红外成像系统点目标探测视距研究

有限度的。
考虑红外成像系统的作用距离, 则要求目标与 背景经大气传输衰减后到达热成像系统时的实际温
差要大于等于系统的最小可分辨温差, 同时目标对 系统的张角要大于等于观察等级所要求的最小视
角。
一个机载成像传感器必须具有探测、识别和认 清敌方目标的能力, 衡量这一能力的指标是作用距
4 作用距离估算
离。 红外成像系统的作用距离是指在一定大气条件
红外成像系统应用于红外制导和小目标的搜索 跟踪, 其目标到探测器的距离与目标的夹角已远远 小于探测器系统的瞬时视场, 此时探测器系统完全
收稿日期: 2000- 11- 04 作者简介: 王建霞 (1954- ) , 女, 高级工程师, 从事光电仿真技术研究。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
中等能见度时, 某距离上 8～ 12Λm 的大气透过 率 Σ计算得 0. 4。
某红外探测系统小视场为: 2°×1. 5°, 计算瞬时视场: Α= 0. 12m rad Β = 0. 09m rad 设目标与环境温差: ∃T 0 = 200℃ 按 (2)、(3)、(4) 计算结果如下: 修正的等效噪声温差: N E T D p = 1. 04149 探测点目标时所需的温差: ∃T = 2. 916 某红外系统对所研究导弹的探测距离:
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电光与控制 2001 年 2 月
距离有关。当目标张角大于红外系统的瞬时视场时,
点目标探测时, 修正的等效噪声温差:
红外系统所探测到的辐射能量与距离无关。 对于点 目标可以从能量导出目标探测的作用距离。 按照点 目标辐射在探测器接收面上的辐照度、入射光谱辐 射功率和系统的信噪比等关系, 导出的作用距离表 达式为:
由 (6)、(7) 两式可得:
∃T 0ΣΑ =
SN R
ΑΒN E T D
R2 S
(8)
4. 2 红外成像系统探测距离估算 4. 2. 1 估算方程
热成像的探测概率受所探测目标的特性 (信噪 比、对比度、尺寸、运动速度等)、显示器的性能、热
热成像系统的 N E TD 根据探测器的性能不同 也不同, 目前在 8～ 12Λm 波段最好的探测器
3 作用距离
时首先要满足的就是作用距离。
机载用红外系统的作用距离不仅受探测器的灵
敏度、分辨率、光学分辨率的限制, 而且也受空气动 力、载机环境和大气情况的影响。 因此, 红外系统的 作用距离是这诸多因素的函数。 目视判别的红外成
像系统探测目标时, 是将目标的红外辐射特征信息 转换成具有红外辐射特征的可见图像被人眼接收, 所以, 其作用距离既与红外热像仪的探测器性能和 大气条件有关, 也与人眼的视见函数有关。通常成像 系统的视距估算一般依照经验的 John son 判据, 即 在 50% 正确概率时能探测、识别和分辨物体所需的 线条数, 即:
1
R=
∃T 0ΣΑS
2
S N R D T ΑΒN E T D
(9)
成像系统的特性、观察者视觉特性等多方面因素影 响, 因此判定模型的建立也非常复杂, 一般都是建立 一个简易模型。
N E T D 达到 10m K, 一般至少不低于 0. 1K。 4. 2. 2 计算
估算所用初始参数如下:
R=
∫ A t A 0 ∃T
温差 (M D T D ) 来估算探测距离。只是这种方法计算 时须对 N E T D 、M D T D 做修正。
R = 18. 7km
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王建霞: 红外成像系统点目标探测视距研究
R=
Σ Σ I Κ1- Κ2
1
Α 2 A0
0
1 2
D3
1 2
1
K
Vs 2
(∃f
A
d)
1 2
V
n
(4)
式中: I Κ1- Κ2— 在波段内的光谱辐射强度; Σa—Κ1～ Κ2 大气平均透过率; A 0— 光学系统入瞳面积;
N E T D P = R S2ΑΒN E T D
(6)
式中: R — 目标距离;
W AN G J ian- x ia (T he 613th R esea rch Institu te of A V IC )
Abstract: T h is p ap er describes the a ssessm en t m ethod of detect ing and t rack ing d istances to po in t ta rget of the infra red im age sy stem and stud ies the d iffu se regu la rity of the po in t ta rget in p ixels w ith the therm a l im age ana ly sis sy stem , find s ou t the influence of d iffu se facto r to the op era t ion d istance.
