光學(xué)窗口透過(guò)光譜對(duì)特征目標(biāo)紅外成像探測(cè)效能影響仿真研究

屈長(zhǎng)虹,伊煒偉,李 芬,馮加凱,王 坤

(中國(guó)工程物理研究院戰(zhàn)略技術(shù)裝備發(fā)展中心,北京 100094)

1 引 言

高溫目標(biāo)的紅外探測(cè)與識(shí)別技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景,相關(guān)研究已成為國(guó)內(nèi)外光電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。由于紅外探測(cè)技術(shù)具有非接觸、便攜式、可高精度成像、被動(dòng)無(wú)源、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)防領(lǐng)域已成為武器裝備探測(cè)、跟蹤、識(shí)別的有效手段[1]。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展包括實(shí)物目標(biāo)紅外輻射特性研究的方法主要有實(shí)物條件下使用紅外探測(cè)器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、采用計(jì)算機(jī)建模仿真兩種[2-5]。由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和目標(biāo)的多樣性,實(shí)物測(cè)量將消耗大量的人力物力資源,并且研究效率非常低下,因此,通過(guò)軟件建模仿真與實(shí)物測(cè)量結(jié)合驗(yàn)證方式,能大幅度提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

紅外成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)采集與通訊、電源管理、杜瓦等核心功能部分組成,通常需要對(duì)直接影響紅外探測(cè)效能的光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)采集三大部分進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用場(chǎng)景的成像識(shí)別要求。大量的仿真已經(jīng)對(duì)紅外目標(biāo)特性、大氣傳輸特性、探測(cè)器模型、圖像識(shí)別算法等進(jìn)行了深入研究。本文在建立目標(biāo)輻射-大氣傳輸-光學(xué)系統(tǒng)-紅外探測(cè)器-信號(hào)采集完整仿真模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)軟件仿真深入研究光學(xué)窗口透過(guò)光譜對(duì)高溫目標(biāo)紅外成像探測(cè)效能影響規(guī)律,指導(dǎo)紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 仿真流程設(shè)計(jì)

仿真流程如圖1所示。數(shù)據(jù)流按照以下方式傳遞:①加載目標(biāo)溫度物理場(chǎng)分布數(shù)據(jù)；②加載大氣窗口透過(guò)率數(shù)據(jù)；③加載光學(xué)窗口光譜透過(guò)率數(shù)據(jù)；④加載紅外波段及波長(zhǎng)分辨率參數(shù)；⑤加載紅外探測(cè)器的光電參數(shù)；⑥加載目標(biāo)與探測(cè)器相對(duì)位置參數(shù)；⑦計(jì)算紅外探測(cè)器對(duì)目標(biāo)輻射的響應(yīng)輸出；⑧計(jì)算信號(hào)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)字量。

圖1 紅外探測(cè)成像仿真框架圖Fig.1 Infrared detection imaging simulation framework

3 紅外輻射物理場(chǎng)傳輸模型

3.1 紅外目標(biāo)輻射模型[6]

普朗克輻射定理描述了黑體輻射的光譜輻射通量密度分布,指定光譜波段內(nèi)積分可得到全光譜的輻射通量密度。

輻射強(qiáng)度J定義為輻射源在單位立體角內(nèi)的輻射功率,反映了輻射能傳遞的空間分布。輻射通量密度W是單位輻射面積發(fā)出的所有輻射功率,反映了輻射發(fā)射的面密度,而輻射通量P則是整個(gè)輻射源向空間發(fā)射的功率,即發(fā)射的輻射能的時(shí)間速率。輻射亮度N定義為輻射源在沿視線方向單位投影面積向單位立體角所輻射的功率。

取輻射亮度對(duì)輻射所張空間立體角和輻射面積的雙重積分,可得輻射通量:

(1)

式中,N為輻射源的輻亮度；dA為輻射源面元的面積；θ為發(fā)射方向與dA法線的夾角；cosθ·dA即輻射源面元在發(fā)射方向的投影。

理想的全漫射體發(fā)射的能量應(yīng)能向半球空間均勻輻射,而且輻射亮度是常數(shù),在球坐標(biāo)系中:

(2)

(3)

3.2 大氣輻射傳輸窗口

目標(biāo)的紅外輻射在大氣中傳輸部分被吸收,而大氣中各種成分也會(huì)產(chǎn)生輻射,因此距離目標(biāo)某處(也稱(chēng)視點(diǎn)處)的輻射值需要對(duì)目標(biāo)當(dāng)?shù)剌椛渲颠M(jìn)行大氣修正,也叫大氣輻射傳輸計(jì)算。綜合考慮視角、大氣條件、氣溶膠、下墊面類(lèi)型等因素,可計(jì)算大氣輻射傳輸效應(yīng),獲得視點(diǎn)處的目標(biāo)的光譜或波段內(nèi)的輻射強(qiáng)度與亮度。

