点源目标的红外成像系统作用距离分析

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7卷
4 结论
红外成像系 统的作用距离 远近是红外探 测系 统的一个重要的综合性能参数 , 它直接影响到采集 的红外图像的信噪比, 也就是说直接影响图像的像 质, 从而影响目标的提 取与识别。因 此, 有必 要对 红外成像系统的 作用距离有大概 的估算。本 文通 过对红外成像系统作用距离的分析 , 推导出了分别
0. 165 0 . 13 0. 137 0 . 1 0. 128 0 . 078
R - Lb )
a
R
( 14 )
0. 189 7 0 . 168
若要探测到点源目标 , 必须使上面的差值不小 于背景产生的辐照度 It R 或:
2 a [ 1]
图 2 为海拔 1 100 km, 能见度 20 km 和能见度 15 km 时不同温、 湿度的大气透过率曲线。
a 0 2 * 1 /2
( 1)
。
其 ( 1 ) 式中 : R 为探测系统的作用距离; It 为点 源的红外辐射强度;
* a
在用红外热像仪探测目标的场合, 往往用热成 像系统的作用距离方程 来估算作用距 离。目前红 外热像仪的性能指标都给出了 NETD ( 等效噪声温 差 ) 的数 值。因此 , 有必要推导 出用 NETD 表达的 作用距离公式 , 以便进行准 确的计算 , 使用起来也 更为方便。 但是用 NETD 表达的距离公式 , 存在一定的缺 陷。如果用 NEFD (等效噪声照度差 ) 表示作用距离
2007 年 5 月 24日收到 第一 作 者 简 介 : 黄 静 ( 1978 ) , 研 究 方 向 : 光 电 经 纬 仪。
为大气平均透过率;
0
为光
学效率; D 为探测器的比探测率; D 0 为系统的通光 口径; A d 为 敏 感 单元 面 积; f 为 系统 宽 带 :
[ 1, 2] 1/ 2
表 3 大气透过率 环境温 度 /# 相 对 湿 度 10# 20# 30# 35# 40# 45#
(NEFD = L b ) a (R ) )
( 13 )
I t - L bA t a R R = 。 NEFD s /n R 。当点源所在的分辨单
( 7 ) 从 ( 9 ) 式可以看出, 背景在系统入瞳上产生 的最大辐照度为 L b )
- 8
104 & m ! K, % = 2 = 3 &m, NETD @ 300 K = 25 mK, ∋ 3 , s /n = 5 . 5 , T = 600 K, ! = 1. 235
a
= 0 . 25 ;
根据 目 标 温 度 与 运 动 特 性 的 关 系 T = T 0 ( 1 +
4590
红外成像系统的作用距离远近直 接影响到采 集的红外图像的信噪比 , 也就是说直接影响图像的 像质, 从而给目 标的 提取与 识别 带来了 很大 的困 难。因此, 在这里有必要对红外成像系统的作用距 离进行详细的分析。 红外系统的作用 距离是探测系统 的一个重要 的综合性能参数。当 目标相对系统的 张角小于系 统的瞬时视场时 , 系统不能 分辨, 这时 可将目标看 成点辐射源。红外系 统接收点辐射源 的能量与其 间的距离有关 , 距离越远接 收到的能量越 少, 与接 收到的最小可用能量相应的距离称为 系统的作用 距离
图 2 大气透过率曲线
大气透过率 随目标与探测 器距离的变换 而变 化, 随着距离的增加, 大气的红外透过率越来越小 , 目标发出的红外辐射到达探 测器的份额也越 来越 少, 如图 3 。 3 . 2 作用距离计算 对一表面材料发射率为 #= 0 . 78 的青铜圆柱 , A t= 35 mm 500 mm 来 说, 当 C 2 = 1. 438 8 10 ,
第 7 卷 第 18 期 2007 年 9 月 1671 1819( 2007) 18 4587 04
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Sc ience T echno logy and Eng inee ring
V o.l 7 N o . 18 Sep . 2007 2007 Sc.i T ech. Engng.
