基于紅外輻射特性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)面目標(biāo)測(cè)量

喬鐵英，蔡立華，李 寧，李 周，3*，李成浩，3

(1.92853部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125106;2.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;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

隨著紅外技術(shù)的快速崛起，紅外輻射特性測(cè)量得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。靶場(chǎng)紅外目標(biāo)輻射特性測(cè)量是探測(cè)目標(biāo)、獲取目標(biāo)表面溫度分布和評(píng)價(jià)目標(biāo)隱身效果的基礎(chǔ)技術(shù)之一[1]。而地基紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)，即紅外經(jīng)緯儀是現(xiàn)代化、信息化靶場(chǎng)對(duì)航空、航天目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、測(cè)量必不可少的光電測(cè)量設(shè)備[2]。

在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，通常會(huì)將被觀測(cè)的目標(biāo)分為擴(kuò)展源目標(biāo)和點(diǎn)源目標(biāo)。所謂點(diǎn)源一般是指在探測(cè)器上幾何成像面積小于一個(gè)像元的目標(biāo)，但是在實(shí)際測(cè)量中，理想的點(diǎn)源目標(biāo)是幾乎不存在的，某些成像形狀單一，但面積大于一個(gè)像元的目標(biāo)如果作為面目標(biāo)處理會(huì)有很大的誤差,而作為點(diǎn)源目標(biāo)處理能得到有很好的結(jié)果。工程上通常將成像小于10×10 像元數(shù)的目標(biāo)作為點(diǎn)源目標(biāo)。擴(kuò)展源又稱為面目標(biāo)，其幾何成像面積大于一個(gè)像元。一般情況下，如果目標(biāo)在靶面上的成像大于10×10，將其作為面目標(biāo)處理。對(duì)于紅外靶場(chǎng)測(cè)量一般會(huì)將近距離的導(dǎo)彈、火箭以及低空飛行的飛機(jī)看成面目標(biāo)。輻射學(xué)上，擴(kuò)展源目標(biāo)的輻射量通常用輻射亮度表示，輻射亮度既包括輻射源的位置信息又包括國(guó)輻射源的方向特征信息。面目標(biāo)的輻射測(cè)量是紅外輻射特性測(cè)量的重要組成部分，有著重要的應(yīng)用前景[3]。

學(xué)者們?cè)谳椛涮匦詼y(cè)量領(lǐng)域取得許多成就。李云紅等人研究了定標(biāo)與測(cè)量條件相同時(shí)的精確測(cè)溫技術(shù)；楊詞銀、李寧等人研究了地基大口徑輻射測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo)測(cè)量[1-4]；孫志遠(yuǎn)，常松濤等人提出寬動(dòng)態(tài)范圍的定標(biāo)以及點(diǎn)目標(biāo)測(cè)量方法[5-7]。然而，目前可查閱的文章中，大部分是針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的測(cè)量，面目標(biāo)由于情況復(fù)雜，具有各異性，對(duì)其研究相對(duì)滯后，通常還是利用圖像的閾值法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行選取。

針對(duì)當(dāng)前靶場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域?qū)t外輻射測(cè)量所提出的新的測(cè)量要求，采用寬動(dòng)態(tài)范圍下的定標(biāo)模型，利用大面源均勻黑體定標(biāo)法對(duì)全口徑紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。在測(cè)量面目標(biāo)時(shí)，通過(guò)一系列的推導(dǎo)得到面目標(biāo)的輻射亮度結(jié)果，進(jìn)而提出了一種面目標(biāo)測(cè)量方法，并在口徑為600 mm的紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 紅外輻射定標(biāo)測(cè)量原理

2.1 輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo)原理

系統(tǒng)定標(biāo)是測(cè)試紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，決定著紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程的可靠性及有效性。靶場(chǎng)紅外輻射定標(biāo)的基本原理是利用已知黑體作為輻射源，得到不同輻射照明時(shí)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，從而建立系統(tǒng)入瞳輻射量與系統(tǒng)輸出量之間的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo)要求不確定度在10%以內(nèi)。

目前地基靶場(chǎng)的紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法包括均勻大面源黑體定標(biāo)法和成像定標(biāo)法。其中成像標(biāo)定法又以平行光管法最為常見(jiàn)。

2.1.1 平行光管定標(biāo)法

圖1 平行光管定標(biāo)法原理示意圖 Fig.1 Schematic of the collimator calibration

作為成像定標(biāo)法的典型代表，平行光管定標(biāo)法是利用紅外平行光管對(duì)出射面積小的紅外輻射源進(jìn)行擴(kuò)束，輻射源一般采用中、高溫的腔型黑體，出射光經(jīng)平行光管擴(kuò)束后，將均勻光束投射到紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)入瞳上進(jìn)行定標(biāo)[6-7]。原理如圖1所示。高溫腔型黑體與大口徑平行光管組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)高溫段的定標(biāo)，一定程度上彌補(bǔ)了均勻大面源黑體不能做到高溫定標(biāo)的缺陷。但是平行光管法存在著大口徑平行光管制造成本高，周期長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn)，故只能作為室內(nèi)定標(biāo)方法[8]。

