（控制科学与工程专业论文）光电红外环境仿真系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文捅要光电，红外环境是指战场状态下各种目标对象所处的光电红外辐射环境，包括太阳辐射、目标自身辐射以及其它背景辐射。对于红外系统而占，其性能指标主要取决于目标本身的红外辐射特征和周围复杂环境的红外辐射特征以及它们之间的对比度，而这些因素又会受到地理位置、气象条件和季节以及一天中的具体时间的影响。利用计算机对光电红外武器系统进行仿真，不仅可用于系统的设计、分析、训练、测试和评估，而且具有方便、安全、低耗等优点，在科研和生产中都具有重要作用和意义。联合建模与仿真环境( j o i n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，j m a s e ) 是一个建模与仿真支撑环境，它提供了灵活易用而且功能强大的工具集以及一系列的公共服务方便模型的开发，极大地促进了模型与仿真的重用以及互操作。本课题在j m a s e 的基础上，根据当前红外仿真系统的需求，开发了一套用以仿真红外辐射环境效应的通用模型，并且还实现了与j m a s e 的集成。论文研究了国内外红外仿真技术发展情况以及红外辐射和红外系统的基本理论知识，并且从j m a s e 的特点和功能出发，对光电红外环境仿真系统原理进行了研究，根据当前红外仿真系统的实际需求提出了系统的设计目标和设计方案，利用组件式建模方法开发了一套能够用于计算红外辐射大气传输效应的通用模型以及方便用户对目标和传感器建模的统一框架。在课题研究过程中，重点解决了目标、传感器、环境三大模块及它们之间的接口的设计以及目标和背景红外辐射大气传输效应的计算等问题，并且实现了对仿真场景的红外成像显示。论文还通过一个仿真实例演示了光电红外环境仿真系统中各仿真模型的开发过程，并且通过对仿真结果的分析，对系统性能进行了验证。关键词：红外辐射；联合建模与仿真环境；环境仿真；模型国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c te 1 e c t r o o p t i c a li 删 a r e de n 、嚏r o n m e 毗r e f e r st oe l e c t r 0 4 0 p t i c a ii n 行a r e dr a d i a n c ee n v l r o n m e n t、v i t hv a r i o u s 诅r g e t si nb a t t l e f o u i l d ，i n c l u d i n gs o l a rr a d i a l i o n 、t a r g e t s r a d i a t i o n 、a 1 1 d b a c k 笋o l u l dr a d i a t i o n a sf a ra si n 行a r e ds y s t e mi sc o n c e m e d ，i t ，sp e r f o m l a n c ei sm a i n l yd e t e m a i n e db yt a r g e t s i 缸 a r e dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，锄b i e n tc o m p l e xe n v i r o m e m si n f h r c dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f 心dr a d i a t i o nc o n 仃a s tb e t w e e nt 1 1 e m m e a n w h i l et h e s ef h c t o r sa r ea 王s oi n f l u e n c e db yg e o 脚h yl o c a t i o n 、e 砒e rc o n d i t i o n 、s e a s o na n dt l l et i m eo fad a y u s i n gc o m p u t e rt os i m u i a t ee i e c t r 0 一o p t i c a ii n f a r e dw e a p o ns y s t e mh a st h es u p e r i o r i t yo f c o n v e n i e n c e 、s a f b t y 、1 0 w e rc o s te c t ，a n di su s e di ns y s t e md e s i g n ，s y s t e ma m l y s e ，t r a i n i n g ，t e s t i n ga 1 1 de v a l u a t i o n t h i sa s p e c tm a k e s 舒e a tm e a n i n ga 1 1 ds e r v e si m p o r t a l l tf h n c t i o ni np r o d u c t i o na i l ds c i e m m cr e s e a r c h j m a s e ( j o i mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ne n v i r o m e n t ) i sa ne n v i r o 衄e mf o rm o d e 】i n ga n ds i m u l a t 访g np r o v i d e sm a n y 茧m l c 毫i o n 甜t o o l sv ，h i c hc a nb eu s e de a 西l ya n das e to fs e r v i c e st oa s s i s ta 1 1 ds i i i 】p l i 母m o d e ld e v e l o p m e n t ，w h i c hp r o m o t e sm er e u s ea n di n t e r o p e r a b i l i t yo fm o d e l sa 1 1 ds i m u l a 虹o n s a c c o r d i n gt 0t 1 1 er e q u i r e m e n to fi n f a r e ds i m u l a t i o ns y s t e m ，w eh a v ed e v e l o p e das e to fg e n e r i cm o d e l st os i m u l a t ee n v i r o n m e n te f & c to fi n f h r e dr a d i a t i o nb a s e do nj m a s e ，a n di m e g r a t e dt h e mw i mj m a s e t 1 i st h e s i sh a ss t l l d i e dm eo m l i n e s0 fw o r l d 埘d er e s e a r c hs t a t u sa n dm et h e o r e t i ck n o w l e d g eo f 曲a r e dr a d i a t i o na i l di n 厅眦ds y s t e m ，e s p e c i a l l yt h et h e o r yo fe l e c 廿。一o p t i c a li n 丹a r e de n v i r o n m e n ts i m u l a 廿o ns y s t e mb a s e do nj m a s e a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t ，w eh a v ep r o p o s e dt h ed e s i g no b j e c t i v ea i l d 丘锄e w o r ko fm es y s t e m ，a i l dd e v e l o p e das e to fm o d e l st h r o u 曲m o d u i em o d e l i n gm e 血o df o rc o m p u t i n gp r o p g a t i o ne f 诧c to fi n 丘a r e dr a d i a t i o nm r o u 曲a t m o s p h e r ea sw e l la sm o d e l i n gt a r g e ta 1 1 ds e n s o r t h i st h e s i sf o c u s e so nm em r e em o d m e st a 玛e t ，s e n s o ra i l de n v i r o n m e n ta f l dt h ei n t e r f k ed e s i g n 锄o n gt h e m ，a s 、v e l la st h ep r o p g a t i o ne 圩e c to ft a r g e ta 1 1 db a c 埏r o u i l d si n 抒a r e dr a d i a t i o nt h r o u 曲咖o s p h e r e w e “s od e v e l o p e dat 0 0 lt oi m a g es i m u i a t e di n 仔a e ds c e n e n l i st h e s i si 1 1 u s t r a t e st h em e m o do fh o wt od e v e i o pm o d e l si ne l e c t m - 叩t i c a li n f r a r e de n v i r o m e n ts i m u l a t i o ns y s t e mt h r o u 曲肌e x 唧l ea n dv a l i d a t e st h ee l e c t r o o p t i c a li n 行a r e de n v i r o m e ms i m u l a t i o ns y s t e mt l r o u 曲a 1 1 a l y z i n gm er e s u l to fs i m l n a 土i o n 。