光电成像原理与技术Chapter3-辐射源与典型景物辐射

第三章辐射源与典型景物辐射黑体辐射定律辐射源及其特性2/5/2023黑体辐射定律基尔霍夫定律：热辐射：物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。只要温度高于绝对零度的物体都将产生辐射。当辐射能入射到物体表面时，被吸收的能量与入射总能量之比，成为物体的吸收本领αλ；被反射的能量与入射总能量之比，成为物体的反射本领ρλ。显然，不透明物体的吸收与反射本领之和为1。实验指出，物体的发射本领（即辐射出射度）和吸收本领之间有一定关系。基尔霍夫定律：物体的辐射出射度M和吸收本领α的比值与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(α=1)的辐射出射度M0。基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为λ的任何单色辐射也都正确。它是一切物体热辐射的普遍定律，表明吸收本领大的物体，其发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。AB2/5/2023黑体辐射定律基尔霍夫定律：辐射发射率（比辐射率）ελ

：在相同温度下，辐射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之比。黑体，ελ＝1；灰体，ελ

＝ε<1，与波长无关；选择体，ελ

<1，且随着波长和温度变化。2/5/2023黑体辐射定律黑体辐射定律：普朗克定律：描述黑体辐射出射度随波长和温度的函数关系。式中c1,c2是第一第二辐射常数。斯蒂芬－玻尔兹曼定律（全波长辐射定律）:由普朗克公式在全波段积分得到。维恩位移定律（峰值波长与温度的定律）：对普朗克公式求极值得到。最大辐射定律：把峰值波长带入普朗克公式而得。2/5/2023辐射源及其特性人工目标辐射源腔型黑体辐射源面型黑体辐射源自然环境辐射及其在目标上的反射典型军事目标辐射自然辐射源红外场景仿真器用于在室内模拟实际环境和状态的红外场景。2/5/2023腔型黑体辐射源(a)(b)(c)(d)LLLL2R2R2R2R2/5/2023面型黑体辐射源靶标靶标支撑架黑体源靶标温度传感器2/5/2023辐射源及其特性典型军事目标辐射地面目标:目标温度低,辐射能量小,且辐射多集中在8~14微米海上目标：目标排气筒部分温度较高，其余部分温度低，目标与背景辐射特性差异大。空中目标：目标速度快、体积小，温度高能发射很强的红外辐射。飞机的辐射：尾喷管、排出气流、蒙皮的热辐射海上目标的辐射：舰船的烟囱是较强的辐射源，峰值波长在8微米左右，尽管舰体温度与海水温度相近，但二者的辐射发射率差异大，且海水的辐射发射率不断变化，易造成目标与背景的大对比度。地面车辆辐射：车辆的排气管最热，其次是发动机外壳，运动中车辆的传动装置、轮胎等。炮口闪光：人体的辐射：在2微米以上的波段辐射与黑体基本一致，峰值波长在8~14微米波段。2/5/2023军事目标辐射源涡轮喷气发动机示意图2/5/2023军事目标辐射源－飞机喷口的辐射强度角分布2/5/2023军事目标辐射源－三叉戟和米格15M飞机喷口的辐射光谱分布2/5/2023军事目标辐射源－波音707排出气体流的等温线，及辐射随距离的衰减2/5/2023军事目标辐射源－炮口闪光的光谱分布2/5/2023自然辐射源太阳：射至地球的太阳辐射功率、光谱分布与太阳高度、大气状态关系很大。地球：主要由反射和散射的太阳光以及自身热辐射组成，有两个光谱峰值：0.5微米（来自太阳）10微米处的自身辐射。月球：主要包括反射的太阳辐射和自身的辐射，近似于400K黑体，峰值在7.24微米星球：其辐射量对地球很小，用星等来描述星的亮度。大气辉光：产生于70km以上的大气层中，是夜天辐射的主要组成部分，由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子并与分子发生低几率碰撞，是其产生的原因。夜天空辐射：由上述各种自然辐射共同构成，除可见光外包含大量丰富的近红外辐射，正是微光夜视系统所利用的波段。2/5/2023在平均地-日距离上太阳的的光谱分布2/5/2023典型地物的光谱辐亮度2/5/2023月球辐射特性2/5/2023星等的概念星的亮度用星等衡量，以在地球大气层外所接收的星光辐射产生的照度来衡得。规定星等相差五等照度比为100倍，即相邻两等星得照度比为2.512倍。规定零等星的照度为2.65X10-4lx，比零等星亮的星等为负。2/5/2023大气辉光和夜天光2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真其他相关模型及计算软件噪声模型及仿真软件仿真结果显示输出模拟噪声输出图像输出图像输出分析结果输出相关数据物理模拟仿真系统图像信息处理与分析实际成像系统目标及背景模拟仿真器物理（半实物）仿真工作框图2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、图形发生计算机、红外目标仿真器、红外场景投影光学系统、伺服运动控制系统和载机模拟运动飞行转台组成。其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景信息：一是采用光学投影模式；二是信号直接注入。信号注入模式是通过界面不经过光学投影系统将场景信息直接送入光电传感器的电子组件,实现系统的仿真测试。2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真