2.1.2 均勻大面源黑體定標(biāo)法

均勻大面源黑體法的基本原理是在輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的入瞳處放置均勻的大面源黑體。面源黑體的有效面積要完全覆蓋輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的入瞳。黑體可視為標(biāo)準(zhǔn)朗伯體，對(duì)輻射特性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行臨界照明[9]。原理如圖2所示。均勻大面源黑體定標(biāo)法可以有效消除外界環(huán)境的影響且定標(biāo)精度高，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有像元的定標(biāo)，且沒(méi)有透過(guò)率的影響，定標(biāo)過(guò)程更為直觀。

圖2 均勻大面源黑體法定標(biāo)原理圖 Fig.2 Calibration schematic of uniform large surface source blackbody

當(dāng)主光線與光軸夾角為δ時(shí)，單個(gè)像元的立體角Ω可以表示為：

(1)

其中，S為單個(gè)像素面積，f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

面源黑體入射到該像元的輻射通量φ：

Φ=L(Tb)·dS·cosδ·dΩ=

(2)

式中，Tb為黑體溫度；τopt為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；D/f為光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑；L(Tb)為黑體輸入的輻射亮度,具體表述為：

(3)

式中，ε為黑體的發(fā)射率，λ1～λ2是探測(cè)器響應(yīng)波段范圍，W(λ,Tt)為光譜出射度。

本文為了提高定標(biāo)精度和定標(biāo)效率，將采用均勻大面源黑體法定標(biāo)。

2.1.3 考慮積分時(shí)間定標(biāo)方程

在靶場(chǎng)測(cè)量設(shè)備上,制冷型紅外焦平面陣列通常作為成像探測(cè)器，其灰度響應(yīng)與輻射亮度滿足[10]：

(4)

(5)

在線性響應(yīng)范圍內(nèi)，探測(cè)器的積分時(shí)間與系統(tǒng)的輸出灰度成正比：

(6)

對(duì)紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般需設(shè)置多個(gè)積分時(shí)間檔位，則積分時(shí)間的定標(biāo)方程[12]：

(7)

2.2 輻射特性測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理

地基紅外經(jīng)緯儀焦平面陣列上接收能量的主要來(lái)源包括[13]：光學(xué)系統(tǒng)與目標(biāo)之間大氣自身輻射的輻射量Lpath；目標(biāo)輻射能經(jīng)大氣衰減的輻射量εo·τatm·L(To)；目標(biāo)對(duì)周圍環(huán)境的反射經(jīng)大氣衰減的輻射能(1-εo)·τatm·L(Te)。其中εo為目標(biāo)發(fā)射率，τatm為大氣透過(guò)率，To為目標(biāo)表面溫度，Te為環(huán)境溫度。如圖3所示。

探測(cè)器上各個(gè)像元灰度值可以表示為[14]：

Gi, j=εo·τatm·Ri, j·Li, j(To)+

(1-εo)·τatm·Ri, j·L(Te)+

(8)

根據(jù)式(3)，反演目標(biāo)輻射亮度：

圖3 地基紅外系統(tǒng)輻射特性測(cè)量示意圖 Fig.3 Schematic of radiation characteristics measurement for base-ground infrared system

(9)

2.3 面目標(biāo)輻射特性測(cè)量

面源目標(biāo)輻射特性測(cè)量原理圖如圖4所示。假設(shè)目標(biāo)的理想成像尺寸為Ai，則目標(biāo)成像物象關(guān)系：

(10)

式中，M為系統(tǒng)放大率，At為目標(biāo)在像方的投影面積，可由姿態(tài)信息和目標(biāo)尺寸解算得到，f為輻射測(cè)量系統(tǒng)的焦距，R1為物距。

圖4 面源目標(biāo)輻射特性測(cè)量原理圖 Fig.4 Schematic of radiation characteristic measurement for surface target

選取包含整個(gè)目標(biāo)彌散斑和少部分背景的區(qū)域A1，稱為“目標(biāo)區(qū)域”，區(qū)域內(nèi)共有N1個(gè)像元，其中包含所有含有目標(biāo)成像能量的像元和一部分背景成像像元，即目標(biāo)成像的所有能量在A1內(nèi)。A2區(qū)域含有N2個(gè)像元，范圍包含A1。A1和A2之間的區(qū)域只包含背景，稱為“背景區(qū)域”，像元數(shù)為N2-N1，Ad為單個(gè)像元尺寸，則背景區(qū)域的面積為(N2-N1)·Ad，那么背景灰度值均值為:

(11)

其中，Gi,i=1,2,…,N2-N1為背景區(qū)域像元灰度值。

而A1區(qū)域內(nèi)所有像元的灰度值之和為:

(12)

其中，背景輻射的貢獻(xiàn)為:

