利用大氣修正因子提高目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量精度

郭立紅，郭漢洲,2*,楊詞銀，李　寧

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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利用大氣修正因子提高目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量精度

郭立紅1，郭漢洲1,2*,楊詞銀1，李寧1

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

提出了利用大氣修正因子修正大氣透過率來(lái)提高測(cè)量目標(biāo)紅外輻射特性精度的方法。建立了目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量模型，給出了基于大氣修正因子的目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量方法。該方法將短距離大氣透過率實(shí)測(cè)結(jié)果和MODTRAN模擬計(jì)算的大氣透過率之比定義為基礎(chǔ)大氣修正因子，然后依據(jù)長(zhǎng)距離與短距離的不同數(shù)量關(guān)系得到增強(qiáng)大氣修正因子，最后利用該因子對(duì)MODTRAN計(jì)算的長(zhǎng)距離大氣透過率進(jìn)行修正并進(jìn)行目標(biāo)的輻射反演，從而獲得目標(biāo)輻射特性。 對(duì)中波紅外攝像機(jī)進(jìn)行了定標(biāo)，利用中波紅外攝像機(jī)和面源黑體開展了目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用大氣修正因子修正大氣透過率的目標(biāo)輻射測(cè)量方法得到的目標(biāo)輻射特性測(cè)量精度在8%左右， 高于傳統(tǒng)的利用MODTRAN計(jì)算方法得到的20%的測(cè)量精度。得到的結(jié)果顯示本文方法較傳統(tǒng)方法較大程度地提高了目標(biāo)輻射特性測(cè)量精度。

大氣修正因子；大氣透過率；紅外攝像機(jī)；紅外輻射特性測(cè)量；測(cè)量精度

*Correspondingauthor,E-mail:guohanzhou1@163.com

1　引　言

目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量可以提供目標(biāo)輻射溫度、輻射亮度、輻射強(qiáng)度和輻射譜特征等重要參數(shù)，從而為設(shè)備的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別能力分析提供依據(jù)，所以是設(shè)計(jì)、論證、武器系統(tǒng)研制的重要環(huán)節(jié)[1]。無(wú)論是敵方目標(biāo)的紅外偵查和跟蹤制導(dǎo)，還是我方目標(biāo)的紅外隱身和仿真，都需要目標(biāo)紅外輻射特性作為依據(jù)[2]，因此，測(cè)量和研究目標(biāo)紅外輻射特性是一項(xiàng)既基礎(chǔ)又重要的工作[3-4]。

目標(biāo)紅外輻射特性的獲取方法主要有仿真計(jì)算和實(shí)際測(cè)量。前者不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境和成本的限制，得到了廣泛應(yīng)用，但是其有效性和準(zhǔn)確性無(wú)法得到驗(yàn)證，只能作為輔助手段；后者是直接獲取目標(biāo)真實(shí)紅外輻射特性的唯一手段，也是本文使用的測(cè)量方法[5]。

目標(biāo)紅外輻射特性的測(cè)量步驟如下：

(1)進(jìn)行紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的輻射定標(biāo)，目的是確定紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的輻射響應(yīng)度；

(2)利用紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)，得到目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù)，并獲得當(dāng)前大氣環(huán)境的大氣透過率和大氣程輻射；

(3)根據(jù)輻射響應(yīng)度、大氣透過率和大氣程輻射等數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到被測(cè)量目標(biāo)的紅外輻射特性數(shù)據(jù)。

其中，大氣透過率和大氣程輻射是先通過大氣觀測(cè)設(shè)備得到一些大氣參數(shù)，然后輸入大氣輻射傳輸計(jì)算軟件計(jì)算得到的，精度一般為20%左右，不過氣象條件比較惡劣的情況下測(cè)量精度會(huì)下降10%左右，由此導(dǎo)致目標(biāo)紅外輻射特性的測(cè)量精度在20%～30%左右[6]。