k e y w o r d s ：i n f r a r e dr a d i a t i o n ；j o i n tm o d e i i n ga n ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ( j m a s e )e n v i r o n m e n ts i m u i a t i o n ：m o d e lj i独创性声明y8 86 3 9 0本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说胡并表示谢意。学位论文题目=迸生红处叠埴篮真歪红盟塞学位论文作者签名：型垄生：日期：o ! 一。一年，月2 工日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：趟旦堑处墅垃鱼真歪统盟窥学位论文作者签名作者指导教师签名营日期：0 口只广年r ，月2 2 日日期：坜年甩王日国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论1 1 课题背景仿真技术是以相似原理、模型理论、信息技术、系统理论与工程及应用领域有关专门技术为基础，以计算机和各种专用设备为工具，利用系统模型对实际的或假想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术。利用仿真技术对武器系统进行研究，不仅可以优化系统设计、提高武器系统性：而且可以及时诊断并排除隐患和故障、能有效地提高型号研制质量；另外，通过使用仿真技术进行研究，还可以大大减少实弹试验次数和试弹数量，从而起到了缩短研制周期、节约研制经费、提高武器系统性价比的目的。根据国外有关统计资料分析，由于采用系统仿真技术，使武器系统靶试实验次数减少了3 0 6 0 ，研制费用节省了1 0 4 0 ，研制周期缩短了3 0 4 0 ，从而使型号研制得到很高的效费比。光电红外技术是2 0 世纪6 0 年代以来发展起来的新兴技术，当前已被广泛应用于军事、工农业生产、医学和科学研究等各个领域。利用计算机对实际的光电红外武器系统进行仿真，不仅可用于系统的设计、分析、训练、测试和评估，同时还具有方便、安全、低耗等特点，在科研和生产中具有重要作用和意义。由于仿真技术具有以上显著的优点，以美国为首的西方先进发达国家投入了大量的人力和物力用于建模与仿真系统的开发，其中包括美国军方开发的联合建模与仿真系统( j o i n tm o d e l i n ga 1 1 ds i m u l a t i o ns y s t e m ，j m a s s ) 、联合仿真系统( j o ns i m u l a t i o ns y s t e m ，j s i m s )和联合作战系统( j o i n tw a r 栅es y s t e m ，j w a r s ) 等，以进行工程级、交战级、任务级和战役战区级各层次的作战仿真。而且通过瑚a 将它们进行互连，就可以进行不同粒度的联合仿真。在过去的数十年内，人们一直在不断努力利用计算机来仿真红外成像系统，形成了两个主要的研究方向，并取得了较好的效果。一个研究方向是建立系统的性能模型，以此来评价系统或指导系统的整体设计，如美国的夜视实验室所建立的机载前视系统性能模型f l i r 9 2 ，它是目前评价系统性能和进行系统优化设计最有效的，而且也是最具有权威性的模型；另一个研究方向从图像质量的角度，模拟光电红外场景并仿真影响图像质量的各种因素。红外成像仿真的理论研究及其实现，具有强烈的需求和应用前景。如可用于国土资源的红外遥感和遥测、森林火灾的预防、农作物生长状况的红外监测、工业节能、设备热故障诊断和野外作业人员的救生等各个领域。由于其广泛的应用前景，目前已成为国内外有关研究机构的重要研究课题。国内多家单位对于红外成像仿真也进行了比较深入的研究，第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文目前已建立了多种物体的红外物理模型。当前国内对于红外成像仿真的研究都是基于特定的目标对象，对于光电红外环境下的综合仿真来说，现阶段还缺乏一种能对红外辐射传输效应进行统一计算和管理的通用模型以及对各种目标和传感器对象进行建模的统一框架。基于这种情况，国防科技大学军用仿真实验室研制开发了联合建模与仿真环境( j o i n tm o d e l i n ga 1 1 ds i m u l a t i o ne n v i r o m e m ，j m a s e ) ”“，用于构建分析和测试领域所需要的工程级和交战级数字系统模型和仿真系统，其功能和美军的j m a s s “3 相类似，目标是提供一个公共的数字仿真建模体系结构和仿真支撑系统，以方便模型代码的重用和系统模型之间的互操作。另外，j m a s e 还定义了一系列标准的接口，使得依据一些商业标准或组织标准所开发的模型能联合使用，可满足多种建模和分析领域的应用需求。利用j m a s e 所提供的一系列接口和标准开发光电红外环境仿真系统，不仅有利于模型开发的标准化，而且可以大大方便模型的重用以及与其它模型之间的互操作。1 2 国内外红外仿真技术研究情况及发展趋势1 2 1国内外红外仿真技术研究情况随着计算机红外成像仿真技术的飞速发展和它在国防、军事、航空、航天等领域的广泛应用，利用计算机生成的景物红外图像已应用于红外成像系统评估、算法改进、人员训练、任务制定、新产品设计、光电对抗技术、遥感测量以及多传感器的景物表示等众多方面。