红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算机的指令，根据各种模型或数据库,实时产生实战红外场景图像，并传给红外目标再现发生器,经转换成为能被探测器接收的辐射图像。详细地仿真来自天空、太阳光、目标、地物和大气的辐射分量。解决这一问题需要若干技术的集成，包括实时IR现像学建模、IR建模及数据库研制、实时场景再现和测试中的系统仿真。

2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真

目标再现发生器：接受C1G的图像信号，将CIG生成的图像转换为具有红外辐射特征能被探测器接收的红外图像,被光学投影系统接收，并将其准直成平行光投影到传感器系统。它的技术要求主要是空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。

二维目标运动伺服系统：接受系统仿真计算机仿真指令，准确地复现火控系统所攻击目标的机动范围。

三轴飞行模拟器：实时模拟系统的载机运动，完全再现载机空间各种运动姿态。2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真国外几种典型红外仿真系统有：1.热电阻面阵实时成像仿真系统W1SP；2.激光二极管面阵实时成像仿真系统；3.滑动变焦式光电仿真系统；4.多目标点源仿真系统；5.IR-CRT仿真系统；6.IR液晶光阀仿真系统。其中，后两种是美国早期研制的红外仿真投影系统，这类系统存在的严重缺点是图像闪烁及帧速低,不能满足武器系统的仿真需求。现在己成功使用的面阵式目标源,其分辨率达到512×512，帧速达到100Hz以上,对模拟场景的空间、时间和光谱分辨率有严格要求,可满足红外制导、前视红外瞄准、红外搜索跟踪和红外告警等系统仿真的需求。国内的典型红外仿真系统主要有：1.014中心点源跟踪模拟仿真系统；2.航天二院的长波红外跟踪模拟仿真系统等。2/5/2023光电系统的半实物模拟仿真图2美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统2/5/2023图1红外目标及干扰产生系统半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器2/5/2023半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发生器的研究之后,国外的研究机构投巨资研制了512×512热电阻面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先进的计算机图像生成(CIG)技术和实时动态高帧频、高逼真、高分辨率512×512电阻面阵,辐射上升速度和下降速度达到2ms,动态范围可到850∶1，帧频100Hz,辐射波段3～5μm、8～12μm。此外，1024×1024像素、500Hz，波段在2～26μm宽范围内的高分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。2/5/2023几种典型的红外目标仿真器实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光—红外图像变换法两大类：热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红外辐射两种；可见光～红外图像变换法是利用可见光～红外图像变换器将可见光进行波长变换，生成红外图像。