2 非成像红外搜索跟踪系统与成像跟 踪系统的区别
非成像红外搜索跟踪系统是通过探测选定运动 目标的光辐射, 来确定目标相对系统测量基准之间 的偏离量。 探测器接受目标辐射, 通过光电转换, 测 出目标的方位信息, 并向跟踪系统输出反应目标方 位的误差信号。 跟踪机构按误差信号驱动系统测量 部件使偏离量减小, 保持测量基准对准目标, 实现对 目标的实时跟踪。
成像探测跟踪系统是将探测器所探测到的目标 转换为图像, 通过某种跟踪算法, 测量出目标图像在 视场中的位置。从摄像镜头输出的目标视频信号, 经 过图像处理后检出目标位置的相应误差信号, 并以 此控制伺服机构, 使探测系统跟踪目标。
两种系统的区别在于: (1) 非成像探测是光电信号的转换及处理, 而成 像探测可以通过视频显示画面看到视场中目标图 像; (2) 非成像系统与成像系统对目标位置的确定 采用完全不同的硬件和算法; (3) 非成像系统探测距离与目标有关的是被探 测目标的辐射强度和信噪比, 成像系统探测距离则 要考虑目标与背景的温差。
Π(A d ∃f ) 1 2
Κ2
Σ0
(Κ)D
3
Κ1
(Κ)
5M
1
(Κ, T 5T
) dΚ
2
(5)
式中: A t— 进入热成像系统瞬时视场内的目标面
积;
∃T — 目标与背景温差; M (Κ, T ) — 目标光谱辐射强度。 依据已知的红外热成像系统参数和目标的辐射 特性, 按 (2) 式估算出目标探测距离。 点目标探测时, 目标张角小于系统的瞬时视场, 不能分辨目标的细节。但是, 当目标与背景的温差足 够大时, 探测器仍然能够探测到目标。在这种情况下 可以通过系统的等效温差 (N E T D ) 和最小可探测
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5 试验验证
5. 1 验证方案 试验设备用 A GEM A 900 LW , 按照等效比拟
的思路选一圆型小目标, 距离设置使目标与探测器 的视场等于所研究小目标与探测器所构成的角度相 等:
Αo = 0. 0337m rad
5. 2 有关参数 THV 900 热像仪技术条件: 波段: 8～ 12Λm 视场: 10° 空间分辨率: 0. 76m rad N E T D : 0. 08K。 试验条件: 目标尺寸: 1mm 目标距离: 30m 环境温度: 27. 8℃ 环境湿度: 79% 目标张角: 0. 0333m rad 目标温度: 160℃
下, 对特定目标发现、识别、分辨的最大距离, 也称作 4. 1 能量考虑的作用距离估算
视距。 作用距离 (或视距) 是衡量红外探测系统的重
对于红外探测系统情况, 当目标的张角小于系
要指标, 因此在研制红外探测系统时, 初始参数设计 统的瞬时视场时, 红外系统所探测到的目标能量与
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Α— 探测器水平瞬时视场;
Β— 探测器垂直瞬时视场;
S — 目标面积。
红外成像探测系统的探测性能与系统的热灵敏
度有关。
热灵敏度∝ SN R
S N R ≡ Σa∃T N E T D
(7)
式中: S N R — 在一定探测概率时的阈值信噪比;
Σa— 目标到探测器距离上的大气透过率。
目标与背景间的温差经大气传输后有所衰减,
率由光学系统焦距 F 和探测器像素间的间隔 P 确
定:
fn=
F 2P
(2)
由 (1) 和 (2) 得到探测器极限分辨率与距离 R D
的关系:
RD ≤
H Nl
F P
(3)
式中,
F P
恰好是系统的瞬时视场 IFOV
的倒数, 于
是可以认为通过加长系统焦距压窄 IFOV 可以增加
系统的作用距离, 但是压窄 IFOV 增加作用距离是