本文將短距離實(shí)際測(cè)量的大氣透過率和大氣輻射傳輸計(jì)算軟件計(jì)算的大氣透過率之比定義為基礎(chǔ)大氣修正因子，依據(jù)長(zhǎng)距離與短距離的不同數(shù)量關(guān)系改變基礎(chǔ)大氣修正因子得到增強(qiáng)大氣修正因子，借此修正長(zhǎng)距離的大氣輻射傳輸計(jì)算軟件計(jì)算的大氣透過率，提高大氣透過率的測(cè)量精度。然后利用長(zhǎng)距離修正后的大氣透過率校正目標(biāo)的紅外輻射特性測(cè)量數(shù)據(jù)，提高目標(biāo)輻射特性的測(cè)量精度。

2　目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量模型

在測(cè)量目標(biāo)紅外輻射特性時(shí)，要考慮到測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)目標(biāo)之間的大氣影響。大氣中的分子和氣溶膠粒子等對(duì)來(lái)自目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行散射和吸收，同時(shí)大氣自身輻射也會(huì)與目標(biāo)輻射相疊加。因此，目標(biāo)的紅外輻射測(cè)量模型為[7]：

DN=α[τaLt+Lpath]+DN0,

(1)

式中:DN為紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值，α為紅外攝像機(jī)的輻亮度響應(yīng)度，τa為被測(cè)目標(biāo)和紅外攝像機(jī)之間的大氣透過率，Lt為被測(cè)目標(biāo)的輻亮度，Lpath為被測(cè)目標(biāo)與紅外攝像機(jī)之間的大氣程輻射，DN0是由紅外攝像機(jī)自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。

根據(jù)式(1)進(jìn)行輻射反演得到目標(biāo)的輻亮度為：

(2)

式中:α和DN0是通過紅外攝像機(jī)的輻射定標(biāo)獲得的系統(tǒng)參數(shù)值;大氣透過率τa和大氣程輻射Lpath是利用大氣觀測(cè)設(shè)備測(cè)量大氣參數(shù)，然后輸入到大氣輻射傳輸計(jì)算軟件中計(jì)算得到的。

根據(jù)式(2)可知，目標(biāo)輻亮度Lt的反演精度取決于紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值DN、紅外攝像機(jī)偏置值DN0、紅外攝像機(jī)輻亮度響應(yīng)度α、大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa的不確定度。根據(jù)前人在相關(guān)方面的研究和總結(jié)，不確定度分析如下：

(1)紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值DN的不確定度優(yōu)于1%；

(2)紅外攝像機(jī)偏置值DN0在常溫下的不確定度為2%左右；

(3)紅外攝像機(jī)輻亮度響應(yīng)度α的不確定度一般可控制在5%左右；

(4)大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa的不確定度主要取決于大氣參數(shù)的測(cè)量精度，一般在20%左右。

由以上分析可知，目標(biāo)紅外輻射的測(cè)量精度在22%左右，影響最大的因素為大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa。

3　利用大氣修正因子的紅外輻射特性測(cè)量方法

在距離紅外攝像機(jī)R0處設(shè)置一個(gè)黑體。將黑體分別設(shè)置在低工作溫度TL和高工作溫度TH，利用紅外攝像機(jī)分別測(cè)量?jī)煞N溫度下的黑體，得到測(cè)量輸出值DNL和DNH[8]：

DNL=α[τR0LL+LR0]+DN0,

(3)

DNH=α[τR0LH+LR0]+DN0,

(4)

其中：α為紅外攝像機(jī)的輻亮度響應(yīng)度，τRa為被測(cè)黑體和紅外攝像機(jī)之間的大氣透過率，LL和LH分別為低工作溫度TL和高工作溫度TH下的黑體輻亮度，LR0為被測(cè)黑體與紅外攝像機(jī)之間的大氣程輻射，DN0是由紅外攝像機(jī)自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。

根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算得到實(shí)際測(cè)量的大氣透過率為：

(5)

(6)

根據(jù)式(6)進(jìn)一步得到增強(qiáng)大氣修正因子CH：

CH=0.99[log2(RH/R0)+0.5]×C0,

(7)

