点源目标的红外成像系统作用距离分析

1、第7卷 第18期 2007年9月1671 1819(2007)18 4587 04科 学 技 术 与 工 程ScienceTechnologyandEngineeringVo.l7 No.18Sep.20072007 Sc.iTech.Engng.通信技术点源目标的红外成像系统作用距离分析黄 静 刘朝晖 邓书颖(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘 要 红外系统的作用距离是红外探测系统的一个重要的综合性能参数,它直接影响红外图像的像质,从而影响目标的提取与识别。基于NETD和NEFD对红外成像系统的作用距离进行了详细的分析,以便在设计中参考使用。关键词 点源目标 NETD N

2、EFD 红外成像系统 作用距离中图法分类号 TN219; 文献标识码A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1公式可以避免其中的一些的不足。尤其是避免了对大温差目标进行校正的问题。1 基于成像系统

3、NETD估算作用距离当系统的噪声仅受探测器的噪声所限制时,对于红外探测系统的作用距离,传统的分析方法主要以目标的辐射功率在探测器上的响应是否满足信噪比要求为依据,其具体的公式如下:a It0D0DR=sAd 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为大气平均透过率; 0为光学效率;D为探测器的比探测率;D0为系统的通光口径;Ad为敏感单元面积; f为系统宽带: f=1/2T,T为积分时间,积分时间取1ms, f为500Hz;由噪声等效温差的定义可得1,21/2*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

4、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。E mai:lhuangjing1631。:(2)Ad NETD=!0 0DXT高低张角的乘积;XT为微分辐射量。把(2)式代到(1)式中可得:R=2其(2)式中:!为探测器敏感元的水平张角和It aNETDs!XT(3)4588科 学 技 术 与 工 程7卷2,3又:It=T#At %

5、4从图1可以计算得(4)(5)-4:(8)Et=当(=0时,Et=Itcos(aR RC2 %TXT=式中:=5.67 10-12ItaR。RW!cm!K,系斯蒂芬系4数;#:目标表面材料的发射率;%2:探测器的工作波段的下限;C2=1.4388 10&m!K,系第二辐射系数;At:敏感元面积;T:目标温度; %:探测器工作波段上下限的相对能量差。把(4)式和(5)式带入(3)式可得:%2At#T aR=C2NETD!s/n(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34),这时作用距离就成为:%2At#T aR=C2NETD!s/n图1 点源产生

6、的辐照度(7)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/Sr103.46204.4306.3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。(2)背景辐射在红外系统入瞳上的辐照度Eb:Eb=Lb()-)t) a(9)其(9)式中:Lb:背景的辐射亮度;):红外

7、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。表2 不同环境温度下天空辐亮度Lb(W/cm2)环境温度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Et

8、: 点源辐射强度为It;点源到被照面的距离为R;dA对;夜晚白天(3)红外系统总的辐照度:E=Et+Eb的辐照度:(10)(4)当背景充满探测单元时,红外系统入瞳上18期黄 静,等:点源目标的红外成像系统作用距离分析4589E=Lb) aR(5)目标与背景在入瞳上的辐照度差: E=E-E=It-LbAt2aR (At=)tR)R(11)12km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(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:(NEFD=Lb) a(

9、R)NEFDR=2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%20km,距离10km时的大气透过率。表3 大气透过率环境温度/#相对湿度10#20#30#35#40#45#(13)It-LbAt aR。NEFDs/n(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Lb) aR。当点源所在的分辨单元上的背景辐射亮度为0,而邻近单元上的背景辐射亮度为最大值Lb。此二单元在入瞳上引起的辐照度差为:ItaR-Lb) aR于背

10、景产生的辐照度ItR或:21300.36940.29370.23620.219400.32890.26710.211500.30370.2440.1920.1650.130.1370.10.1280.078(14)0.18970.168若要探测到点源目标,必须使上面的差值不小,即要求:(15)(16)图2为海拔1100km,能见度20km和能见度15km时不同温、湿度的大气透过率曲线。a-Lb) aR%Lb) aRR&2It2Lb)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

11、大气进行透过率计算。平均海拔为1100m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,At=35mm 500mm来说,当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 学 技 术 与 工 程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,推导出了分别图3 大气红外透过率随距离的变化基于NETD、NEFD两种估算红外成像系统对点源目标的作用距离的方法,该方法简单、实际可行,可针对不同的

13、条件、地域及环境对红外成像系统作用距离进行估算。参 考 文 献1 陈玻若.红外系统.北京:国防工业出版社.1988:287 2912 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 2683 张 盈.热成像系统的噪声.红外技术,2003;25(2):33 364 张幼文.红外光学工程.上海:科学技术出版社.1982:31 45 ),其中T为目标表面驻点温度,T0目标表面环境温度,Ma为目标运动速度(马赫数),经计算取平均温度T=600K。这时:%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就几种信噪比时的探测距离计算如表4。表4 红外系统的探测距离信噪比s/n探测距离R/km5.07.734.58.113.58.553.18.96TheoreticalAnalysisoftheOperatingRangeofInfraredImagingSystemHUANGJing,LIUZhao hu,iDENGShu ying(Xi anInstituteofOpticsandPrecisionMechanicsofACS,Xi an710068,P.R.China)Abstract Theoperatingrangeofinfraredsystemisaveryimportantparameterofthesystemoftheinfraredde tection