鉴于计算机红外成像仿真技术极其重要的应用价值，自7 0 年代末、8 0 年代初，各发达国家就对其进行了大量的科研投入，并由此取得了许多卓有成效的研究进展。1 9 8 0 年，j a c o b s 首先展开了对具有简单几何外型的物体，如平坦的沥青或混凝士公路、砖墙等的红外仿真研究”3 。1 9 8 7 年，h i n d e r e r 提出了一种绘制战术交通工具红外图形的方法，把物体表面划分成若干面片，根据预先编制的热能数据和直观推断确定每个面片的温度，由此绘制出物体的红外图形。1 。b i e s e l 采用经验公式，将物体表面温度表示成为环境辐射、环境温度、表面热参数等的函数，通过计算物体的表面温度，绘制出物体的红外图形“3 。以上这些方法通过直观推断和大量的热能数据来确定物体表面的辐射出射度，主观随意性较大，且对环境因素影响的描述过于简单。随后的研究中发现，几乎所有的内部因素、环境条件以及背景差异都对物体的红外特征有着直接的影响，因此建立物体表面的热平衡方程，通过求解方程来预测物体表面的温度分布，就成了绘制物体红外图形的精确方法，这种方法被称为第一原理模型。1 9 8 8 年，c a t l l c a n 提出了考虑不同环境条件和不同背景的物体红外仿真的第一原理模型，模型利用各种初始条件和边界条件求解方程组，从而得到物体表面的辐射分布5 1 。基于第一原理模型的类似工作有许多。值得指出的是，此时出现了一个较为完善的基于第一原理模型的温第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文度预测模型p r j s m ，它通过给定的物体的材料、结构、热参数、周围环境及大气等条件，计算出物体表面的等温面分布0 1 。由于第一原理模型可以涵盖几乎所有外界条件和内部因素的影响，通过求解三维传热方程，得到物体表面的辐射分布，因此它是精确的红外成像仿真模型。但求解庞大的热平衡方程组的计算量非常大，尤其是当物体表面面片的数量较大时，利用第一原理模型就相当耗时。此时，也出现了一种半经验第一原理模型，它把经验模型确定法和第一原理模型两者结合起来，用以确定物体表面的温度。i r m a 就是这一类模型的典型例子”1 。随着对物体红外成像仿真研究的深入，仿真的物体红外图形也越来越具有真实感。其中目标景物红外成像系统s p i r i t s 2 o ( s p e c t r a l i n 舳r e di m a g n go f 研g e t sa n ds c e n e s ) 采用了一维导热模型，以喷口为中心向整个物体表面传热，从而绘制出景物的红外图形9 1 。随后，n a n d h a l ( u m a r 等人发现，内热源在形成物体的红外图像的过程中发挥着重要的作用，由此他们采用八叉树结构，计算出非同质物体表面的辐射出射度，得到物体的红外图形。1 9 9 6 年，h y 啪等人提出了另一个简化的物理模型。模型用等效热阻把内热源与物体表面联系起来，借以模拟内热源与物体表面间热传导的物理过程“。该方法不仅使模型具有明确的物理意义，而且它的红外仿真效果也有很大提高。在景物中背景是体现仿真应用环境的重要信息，因此对背景的仿真也是计算机红外成像仿真的主要研究内容。一般来说，背景可分为自然景物( 如山、云、树、沙漠、海面等)和人造建筑物( 村庄、建筑物等) 等两个部分，而背景仿真的方法基本上遵从测量、经验与理论相结合的原则。g e o f y 采用实际拍摄的红外图像的纹理，生成红外背景图像“。德国地球物理中心建立了反映背景热交换的红外成像理论模型，在建立道路的红外成像模型中，考虑了天空和太阳对道路的辐射、路面自身的辐射、基于风速、表面温度和空气温度的自由和强迫对流、潜在的能流变化以及路表面与路基之间的热传导等“”。这种方法从理论出发，通过求解方程组来得到背景的红外辐射分布，因而可精确地绘制出背景的红外图像，但耗时太大是该方法的弱点所在。于是出现了简化的、基于测量和理论相结合的背景红外成像仿真方法。如g 锄b o 仕0 把拍到的高质量的红外图像，经处理后得到纹理的尺度模式( s c a l e dv e r s i o n ) ，再根据具体的环境条件，计算出背景的辐射强度，从而生成符合条件的红外背景图像“”“。b u s h l i l l 则是通过分析测量得到的典型地中海地形的2 4 小时红外图像，提出一种基于时间变化的简化模型，并把它应用于生成其他的红外背景图像中“。b a l f o u r 是将自然红外景物分割成若干同质组块，然后利用实际测量数据，拟合出一个简化的理论模型，并用它重构景物的红外图像”1 。军事需求的牵引和光电红外技术发展的推动，加速了世界范围内光电红外信息装备的第3 页国防科学技术大学研究生院学位论文发展，除了美国、西欧各国、俄罗斯、以色列、日本、加拿大和澳大利亚等军事技术较发达的国家大量研制和装备外，许多发展中国家也竞相发展和引进光电红外信息装备，光电红外信息装备已融人国家军事电子信息系统之中并已形成战斗力。军用光电红外系统在综合信息系统中的应用涉及光电红外信息获取、光频信息传输、光电信息对抗和信息化光电红外武器系统等。