半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023（1）电阻元阵列电阻元阵列的基本原理很简单，电阻元通电后电能转变为热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列(如图)由许多微小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外辐射。这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红外场景图像的仿真。电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，可生成逼真的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023（2）二氧化钒(VO2)薄膜变换器二氧化钒是一种具有传输滞后特性(迟滞回线如左图)的的材料，高于偏置温度(约65℃)时，VO2薄膜显金属性；低于偏置温度，VO2薄膜显半导体特性且透光。如果用热偏置方法使温度保持在迟滞回线以内，则可把VO2作为光学存贮介质，控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力、高清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器(如右图)是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景物图像写在1英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在瞬间使整个薄膜温度降到60℃以下即可。目前，国外通常采用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动态变化，必须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由片帧开关控制交替过程。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023（3）黑体薄膜变换器早期的黑体薄膜变换器(如左图)包括一个真空腔，腔上带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，将一幅可见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射率的红外辐射能量。由于金黑层非常薄，热惰性很小，所以温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑体薄膜产生的红外辐射与真实目标一致。由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像对于被测红外系统如同位于无穷远处。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023（4）液晶光阀变换器液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光-红外图像变换器件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外透射窗等部件组成。

液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐射偏振态变化与波长有关，在一定的外电场作用下，各种波长的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光阀变换器组成的检测系统如图，由计算机生成的可见光图像经光学纤维板落在Si光导体上，并将可见光图像信号变换成电压信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源发射的红外辐射被偏振分光器反射到光阀上，液晶使红外辐射得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦平面安装一投影物镜，则红外图像就如同来自无穷远处。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023休斯公司于1985年首先研制成功液晶光阀可见光-红外图像变换器，可在3～5m和8～14m双波段工作，视场角24×24，空间分辨力为256×256分立像元，帧速60Hz，温度分辨力为0.1℃，温度范围大于环境温度100℃。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023（5）先进的红外动态场景模拟仿真器2003年美国SBIR公司研制出红外热场景动态模拟发生器，主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器/任务设备信息融合的研究平台，左图给出了系统的各个关键部件，其中MIRAGE(Multi-spectralInfra-RedAnimationGenerationEquipment，右图)目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。表3-10给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量Emitterarrayresolution512512pixels,1k1kpixelsPixelsize39micronssquareEffectivetemperaturerange17°Cto450°C(3-5m),15°Cto314°C(8-12m)Thermalresolution0.004°Cat25°C,0.024°Cat300°CMaximumframerate200HzFlicker<0.1%MaxpixelschangeperframeFullframe(262,144pixels)Thermaltimeconstant5millisecondsPost-correctionnonuniformity<0.1%Deadpixels<0.1%DEEsize8.5"diameterx11"longDEEweight16poundsInputscenedataSiliconGraphicsDVP2(DDO2)digitalvideo

RS170,NTSC,PALanalogvideo

半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023MIRAGE的外形照片半实物模拟仿真的关键技术2/5/2023半实物模拟仿真的几个问题目前，场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美国的TTIM热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标/背景零视距离辐射图进行处理,生成热红外图像。目前需要解决的几个问题：1）目标与背景的几何模拟：计算量太大，使得计算机处理速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突破了以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应用于计算机图像生成；

2/5/2023半实物模拟仿真的几个问题2）温度模拟：建立准确的基本温度预测模型；3）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之间的相互影响，当背景中有多个目标时，失真较大，应考虑克服这方面的影响；4）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态图像。建立系统的动态模型，使得仿真图像会随着系统性能瞬时的变化(如突发的抖动或随机噪声)而改变;5）系统仿真模型与系统性能模型的有机结合：目前成像系统的仿真有两个方面，一个是从图像质量的角度出发,另一个是从系统性能参数的角度出发。两种仿真的共同目标是提高系统性能，可以考虑把这两个模型有机地结合起来，形成一个既能从图像质量角度评价系统,也能从性能参数评价系统的完善的仿真模型。6）建立的仿真模型不仅能从理论上准确地描述物理现象，而且要建立判断模型准确性的标准。把模型与实际情况进行比较,证明模型的合理性。2/5/2023国外典型的红外图像仿真模型和软件国外，尤其是美国在红外动态图像计算机仿真技术方面做了大量的工作，技术相当成熟并已用于实际系统的设计和评估中。如美国空军研究室军品管理局（AFRL/MN）负责开发的IRMA模型；由洛克希德技术研究所（RIT）开发的DISIG模型，由美国TTIM（TACOMThermalImagingModel）热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标/背景辐射图进行处理，生成红外图像；北约的Ac243合作研究推出的空中目标红外辐射模型NIRATAM，主要用于飞机红外辐射的预测和模拟。几种国外的典型模型：

