計算對庫爾勒的

11、大氣進行透過率計算。平均海拔為1100m左右,地質均為砂石結構,局部地形波浪起伏。場區位于內陸溫帶干旱區,屬大陸型氣候,降雨少蒸發量大,日照時間長,晝夜溫差大。冬季漫長,達6個月,夏季干熱,春秋季短。大氣對紅外輻射的衰減主要是指水汽、二氧化碳氣體、臭氧、甲烷的選擇吸收以及大氣中懸浮態微粒的散射。在波長超過1&m波段和高度達圖2 大氣透過率曲線大氣透過率隨目標與探測器距離的變換而變化,隨著距離的增加,大氣的紅外透過率越來越小,目標發出的紅外輻射到達探測器的份額也越來越少,如圖3。3.2 作用距離計算對一表面材料發射率為#=0.78的青銅圓柱,At=35mm 500mm來說,當C2=1.4

12、388 104&m!K,%=2=3&m,NETD300K=25mK,3,s/n=5.5,T=600K,!=1.235 10, .25;a=0目-84590科 學 技 術 與 工 程7卷4 結論紅外成像系統的作用距離遠近是紅外探測系統的一個重要的綜合性能參數,它直接影響到采集的紅外圖像的信噪比,也就是說直接影響圖像的像質,從而影響目標的提取與識別。因此,有必要對紅外成像系統的作用距離有大概的估算。本文通過對紅外成像系統作用距離的分析,推導出了分別圖3 大氣紅外透過率隨距離的變化基于NETD、NEFD兩種估算紅外成像系統對點源目標的作用距離的方法,該方法簡單、實際可行,可針對不同的

13、條件、地域及環境對紅外成像系統作用距離進行估算。參 考 文 獻1 陳玻若.紅外系統.北京:國防工業出版社.1988:287 2912 張敬賢,李玉丹,等.微光與紅外成像技術.北京:北京理工大學出版社.1992:258 2683 張 盈.熱成像系統的噪聲.紅外技術,2003;25(2):33 364 張幼文.紅外光學工程.上海:科學技術出版社.1982:31 45 ),其中T為目標表面駐點溫度,T0目標表面環境溫度,Ma為目標運動速度(馬赫數),經計算取平均溫度T=600K。這時:%2At#T aR=(3 35 500 0.78 600C2NETDs/n!222600 0.25)5.5 1.23

14、5 10(1.4388 10 25 10-84-33)mm22=0.5982 1014mm所以:R=7.73km就幾種信噪比時的探測距離計算如表4。表4 紅外系統的探測距離信噪比s/n探測距離R/km5.07.734.58.113.58.553.18.96TheoreticalAnalysisoftheOperatingRangeofInfraredImagingSystemHUANGJing,LIUZhao hu,iDENGShu ying(Xi anInstituteofOpticsandPrecisionMechanicsofACS,Xi an710068,P.R.China)Abstract Theoperatingrangeofinfraredsystemisaveryimportantparameterofthesystemoftheinfraredde tection