美国陆军拥有世界上最大的武器仿真中心，其导弹发展中心司令部下属的新传感器管理局，继1 9 7 8 年以来，在建立“自动激光导引头性能评价系统实验室( a l s p e s ) ”基础上，又建立了“自动红外成像导引头性能评价系统实验室( a j i s p e s ) ”，这个实验室是建立在非视线瞄准导弹系统( n l o s ) 和先进的中程反坦克导弹武器系统( a a w s m ，它采用红外凝视焦平面阵列导引头技术) 基础上的，使用了一套自动化的高精度检测系统，能完成对红外成像导引头关键参数的测量。美国沃特航空实验室研制了动态红外导弹评估器，其中实验室采用g u e s t 公司的方案研制出的红外目标背景仿真器的图像可以自由闪烁，而不需特别高速的数字图像生成。图像的运动用一个x y 平移透镜移动和一个l o o ：1 的计算机控制变焦来实现。该系统主要用于评估采用线扫阵列和凝视焦平面阵列的红外成像导引头。法国军事电子技术中心( c e l a r ) ，己经研制成功黑体薄膜式动态红外图像调制器，应用于红外成像制导的仿真。美国休斯公司将红外液晶光阀( i rl c l u s ) 成功地应用于中长波红外成像仿真。据报道，它还为法国研制了一套同样的设备，已用于红外成像系统半实物仿真。以色列e l b i t 计算机公司于1 9 8 7 研制成功一种用于鉴定前视红外跟踪器的合成红外图像仿真器。这种仿真器可通过目标在红外波段呈现半透明的特性来仿真目标相对于背景的两自由度运动，也可以仿真独立跟踪器运动。该系统可用于测试前视红外跟踪器的性能与杂波、背景温度、目标对比度、目标运动、目标区域、运动振荡摆动视线等因素之间的依赖关系。我国对现代红外技术真正意义上的研究始于1 9 5 8 年，1 9 6 4 年才确定成立了专业红外技术研究所。1 9 8 8 年和1 9 9 0 年，我国两次成功发射与太阳同步的“风云一号”红外气象卫星；1 9 9 7 年又相继成功发射了与地球同步的“风云二号”红外气象卫星，这些都标志着我国在这一领域已经取得了重大进展。目前，我国军用红外热像仪的研制已走过了“从无到有”的阶段，以使用8 元s p r j t e 传感器为代表的第一代红外热像仪已成熟，第二代热像仪的研制也已起步。但由于基础元器件的薄弱，关健元器件的进口往往受国际政治形势的影响而受制于人，这使得我国的热像仪整机发展受到限制。而目前西方发达国家己开始装备第二代红外成像武器，并进行第三代的预研工作，因此与之相比还有不少差距。我国对计算机红外成像仿真的研究起步较晚，但近些年也取得了许多研究进展。其中朱文勇采用改进单元法对红外图像进行了仿真。宣益民模拟了车辆的红外图像“。王学第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文伟采用o p e n g l 作为编程工具，仿真目标的动态红外图像。徐南荣对飞行器的红外特性进行了分析，并着重对羽流辐射和热空腔辐射进行了研究m 1 。于伟杰进行了有内热源目标、高速目标的计算机红外仿真研究嗌1 。王章野进行了城市景物的仿真研究。”。不过，国内在图像导引头的测试与评估技术方面还比较落后，测试手段还很不健全。国内从9 0 年代开始重视这一新型仿真技术的研究，“八五”、“九五”期间，航空、航天和兵器等国防工业和科研院所都列入了研究计划，取得了一定的成果。1 2 2 红外仿真技术研究发展趋势目前光电红外仿真技术领域已取得了巨大的成就。美国空军、陆军、海军各自建立了自己的光电试验与鉴定仿真设施，主要包括位于德克萨斯州福特沃思的空军电子战评估系统( a f e 、e s ) 、亚拉巴马州红石兵工厂的陆军导弹指挥部先进仿真中心( a s c ) 的半实物( h i l )仿真系统以及加州中国湖的海军仿真实验室( s i m l a b ) 。美国空军电子战评估系统的光电仿真设施提供了红外地对空及空对空导弹的闭环仿真，可对红外对抗进行评估；同时支持两种不同类型的试验用户，可以与a f e w e s 射频仿真相联，验证多频谱仿真试验能力。美国陆军导弹指挥部先进仿真中心半实物仿真系统的光电仿真试验设施包括组合投影仪、动态景象产生器、综合靶场数据库( 威胁环境) 、实时接口系统、实时仿真计算机、飞行运动仿真器、数据采集显示、分布式仿真。美国海军半实物仿真导弹实验室的光电仿真试验设施使用红外目标设计系统叶片组进行试验，红外目标设计系统叶片组利用3 5um 和8 1 2 um 的红外准直镜加多个目标源来模拟导引头所呈现的真实热目标。美国所使用的光电仿真器可以分为两种类型：一种是光学机械式，另外一种是计算机生成图像仿真系统。随着仿真技术的发展，计算机生成图像仿真，特别是红外成像仿真系统是目前的发展趋势。从美国光电仿真器的发展来看，多种仿真器、多种试验方案并存，为在多种条件下对被试设备进行试验提供了可能。结合我国的国情，应以发展计算机景象生成为基础的通用仿真器为主：同时，也应兼顾技术成熟的光机式仿真器。二者的有机结合，是提供全面试验环境的最优途径。1 3 课题研究的主要内容本课题的研究是基于联合建模与仿真环境( j m a s e ) 而展开的，其中重点研究了光电红外环境仿真系统原理以及设计与实现。课题研究的具体内容主要包括以下两个方面：1 研究光电，红外环境仿真系统的实现原理，基于蹦a s e 的功能特点和系统需求对光电红外环境仿真系统的基本框架进行设计；通过j m a s e 的公共服务和a p i 接口，利用组件式建模方法实现了光电红外环境仿真系统：并且通过相应的工具支持仿真结果的红第5 页国防科学技术大学研究生院学位论文外成像显示。