1、SensorVision：SensorVision是较为出色一个图像仿真软件。作为Vega的一个模块，SensorVision可以实时产生从可见光到远红外线间各个波段的仿真图像。SensorVision需要知道物体的材料属性诸如热传输特性、材料的反射系数、镜面反射系数等等。2/5/2023国外典型的红外图像仿真模型和软件仿真流程图2/5/2023国外典型的红外图像仿真模型和软件步骤：1)首先，在Lynx的接口定义文件.adf中,定义红外探测器图形界面接口相关对象,并设置红外模拟所需的相关指定的输入数据数据库文件及路径；2)然后利用MOSARTatmosphericTool(MAT)设定大气传输模型,计算大气透射率、大气背景辐射、太阳或月亮的直接辐射等，由于计算量很大，通常是预先计算好，生成.mat文件。SensorVision读取.mat文件，进行实时仿真；3)而后利用TextureMaterialMappingTool(TMM)设定物体的纹理和材料物理特性。TextureMaterialMappingTool(TMM)提供了包括泥土、植被、建筑材料、合成材料和颜料等5类共95种材料的光谱特性和34种材料的热特性；4)最后通过SensorVision调用已经计算的各种参数，利用辐射度计算公式，计算场景中的红外辐射强度，并完成有辐射强度到灰度值的转换，生成红外图像。2/5/2023Vega的可见光与红外模拟图像国外典型的红外图像仿真模型和软件2/5/2023

2、GeorgiaTechVisibleandInfraredSyntheticImageryTestbed(GTVISIT)

①时间及版本：GeorgiaTech研究所(GTRI)(美国)80年代。②景物几何描述方法：目标和背景分别建模,对二者的描述分别为：三角形小面元构成的物体模型和网格化的地形背景。③热辐射模型：本身没有辐射预测模型。根据不同元素的要求，通过测量或利用其它模型计算后赋值，如GTSIG(以物理学第一定律为基础的辐射模型)或IRMA(以第一定律和现象学为基础)。④大气模型：大气效应包括大气衰减和路径辐射等，相关数据通过LOWTRAN软件的计算获得。国外典型的红外图像仿真模型和软件2/5/2023⑤图像生成及显示形式：可采用动态模式和“电影”回放模式生成和显示图像。⑥图像生成波段：生成0.4～15μm内的多光谱图像。⑦特点：a.主要生成小视场高分辨率的场景以支持战术方面的应用；b.模型采用分层结构，可以利用各种特征模拟方法来产生场景所需数据，便于更新。国外典型的红外图像仿真模型和软件2/5/20233、DigitalImagingandRemoteSensinglaboratory’sImageGenerationmodel(DIRSIG)①时间及版本：Rochester技术研究所(RIT)(美国)最新版本：DIRSIG3.4(2001年发布)。②景物几何描述方法：目标和背景均为AUTOCAD编写的3D面元模型，对它们的描述采用树形数据结构。③热辐射模型：以物理学第一定律为基础的辐射模型(包括自发辐射和表面反射辐射)，其中用THERM计算温度，光线追迹法计算辐射。也可借用其它温度预测模型的结果，如PRISM/MuSES/SIRIM。④大气模型：采用AFGL大气模拟代码(FASCODE和MODTRAN)来预测所有的大气元素，包括大气透过率，路径辐射和散射等。国外典型的红外图像仿真模型和软件2/5/2023⑤图像生成及显示形式：生成图像序列,回放模式显示。若牺牲一定的精度，也可用于实时动态显示。⑥图像生成波段：生成0.3-20μm内的多光谱图像。⑦特点：a.以物理学第一准则为基础，包括了大多数的物理现象，属于精确图像生成模型；b.能模拟整个成像链；c.图像生成所需的时间较长。。国外典型的红外图像仿真模型和软件2/5/20234、InfraredModelingandAnalysis(IRMA)。①时间及版本：GrummanAerospaceandAnalytics(美国)1980目前版本：Irma5.0(2000年发布)。②景物几何描述方法：