其中：RH為被測(cè)目標(biāo)與紅外攝像機(jī)之間的距離，[ ]表示取整。

在測(cè)量距離為RH的目標(biāo)時(shí)，先用大氣輻射傳輸計(jì)算軟件計(jì)算出當(dāng)前大氣環(huán)境條件下距離RH的理論大氣透過率τRH，再乘以增強(qiáng)大氣修正因子，得到修正后的大氣透過率τRH：

(8)

由此利用式(2)進(jìn)行輻射反演得到目標(biāo)的輻亮度。根據(jù)式(5)，短距離實(shí)際測(cè)量的大氣透過率τR0的測(cè)量精度取決于紅外攝像機(jī)輻亮度響應(yīng)度α、紅外攝像機(jī)測(cè)量高溫黑體的輸出值DNH和測(cè)量低溫黑體的輸出值DNL、高溫黑體輻亮度LH和低溫黑體輻亮度LL的不確定度，具體分析如下：

(1)紅外攝像機(jī)輻亮度響應(yīng)度的不確定度一般可控制在5%左右；

(2)紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值DN的不確定度優(yōu)于1%；

(3)黑體輻亮度LL和LH的不確定度一般可控制在2%左右。

由此可知，短距離實(shí)際測(cè)量大氣透過率的測(cè)量精度在5.9%左右。

根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)，長(zhǎng)距離修正后的大氣透過率τRH的測(cè)量精度取決于距離R0的實(shí)際測(cè)量大氣透過率和理論大氣透過率τR0、距離RH的理論大氣透過率τRH，黑體和紅外攝像機(jī)之間的距離R0、被測(cè)目標(biāo)與紅外攝像機(jī)之間的距離RH的不確定度，具體分析如下：

(1)實(shí)際測(cè)量大氣透過率τR0的不確定度在5.9%左右；

(2)距離R0和RH的測(cè)量精度分別在1%左右；

(3)理論大氣透過率τR0和τRH的不確定度取決于距離R0,RH以及大氣輻射傳輸計(jì)算軟件的計(jì)算精度。綜合可知，不確定度分別在3.2%左右。

由此可知，長(zhǎng)距離修正后的大氣透過率的測(cè)量精度在7.6%左右。

根據(jù)式(2)，利用長(zhǎng)距離修正后的大氣透過率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輻射反演的精度在17.7%左右，優(yōu)于傳統(tǒng)的大氣透過率輻射反演的精度。

4　外場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1紅外攝像機(jī)輻射定標(biāo)

本文選取中波紅外攝像機(jī)作為紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量之前需要先對(duì)中波紅外攝像機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)，確定紅外攝像機(jī)的輻射響應(yīng)度。采用ISDC IRl50 面源黑體作為輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。紅外攝像機(jī)輻射定標(biāo)模型如下[9-10]：

DN=α·L+DN0,

(9)

式中：DN為紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值，α為待定標(biāo)的紅外攝像機(jī)的輻亮度響應(yīng)度，L是面源黑體在紅外攝像機(jī)測(cè)量波段(3.7～4.8 μm)內(nèi)的輻亮度，DN0是由紅外攝像機(jī)自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。黑體的輻亮度通過普朗克公式計(jì)算[11-13]，即：

(10)

式中:λ1,λ2為紅外攝像機(jī)的測(cè)量波段，ε為黑體發(fā)射率，T為黑體工作溫度，c1和c2分別為第一、第二輻射常數(shù)[14]。c1,c2分別為：

c1=3.741 771 790(46)×10-16，

c2=1.438 777 36(83)×10-2.

表1、表2分別給出了中波紅外攝像機(jī)和ISDC IRl50面源黑體的技術(shù)參數(shù)。

表1　中波紅外攝像機(jī)的技術(shù)參數(shù)

表2　ISDC IRl50面源黑體的技術(shù)參數(shù)

通過改變面源黑體的溫度，得到不同的黑體輻亮度值L，中波紅外攝像機(jī)測(cè)量面源黑體得到不同的測(cè)量輸出值DN。設(shè)定積分時(shí)間為2.5 ms。圖1是中波紅外攝像機(jī)的輻射定標(biāo)結(jié)果，橫坐標(biāo)代表面源黑體的輻亮度L，縱坐標(biāo)代表紅外攝像機(jī)測(cè)量輸出值DN。

圖1　中波紅外攝像機(jī)的輻射定標(biāo)結(jié)果Fig.1　Result of radiation calibration of medium wave infrared camera

根據(jù)式(9)，利用最小二乘法對(duì)中波紅外攝像機(jī)的輻射定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到中波紅外攝像機(jī)的輻亮度響應(yīng)關(guān)系為：

DN=2 372×L+2 425.