2 构建一个具体的光电红外环境仿真实例，对仿真开发的一般过程和参数配置进行说明，并对仿真结果进行了分析，根据设计目标对系统功能进行了验证。1 4 论文的组织结构论文共分六章：第一章绪论。主要介绍了课题的背景、国内外红外仿真技术的研究情况和发展趋势以及课题研究的主要内容。第二章红外系统理论基础。主要介绍了红外辐射的基本理论、红外辐射在大气中的传输以及红外系统的基本原理等预备知识。第三章光电红外环境仿真系统原理与设计。首先研究了光电红外环境仿真系统的实现原理，然后介绍了j m a s e 的基本概念和功能特点，最后基于j m a s e 的功能特点和红外仿真系统的实际需求对光电红外环境仿真系统的基本框架进行了设计。第四章光电红外环境仿真系统实现。利用组件式建模方法实现了光电红外环境仿真系统。第五章仿真实例及分析。通过一个具体的仿真实例说明了仿真开发的一般过程，并对仿真结果进行了分析。第六章总结与展望。对课题工作进行总结，并指出下一步的研究方向。第6 页国防科学技术大学研究生院学位论文第二章红外系统理论基础2 1 红外辐射基本理论2 1 1 红外辐射基本概念物体以电磁波或光子传递能量的过程称为辐射。辐射是物体的固有属性，任何物体( 包括固体、液体和气体) 由于某种原因，例如受热、电子撞击、光的照射以及化学反应等，都会引起物质内部分子、原子等粒子运动状态的变化，产生各种能级的跃迁，从而向外发出辐射能。物体温度高于绝对零度时，由于物体内部微观粒子的热运动状态改变所激发出的辐射能叫做热辐射。由于产生辐射的方法和能级的不同，辐射的波长也不同。热辐射的波长范围一般为o 1 l o oum ，覆盖紫外、可见光和红外波段，如图2 1 所示。图2 1 热辐射波谱范围热辐射存在于自然界的任何个角落。事实上，一切温度高于绝对零度的有生命和无生命物体时时刻刻都在不停的发出辐射能。太阳是巨大的辐射源，整个天空也都充满了红外辐射，而地球表面，无论高山大海，还是森林湖泊，甚至异常寒冷的冰天雪地，也在日夜不停地发射红外辐射。对于地面上的军事装备来说，如坦克、军舰、飞机等，由于它们的发动机燃烧产生非常高的温度，往往产生较强的红外辐射，形成反映自身属性的红外辐射特征。物体的红外辐射特征主要取决于物体自身温度分布和表面辐射特性。地面目标与背景( 如坦克等地面运动目标、桥梁和建筑物等地面立体目标以及地表、植被等背景) 的不同部位往往具有不同的温度，其表面红外辐射特征参数也不同，因此，目标与背景各部位所发出的红外辐射具有不同的波谱分布和辐射强度。例如，行驶在地面背景中的车辆，由于发动机内燃料的燃烧，释放出大量的热量，使得发动机及其周围部位的温度明显高于其它第7 页国防科学技术大学研究生院学位论文部位和周围背景的温度，发出的红外辐射的强度明显高于其它部位和周围背景，并且辐射出的能量大部分在短波范围内，其它的部位和周围的背景温度较低，发出的红外辐射的强度较弱，辐射能的波长也较长。2 1 2 红外辐射基本术语物体的辐射能力与物体的表面温度和表面辐射特征有关。“。外界投射到物体表面上的总能量q 中，一部分q 。被物体吸收，一部分q 。被物体反射，其余的部分q ，会穿过物体继续传播。反映能量守恒的关系式为：墅+ 笠+ 旦：1( 2 1 )qqq式中，各能量份额的比例口= q 。q 、户= q 。q 、f = q ，q 分别称为该物体对投射辐射的吸收率、反射率和穿透率，即：口+ 口+ r = l( 2 2 )通常，吸收率口= l 的物体称为绝对黑体( 或简称黑体) ，反射率p = 1 的物体称为镜体( 在漫反射条件下，称为绝对白体) ，穿透率r = l 的物体称为绝对透明体( 简称透明体) 。对处于相同温度的所有物体而言，黑体的辐射能力最大。辐射源一般分为点辐射源和面辐射源两类。在现实生活中，一个没有大小的几何点的点源是不存在的。在红外技术中，常把一个没有充满红外系统瞬时视场的小面源看成点源。同一个辐射源，在不同的场合，既可能被认为是点源，也可能被看作面源。物体的辐射计算和目标及背景的红外特征分析涉及到几个主要专业术语，如下所述：1 辐射力指物体在单位时间内单位表面积向所有半球空间发射的全部波长范围内的辐射能的总量，单位是w m 2 。辐射力用来表征物体的辐射能力。单位波长波段内物体的辐射力称为单色辐射力e 。，单位是w m 3 。单色辐射力是表征物体波谱辐射能力的一个物理量。且有：e2j ：b d 丑( 2 3 )2 辐射强度辐射强度i 是一个点源在给定的方向上离开辐射源的辐射通量与辐射所包围的立体角元d q 的商，即第8 页里堕翌兰垫查奎兰塑窒生堕兰垡笙奎一= 基。，d q、一因此，辐射强度在数值上等于单位立体角内发射的辐射通量，单位为w s r 。辐射强度i 对立体角元d q 积分就可求得辐射通量m ，中2k 埘q( 2 5 )单位时间、单位可见辐射表面积、单位立体角内的辐射能量称为定向辐射强度f ，单位是w ( m 2 s r ) ，单位波长范围内的定向辐射强度称为单色定向辐射强度，单位是w ( m 3 s r ) 。显然有：江j ) d 旯( 2 6 )参看图2 2 ，与辐射面法向成口角的定向辐射强度的表达式为：= 瓦嘉( 2 - 7 )增d 啪o s 占l 一7 j式中，d 巾表示单位时间内离开某一表面的单位面积、在方向目上包含在立体角d 国内的辐射能。