通信技术
表 1 不同环境温度下目标的辐射强度 环境温度 / # 点源辐射强度 W /Sr 10 3. 46 20 4. 4 30 6. 3
该方法 存在 一定的 局限 性, 主 要表 现在 四个 方面
[ 1]
:
( 1) 在 NETD 的推导中, 假设了目 标和背景都 是黑体 ; 而实际观察的目标不是黑体 , 至多是灰体 , 灰体的辐射比各不相同; ( 2 )NETD 只反映了光学系统、 探测器及一部分 电路的特 性, 而 没有 考虑目 标到 探测器 之间 的噪 声源; ( 3) 该算法考虑到目标到靶面上的辐射功率是 否满足探测要求 , 未考虑背景的影响 ; ( 4) 该方法未考虑成像点的弥散及其影响。
, 即要求:
a
R - Lb ) R &
2
R %L b ) It 2L b )
a
R
( 15 ) ( 16 )
由此可见, 为 获得最大探测 距离, 为 了在背景 干扰很大的情况下探测到点源目标, 瞬时视场必须 尽可能地小。
3 估算红外测量系统作用距离
3 . 1 大气透过率计算 对库尔勒 的大气进行透过 率计算。平均海拔 为 1 100 m 左右, 地质均为砂石结构, 局部地形波浪 起伏。场区位 于内陆温带干旱 区, 属大 陆型气候 , 降雨少蒸发量大 , 日照时间长 , 昼夜温 差大。冬季 漫长, 达 6个月, 夏季干热, 春秋季短。 大气对红外辐射的衰减主要是指水汽、 二氧化 碳气体、 臭氧、 甲烷的 选择吸收以及大 气中悬浮态 微粒的 散 射。 在 波 长超 过 1 &m 波 段 和 高 度 达
2
E ma i:l huangj ing1631 @ s ina. com. cn 。
It a NETD s /n ! X T
( 3)
4588
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[ 2, 3]
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又: It = ∀ T #A t ∃
4 %
从图 1 可以计算得 ( 4) ( 5)
- 4
: ( 8)
Et = 当 ( = 0∀ 时, E t =
12 km的范围内 , 意义最大的是 水汽和二氧化 碳气 体分子对辐射的选择性吸收。 除吸收外 , 辐射通量还受空气分子散射和受存 在于大气中的各种粒子 盐晶、 风从地面刮起的
( 5) 目标与背景在入瞳上的辐照度差 : E = E - E ∃=
a
R
(A t = )t R )
2
( 12 ) ( 6) 入瞳上的辐照度差 E 与系统的噪声等效 辐照度的比为 s /n: s /n = 因此: E NEFD
2
% 2 A t #T a C 2 NETD ! s /n
2
( 6)
在信号处理过程中往往会引起信号损失 , 所以 引入了信号损失系数 ∋ ( 根据经验 , 一般取 3~ 4 ), 这时作用距离就成为 : R =
2
图 1 点源产生的辐照度
2
% 2 A t #T a C 2 NETD ! s /n ∋
( 7)
2
2
% 2 A t #T a = (3 C 2 NETD s /n ! ∋
2
35
500 10
2 4
0 . 78 25 10
600
- 3
参
考
文
献
600 5 . 5 = 0 . 598 2
0 . 25 )
(1 . 438 8
- 8 2
1 陈玻若 . 红外系统 . 北京 : 国防工业出版社 . 1988 : 287 291 2 张敬贤 , 李 玉丹 , 等 . 微光与红 外成像技 术 . 北京 : 北 京理 工大学 出版社 . 1992 : 258 268 36 45

尘埃、 燃烧的残 渣、 水滴和 冰晶的 散射 ( 气溶胶 散 射 )。精确计算气溶胶 散射是困难的, 因为必 须知 道引起散射的气溶胶物质 的含量、 尺 寸、 形状 和组 分。所以大气透射窗辐射通量 的散射多在实 际研 究结果的基础上加以考虑。表 3 为能见度 % 20 km, 距离 10 km 时的大气透过率。
表 2 不同环境温度下天空辐亮度 L b (W / c m2 ) 环境温度 10# 1 . 0 10- 4 1 . 2 10- 4 20# 1 . 15 10- 4 1 . 45 10- 4 30# 1. 2 10 - 4 1 . 62 10- 4
2 基于成像系统 NEFD 估算作用距离
当系统的噪声并不以探测器噪声为主 , 而是点 源周围背景产生的噪声超过了探测器噪声 , 此时就 应该考虑用 NEFD 来估算作用距离。 ( 1) 点源在红外系统入瞳上的辐照度为 E t: 点源辐射强度为 I t; 点源到被照面的距离为 R; d A 面的法线与入射光线的夹角为 ( ; ! 为点源 对 d A 所张的立体角;
( 2 ) 背景辐射在红外系统入瞳上的辐照度 E b: E b = L b ( )- )t )
a
R
( 9)
其 ( 9 ) 式中 : L b : 背景的辐射亮度 ; ): 红外系统 的瞬时立体视场角 ; )t: 目标对光学系统的中心所 张的立体角。 根据《 红外与微光技术》( 国防工业出版社 ) 给 出的背景辐照度与波长和背 景温度的关系数 据及 《 红外技术原理手册》(国防工业出版社 ) 给出的白 天和夜晚的天空亮度实验曲线 , 可以给出下列数据。
I t cos( a R 2 R
a
XT = 式中: ∀ = 5 . 67 10
- 12