(13)

目標(biāo)輻射的貢獻(xiàn)為:

(14)

而A1區(qū)域內(nèi)所有像元灰度值之和:

Gsum=Gsum,background+Gsum,target,

(15)

得到:

τatm·Ri, j·Li, j(T) ,

(16)

因此，目標(biāo)的輻射亮度為:

(17)

3 外場(chǎng)輻射測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 外場(chǎng)定標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的對(duì)面目標(biāo)的測(cè)量方法，是否滿足精度要求及其實(shí)際應(yīng)用的可行性，在外場(chǎng)開(kāi)展定標(biāo)和目標(biāo)輻射特性測(cè)量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。靶場(chǎng)經(jīng)緯儀紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)參數(shù)如下：工作波段為3.7～4.8 μm，靶面像元數(shù)目為640×512，像元大小為15 μm，輸出位數(shù)為14位；主光學(xué)系統(tǒng)的口徑為600 mm,焦距為1 200 mm；外場(chǎng)定標(biāo)采用北京南奇星公司生產(chǎn)的大面源均勻黑體。均勻大面源黑體放置在紅外系統(tǒng)前，黑體面充滿紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)的入瞳，對(duì)紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輻射定標(biāo)。積分時(shí)間分別選取2 000 μs和3 000 μs，定標(biāo)的溫度為20～100 ℃，以5℃為溫度間隔，以20、40、60和80 ℃為定標(biāo)曲線擬合點(diǎn)，其余溫度點(diǎn)作為定標(biāo)精度檢測(cè)點(diǎn)，以驗(yàn)證紅外輻射定標(biāo)精度。定標(biāo)結(jié)果在圖5給出。

圖5 不同積分時(shí)間定標(biāo)擬合曲線 Fig.5 Calibrating fitting curves at different integration times

表1 定標(biāo)檢測(cè)誤差Tab.1 Error of calibration detection

3.2 外場(chǎng)測(cè)量與結(jié)果

外場(chǎng)輻射測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用以色列CI公司生產(chǎn)的SR800-12HT高精度的面源黑體對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行輻射測(cè)量。已知黑體的溫度變化范圍為0～600 ℃，將其放置在距紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)大約830 m的位置。經(jīng)成像計(jì)算得知，目標(biāo)在探測(cè)器的成像的像元數(shù)為30×30，符合面目標(biāo)處理的要求。實(shí)驗(yàn)期間，環(huán)境條件：晴朗，微風(fēng)；觀測(cè)仰角為0°；環(huán)境溫度為7.4 ℃；氣壓為899 hPa；能見(jiàn)度為30 km；濕度為20%。利用MODT5RAN軟件計(jì)算得到的中波大氣透過(guò)率為0.735 4；大氣程輻射為0.211 5 W·m-2·sr-1。

圖8 在830 m處獲得中波紅外圖像 Fig.8 Mid-wave infrared image of obtained at 830 m

為了驗(yàn)證本文所提方法對(duì)面源目標(biāo)測(cè)量的有效性和可行性，在外場(chǎng)利用口徑為600 mm的紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)算法進(jìn)行后續(xù)處理，反演得到整個(gè)目標(biāo)亮度的平均值。將得到的亮度與光譜修訂的標(biāo)準(zhǔn)輻射亮度值進(jìn)行比較，從而求得反演的輻射亮度誤差。實(shí)驗(yàn)期間，紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)的中波相機(jī)的積分時(shí)間設(shè)定為2000 μs和3 000 μs，溫度采集范圍為50～110 ℃，采樣溫度步長(zhǎng)為10 ℃。

表2 面目標(biāo)的測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement results of surface target

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析現(xiàn)代靶場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合當(dāng)今靶場(chǎng)對(duì)輻射測(cè)量設(shè)備測(cè)量要求，提出一種針對(duì)面目標(biāo)的輻射特性測(cè)量方法。結(jié)合考慮積分時(shí)間的定標(biāo)模型，推導(dǎo)出面目標(biāo)輻射亮度計(jì)算方法。利用口徑為600 mm的紅外輻射特性測(cè)量系統(tǒng)在外場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的定標(biāo)精度和面目標(biāo)的測(cè)量誤差進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo)誤差為1.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%的定標(biāo)誤差要求，說(shuō)明系統(tǒng)具良好的測(cè)量精度。將目標(biāo)置于距紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)830 m處，在外場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)定標(biāo)得到增益和偏置反演，帶入本文推導(dǎo)的亮度計(jì)算公式，計(jì)算出面目標(biāo)的輻射亮度。與光譜修正后的輻亮度相比，系統(tǒng)的輻射測(cè)量誤差為7.36%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30%的測(cè)量誤差要求，證實(shí)本文推導(dǎo)的面目標(biāo)的輻射亮度計(jì)算方法有效。該方法簡(jiǎn)單，可靠，為今后靶場(chǎng)輻射測(cè)量開(kāi)辟了新途徑。