一黔，图2 2 定向辐射强度定义图将上式对整个半球立体角进行积分，得：中= j 1 名c 。s p 幽= r 4r ”岛c 。s 鲥n 伽d 如果辐射强度与方向无关，则中2 碗3 发射率指实际物体的辐射力e 与同温度下黑体辐射力e b 的比值，一般用符号g 表示( 2 _ 8 )( 2 9 )第9 页国防科学技术大学研究生院学位论文ee b相应地，单色发射率如表示为：铲鲁物体的发射率往往又被称为黑度。物体表面的发射率取决于表面材料属性、面状况等。4 吸收率( 2 1 0 )( 2 1 1 )表面温度和表指物体表面对投射的辐射所吸收的百分比口，对单位波长而言，则有单色吸收率口。实际物体的吸收率取决于吸收辐射物体的本身情况和投射辐射的特性，既与自身表面的性质和温度有关，还与投入辐射按波长的能量分布有关。在理想情况下，单色吸收率是与波长无关的常数。这种理想物体称为灰体。通常情况下，大多数地面目标和背景可近似处理为灰体。2 1 3 辐射基本定律黑体辐射的基本定律归纳为普朗克定律、维恩位移定律、斯蒂芬一波尔兹曼定律和兰贝特定律等。这些定律奠定了热辐射理论的基本基础，也是研究目标与背景红外特征的基础：1 普朗克定律理想黑体单色辐射力毛。与波长和温度的关系服从普朗克定律：2 孺南习 。2 式中五波长( m ) ；c 1 = 3 7 4 3 1 0 。1 6 w m 2 ：。22 1 4 3 8 7 1 0 。m k 。普朗克定律是在量子力学理论的基础上导出的，并且获得实验验证，揭示了黑体辐射能力的光谱分布规律。实际非黑体的单色辐射能力由下式给出：易2 毛2 丽嚣习2 - 1 3 )几l cl ，根据普朗克定律可知，在军用目标和背景红外特征研究所涉及到的波谱区间( 五= 0 1pm 1 0 0 pm ) ，单色辐射力随着波长的增加，先是增加，然后又减少，存在一个极值点。单色辐射力最大处的波长九。随温度不同而变化。2 维恩位移定律黑体单色辐射力最大处的波长九。随着温度的升高向短波方向移动，它满足：第1 0 页国防科学技术大学研究生院学位论文匀f! 警= o( 2 1 4 )根据普朗克方程式( 2 1 2 ) ，可得：。t 一2 8 9 7 8 ( um k )( 2 1 5 )式( 2 1 5 ) 就是维恩位移定律，说明黑体单色辐射力的峰值波长九。与绝对温度t 成反比。3 斯蒂芬波尔兹曼定律将式( 2 - 1 2 ) 在整个波长范围内( 0 c 。) 积分，可得温度为t 的黑体在单位时问内单位表面积上向半球空间辐射出的总能量：邑。j e z d z = 盯丁4式中，黑体辐射常数仃= 5 6 7 1 0 w ，( m 2 k 4 ) 。这个表达式就是斯蒂芬对于发射率为s 的实际物体有：e = 蚯b = s 甜44 兰贝特定律定向辐射强度与方向无关的定律称为兰贝特定律，即：( 2 1 6 )波尔兹曼定律，( 2 1 7 )屯2 屯2 屯_ 一t = f( 2 - 1 8 )上式表明，在任一方向上的辐射强度均相等且等于法线方向的辐射强度。黑体辐射满足兰贝特定律。对于服从兰贝特定律的辐射，存在下述关系：掌：c o s 口( 2 - 1 9 )一2 bc o s l 2 一1 9j“c u即单位辐射面积发出的辐射能落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向角的余弦，因此兰贝特定律又称为余弦定律。对于满足兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度f 和辐射力e 之间在数值上存在简单的倍数关系：e = 痢( 2 2 0 )5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律可表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射力，即：鱼：毛( 2 - 2 1 )口根据物体发射率的定义，可得：口= s( 2 2 2 )由式( 2 2 2 ) 可以看出，在一定温度下，任何物体的发射率。在数值上等于它的吸收率口，辐射能力强的物体吸收辐射的能力也越强。对于光谱辐射特性，同样有：a i = 毛( 2 2 3 )因此，灰体的发射率也是与波长无关的常数。第1 l 页国防科学技术大学研究生院学位论文2 1 4 太阳辐射和天空背景辐射当建立某一物体的红外辐射特征模型时，太阳辐射和天空背景辐射是必须考虑的。在某些情况下，它们是影响目标红外特征的主要因素，影响着目标自身的红外特征以及目标和周围环境红外辐射的对比特性。1 太阳辐射特性当地球和太阳的距离等于其平均距离时，地球大气层外法向入射情况下的太阳辐射力( 太阳常数) 为：毛= f 易d 丑= 1 3 5 3 ( 埘2 )( 2 2 4 )太阳辐射的能量主要集中在o 2um 2 5um 的波长范围内。由于大气的作用，地球上物体表面所吸收的太阳辐射分为两部分：直接辐射来自太阳的、方向不变的光速辐射s 。：散射辐射所接收到的来自整个天空的、由于大气的反射和散射而方向发生变化的那部分太阳辐射。太阳投射到地球上物体表面的辐射强度与太阳在地平面上的高度角、方位角、物体所在地的海拔高度和大气的透过特性有关。太阳辐射中的各项可由下面的关系式确定。