(11)

4.2目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際測(cè)量中的可行性，利用前文已經(jīng)標(biāo)定好的中波紅外攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行紅外輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。首先，將參考輻射源ISDC IRl50 面源黑體放置在距離中波紅外攝像機(jī)200 m處進(jìn)行測(cè)量，以獲得大氣透過率。中波紅外攝像機(jī)的積分時(shí)間為2.5 ms，面源黑體的溫度分別設(shè)置在45 ℃和60 ℃，對(duì)應(yīng)的輻亮度分別為L(zhǎng)L和LH，紅外攝像機(jī)對(duì)面源黑體的測(cè)量輸出值分別為DNL和DNH。表3給出了200 m處面源黑體的中波紅外攝像機(jī)測(cè)量結(jié)果。圖2是200 m處中波紅外攝像機(jī)得到的面源黑體圖像。

表3　200 m處面源黑體的中波紅外攝像機(jī)測(cè)量結(jié)果

圖2　200 m處中波紅外攝像機(jī)得到的面源黑體圖像 Fig.2　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at 200 m

根據(jù)式(5)和式(11)，由表3的數(shù)據(jù)可以得到200 m處實(shí)際的大氣透過率為：

(12)

實(shí)驗(yàn)期間的大氣壞境溫度為-4 ℃，相對(duì)濕度為40%，長(zhǎng)春地區(qū)海拔210 m，能見度為10 km。根據(jù)以上大氣參數(shù)，利用大氣輻射傳輸計(jì)算軟件MODTRAN計(jì)算理論大氣透過率為：

(13)

根據(jù)式(6)得到基礎(chǔ)大氣修正因子為：

(14)

根據(jù)式(7)獲得距離分別為391 m和810 m的增強(qiáng)大氣修正因子為：

C391=0.99[log2(391/200)+0.5]×0.893=0.884,

(15)

C810=0.99[log2(810/200)+0.5]×0.893=0.875.

(16)

利用大氣輻射傳輸計(jì)算軟件MODTRAN計(jì)算距離為391 m和810 m的大氣透過率τRH和大氣程輻射LRH。之后根據(jù)式(8)計(jì)算得到修正后的大氣透過率τRH。表4給出了各測(cè)量距離下利用MODTRAN計(jì)算得到的大氣透過率和修正后的大氣透過率。

表4　各測(cè)量距離下利用MODTRAN計(jì)算的大氣透過率和修正后的大氣透過率

將面源黑體作為被測(cè)目標(biāo)分別放置在391 m和810 m處，對(duì)黑體設(shè)置不同的溫度，利用中波紅外攝像機(jī)測(cè)量目標(biāo)黑體，得到紅外攝像機(jī)的測(cè)量輸出值。根據(jù)式(2)，利用大氣輻射傳輸計(jì)算軟件MODTRAN計(jì)算的大氣透過率對(duì)目標(biāo)黑體進(jìn)行輻射反演，得到輻亮度圖3為長(zhǎng)距離下中波紅外攝像機(jī)得到的目標(biāo)黑體圖像。表5給出了利用MODTRAN計(jì)算的大氣透過率的目標(biāo)輻亮度反演結(jié)果。根據(jù)式(2)，利用修正后的大氣透過率對(duì)目標(biāo)黑體進(jìn)行輻射反演，得到輻亮度值Lt。表6給出了長(zhǎng)距離利用修正后的大氣透過率進(jìn)行目標(biāo)輻亮度反演的結(jié)果。