探测: 1. 0±0. 25 识别: 4. 0±0. 8 分辨: 6. 4±1. 5 设 要求的分辨等级的线条数为 N l, 目标的高度 为 H , 目标距离为 R , 传感器必须具有的空 间频率 分辨能力为:
f t=
N lR 2H
(c
rad)
(1)
探测系统的最高空间频率按 N yqu ist 取样, 频
在光电探测系统研制过程中, 系统的探测作用 距离是评价系统性能的重要指标。 对红外成像系统 应用来说一般是按面辐射目标估算作用距离, 而点 目标探测作用距离估算与探测面目标有很大不同。
由于目标作用距离是系统本身性能、目标特性、大气 环境等多项因素的函数, 因此没有统一、准确的数学 计算方法。不少科研单位都在做这方面的研究, 各自 采用不同的修正补偿方法, 以使红外系统初始设计 制定的参数更加合理。利用先进的热成像分析系统, 开展红外成像系统对点目标探测的作用距离研究, 使研究结果更切合实际, 对于在红外成像系统用于 制导和搜索跟踪的设计时初始参数的选取更有参考 价值。
王建霞: 红外成像系统点目标探测视距研究
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是对点目标的探测跟踪。 由于红外成像系统对点源 探测与对面源探测有很大差别, 作用距离的计算也 完全不同。 为了深入地探讨这一与火控应用密切相 关的技术问题, 我们研究了对某导弹制导情况红外 成像探测的作用距离估算方法, 并用 THV 900 热成 像分析系统对点目标探测做了相关试验, 得到了有 益的数据和分析资料, 提出了红外成像系统探测点 目标作用距离估算时应考虑的因素, 为红外成像系 统用于点目标探测时作用距离研究奠定了基础。
Key W ords: infra red im age; po in t ta rget detect ion; op era t ion d istance
1 引言
近几年, 红外成像系统在夜间或不良气候下作 战时的目标搜索跟踪、瞄准、红外制导等方面的应用 显示出红外成像探测的巨大优越性。 它在实现武器 火控系统全天候作战的同时使探测、跟踪、瞄准目标 可视化, 提高了探测系统的探测能力和瞄准精度。
Σ0— 光学系统透过率; D 3 — 探测器的探测率; ∃f — 电路等效噪声带宽; A d — 光敏元件的有效敏感面积;
V s — 探测器信噪比。
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因此对点目标探测时, 在一定的探测概率和大气透
过条件下, 实现对目标探测必须使目标和背景辐射
温度经大气衰减后的温差 ∃T 比N E T D P 大出 S N R 倍。
№.
1 (To tal 81) feb. 2000
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电光与控制 ICS O PT ICS
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20(总01第年8第1
1期 期)
文章编号: 1227 (2001) 01- 0024- 04
红外成像系统点目标探测视距研究
王建霞 (中国航空工业第六一三研究所 洛阳 471009)
摘 要: 介绍了红外成像系统对点目标的探测跟踪作用距离估算方法, 用热成像分析系 统研究点目标在像素上的扩散规律, 提出用热成像系统探测点目标时, 扩散因素对作用距离的影 响。
关 键 词: 红外成像; 点目标探测; 作用距离 中图分类号: O 43413 文献标识码: A
Study on D etect ion D istance to Po in t Target of the Infrared Image System