垂直于太阳光线的直接辐射：s 。= 厄。曙( 2 - 2 4 )式中，日地间距引起的修正值；己大气透明度；卅大气质量。太阳散射辐射的计算要分为水平面与倾斜面。水平面上的散射辐射：& = c l ( s i l l l l ) c 2( 2 2 5 )倾斜面上的散射辐射：= c l ( s i l l l l ) 。2c o s 2 2 )( 2 2 6 )式中c 。、c 2 经验系数，其值取决于大气透明情况；h 太阳高度角：第1 2 页国防科学技术大学研究生院学位论文口斜面倾角。对于倾斜面，则还需考虑来自地面的反射辐射：s ，= p 晶嚣s i n h + c 。( s i n h ) 。：l d 三 掣( 2 2 7 )式中p 地面的太阳反射率；口斜面倾角。对于某一表面f ，作用于其上的太阳辐射为：巨。= 彳；s 。口，+ 4 d + 母k 。( 2 2 8 )式中口；f 单元外表面的太阳吸收率；4 考虑遮挡后，f 表面被太阳照射到的部分在垂直于太阳入射光线的平面上的投影面积，简称“太阳入射投影面积”；爿，f 单元外表面的实际换热面积。2 天空背景辐射天空背景辐射属于长波辐射。一般地，天空背景投射到某一表面的辐射功率可表述为：= r 7r ”f g ( 乞( 鹕五) e ( m d 口却( 2 - 2 9 )式中曰经度角，o 口万2 ；谚纬度角，o 目2 万；岛，口，丑) 天空背景单色发射率；l 船，口) 天空背景温度；9 0 ，占) 考虑表面方位的一个几何参数。对于晴朗天空，式( 2 2 9 ) 经过适当的近似简化，可写成：= 0 + 6 孑切：岛叫( 2 - 3 0 )式中盯和6 由实验确定的常数，它们随地域、季节不同而变化，如在北美地区o 5 1 臼 o 6 0 ，o 0 5 9 6 0 0 6 5 ：p 空气中水蒸气压力：第1 3 页国防科学技术大学研究生院学位论文s 。天空背景发射率，o 7 毛 0 9 8 。对于多云的天空，式( 2 2 9 ) 可近似写成：= ( 1 一c b 。叫+ 0 臃( 2 - 3 1 )式中毛0 ) 云层发射率；毛0 ) = 巳( 1 + n c 2 ) ；c 云层厚度等级；瓦云层平均绝对温度；n 经验常数，随云层厚度由薄向厚变化，在o 2 o 0 4 范围取值。需要指出的是，太阳辐射和天空背景辐射的计算表达式只是统计学意义上的关系式，具有平均条件下的一定准确性，而并非能精确描述某一小时间范围内的气象变化。2 1 5 红外辐射强度计算物体的红外辐射由两部分组成：自身辐射和对来自周围物体投入辐射的反射。在不考虑表面镜反射特性时，目标向外界发出的在3pm 5um 或8um 1 2 um 波段的红外辐射能量为：m 一也2i ：2 占( 五，丁) 南d 丑+ 姜l ：2 p ( 五，r ) h a ，d 丑c z - ，：，式中c l 、c 2 经验系数。s 以，r ) 物体的发射率；p 以，丁) 背景的反射率巩来自第个背景( 如太阳、天空、地物、相邻物体) 的单色有效辐射。于是，可得目标或背景表面在五五波段的红外辐射强度：，：当丑( 2 3 3 )l 一如。j 产 3 3 2 2 红外辐射在大气中的传输从红外辐射源发出的辐射，大都要经过大气到达红外接收器。由于大气的吸收和散射，第1 4 页国防科学技术大学研究生院学位论文使红外辐射发生衰减。大气的吸收，将使一部分红外辐射变成其它形式的能量或另一种光谱分布；大气的散射将使部分红外辐射偏离原来的方向并且改变辐射的偏振度。在严重的情况下，大气衰减可以使红外仪器无法正常工作。例如，红外雷达的分辨率要比无线电雷达高的多，并且保密性强，可以被动式地进行工作，但是由于大气衰减，使得它无法象无线电雷达那样进行全天候工作。对于红外辐射在大气传输中衰减的计算，理想状态符合指数衰减定律：m = 中n p 一止( 2 - 3 4 )式中中，入射的单色辐射通量：o ，通过l 厚大气层后的单色辐射通量；k ，对波长五的衰减系数。实际上，大气对红外辐射的吸收和散射相当复杂，不可能按照简单的衰减定律来确定红外辐射通过大气后的衰减效应。对于大气吸收来说，其吸收系数不仅与辐射波长有关，还与各种气体分子种类及分子浓度有关，而且，还决定于其它大气条件，比如气压、温度、湿度等。大气中的吸收带，是由于分子振动能级间跃迁引起的，引起强烈红外吸收的气体是那些在振动时引起分子电偶极距变化的多原子气体分子，而对于组成大气的主要气体氮、氧等，都是对称分子，它们在振动时不发生电偶极距的变化，因而不吸收1 5um 以下的红外辐射。在可见光区和波长接近可见光的部分红外区，由于大气对它们没有强烈的吸收，因此，在这些区，辐射衰减的原因主要是散射造成的。大气中的雨、雾、霜和冰、尘、烟等微粒，由于它们的尺寸与可见光波长相近，散射效应较强，导致可见光的衰减较大。在红外区中，随波长的增加，散射所占的比例逐渐减少。下面详细讨论了大气对红外辐射的吸收和散射现象。2 2 1 大气组成大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。按混合比可分为均匀不变组分和可变组分。”。干燥大气的主要成分是氮( 约占7 8 8 ) 和氧( 约占2 0 9 ) ，其余为二氧化碳、氩、甲烷、一氧化二氮、氖、氦、氢、氪和氙等，它们所占的百分比都很小。这些气体的相对比例在从海平面直到8 0 k m 的高度都几乎不变，因此把它们称为