表5　利用MODTRAN計(jì)算的大氣透過率進(jìn)行目標(biāo)輻亮度反演的結(jié)果

圖3　長(zhǎng)距離下中波紅外攝像機(jī)得到的目標(biāo)黑體圖像Fig.3　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at a long distance

對(duì)比表5和表6可知，利用經(jīng)過增強(qiáng)大氣修正因子修正后的大氣透過率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輻射反演的精度，優(yōu)于利用MODTRAN計(jì)算的大氣透過率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輻射反演的精度，反演精度由20%左右提高到8%左右。

表6　利用長(zhǎng)距離修正后的大氣透過率的目標(biāo)輻亮度反演結(jié)果

5　結(jié)　論

本文利用中波紅外攝像機(jī)和ISDC IRl50 面源黑體開展了目標(biāo)紅外輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與利用MODTRAN計(jì)算的大氣透過率的目標(biāo)輻射測(cè)量方法相比，本文利用經(jīng)過增強(qiáng)大氣修正因子修正后的大氣透過率的目標(biāo)輻射測(cè)量方法可將測(cè)量精度由20%左右提高到8%左右。

由于本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的大氣環(huán)境為水平大氣，且測(cè)試距離較近，所以該測(cè)量方法的適用環(huán)境為水平大氣近距離情況。由于實(shí)驗(yàn)室擁有的最大面源黑體尺寸是300 mm×300 mm， 中波紅外攝像機(jī)的單元探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)最小是0.075 mrad×0.075 mrad，因而無(wú)法開展更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)輻射特性測(cè)量。今后將購(gòu)置新的實(shí)驗(yàn)器材，并改善實(shí)驗(yàn)條件，開展更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出方法的有效性。本文計(jì)算增強(qiáng)大氣修正因子的模型較為簡(jiǎn)單，獲得目標(biāo)紅外輻射特性的增強(qiáng)大氣修正因子的精確度不高。今后將完善增強(qiáng)大氣修正因子計(jì)算模型，采用二次或更高次曲線模型，獲得更精確的增強(qiáng)大氣修正因子，從而進(jìn)一步提高目標(biāo)紅外輻射特性的測(cè)量精度。

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郭立紅(1964-)，女，吉林舒蘭人，研究員，博士生導(dǎo)師，1986年于長(zhǎng)春光學(xué)機(jī)械學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，1998年、2003年于中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事光電對(duì)抗裝備的總體設(shè)計(jì)。E-mail:guolh@ciomp.ac.cn

郭漢洲(1990-)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，2014年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事紅外目標(biāo)特性測(cè)量與輻射定標(biāo)等方面的研究。E-mail:guohanzhou1@163.com

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Improvement of radiation measurement precision for target by using atmosphere-corrected coefficients

GUO Li-hong1, GUO Han-zhou1,2*,YANG Ci-yin1, Li Ning1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

A method to improve the infrared radiation measurement precision of a target based on correcting atmospheric transmittance by using an atmosphere-corrected coefficient was proposed. A measuring model of infrared radiation characteristics for the target was established, and the measuring method of the infrared radiation characteristics for the target was given. The method defines the ratio between the really-measured atmospheric transmittance at a short distance and the calculated one by using MODTRAN as an atmosphere-corrected coefficient. Then, it obtains the enhanced atmosphere-corrected coefficient according to the different quantitative relationships between the short distance and other distance. Finally, it uses the enhanced atmosphere-corrected coefficient to correct the long distance atmospheric transmittance and to invert the radiation of the target, so that to obtain the radiation characteristics of the target. A middle wavelength infrared camera was calibrated and the measuring experiment of the infrared radiation characteristics for the target was carried out by the middle wavelength infrared camera and a black body. The results show that the radiation measurement precision obtained by using MODTRAN is about 20% and that obtained by the proposed method is about 8%. It demonstrates that the radiation measurement precision has improved greatly as comparing with that of the conventional method.

atmosphere-corrected coefficient; atmospheric transmittance; infrared camera; infrared radiation measurement； measurement precision

2015-12-07；

2016-02-01.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61205143)

1004-924X(2016)08-1871-07

TP732.2；TN215

A

10.3788/OPE.20162408.1871