紅外輻射光譜區(qū)間為0.65～100 μm,光譜進(jìn)一步可劃分為近紅外、短波、中波、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波等多種區(qū)間。由于大氣會(huì)對(duì)紅外輻射進(jìn)行吸收,只留下三個(gè)“窗口”可讓紅外輻射通過(guò),即1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm。在軍事應(yīng)用上將這三個(gè)波段稱(chēng)為近紅外波段、中紅外波段以及遠(yuǎn)紅外波段。

空間目標(biāo)雖然并不是完全在地球大氣之外,但是只要在距離地面數(shù)十公里的高度以上非窗口波段是完全不透明的,因此只能在大氣窗口內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。在非大氣窗口波段,不僅大氣外目標(biāo)的輻射不能透過(guò),而且非大氣窗口波段內(nèi)大氣本身的輻射還很顯著,因此不使用對(duì)應(yīng)大氣窗口的濾光片不但不能增加來(lái)自目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度,相反卻增加了背景強(qiáng)度,即增加了背景噪聲,從而降低了探測(cè)目標(biāo)的信噪比。

4 紅外焦平面探測(cè)器成像模型

4.1 輻照度

輻照度與輻射通量密度有相同的量綱(W/cm2),但輻射通量密度是發(fā)射的功率密度,而輻照度是單位被照面積接收到的輻射通量,是指接收端的功率密度。當(dāng)用儀器接收輻射時(shí),入瞳的輻照度按下式計(jì)算:

(4)

當(dāng)輻射源被視作點(diǎn)源時(shí),或是視作面源時(shí),采用的輻照度計(jì)算方法是不同的。任何輻射源都具有一定尺寸,不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)。所謂點(diǎn)源、面源也不是根據(jù)輻射源尺寸大小來(lái)劃分的,而是根據(jù)輻射源的面積是否充滿儀器的測(cè)量視場(chǎng)。當(dāng)輻射源的面積恰好充滿儀器的瞬時(shí)視場(chǎng)角時(shí),入瞳的輻照度為

H=N·(IFOV)2

(5)

4.2 紅外焦平面成像

假設(shè)紅外焦平面探測(cè)器有m×n個(gè)像元,每個(gè)像元的邊長(zhǎng)為a,目標(biāo)與光學(xué)系統(tǒng)之間的垂直距離為L(zhǎng),光學(xué)系統(tǒng)焦距f,紅外探測(cè)器在光學(xué)系統(tǒng)的像方焦平面上,像元的瞬時(shí)視場(chǎng)角近似為[7]:

(6)

每個(gè)像元能看到的有效輻射面積的邊長(zhǎng)

(7)

因此,考慮光學(xué)系統(tǒng)鏡頭光譜透過(guò)率為τλ,光學(xué)鏡頭口徑為D,探測(cè)器入射功率為

(8)

紅外焦平面成像傳感器的仿真參數(shù)表如表1所示。

表1 紅外焦平面成像傳感器的仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of infrared focal plane imaging sensor

傳感器輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為:

Digital_output=(Offset+R·P·Gain)/((Vup-Vlow)/(2Bit-1))

(9)

5 仿真實(shí)現(xiàn)

5.1 探測(cè)目標(biāo)建模

為了清晰地分析對(duì)比不同光學(xué)濾光鏡頭對(duì)特征溫度目標(biāo)的探測(cè)分辨效能,人為定義漸變型目標(biāo)溫度分布模型,用于后續(xù)的計(jì)算仿真。物理場(chǎng)分布數(shù)據(jù)加載后,進(jìn)行輻射轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和灰度轉(zhuǎn)換。將視場(chǎng)中的目標(biāo)按照瞬時(shí)視場(chǎng)尺寸離散化,一個(gè)單位面積目標(biāo)映射到一個(gè)探測(cè)器陣元上,單位面積上目標(biāo)溫度為該區(qū)域的溫度平均值。

5.2 大氣窗口與光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率光譜特征

輻射源比輻射率、大氣窗口透過(guò)率、光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率、探測(cè)器芯片響應(yīng)光譜等共同決定了紅外成像系統(tǒng)的光譜響應(yīng)特性。仿真過(guò)程中定義目標(biāo)為黑體,探測(cè)器芯片為寬光譜熱吸收型,重點(diǎn)分析大氣窗口透過(guò)率和光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率的組合對(duì)成像信號(hào)的影響規(guī)律。仿真軟件加載大氣窗口透過(guò)率和光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率后,將每個(gè)波段上的透過(guò)率傳入仿真模型用于輻射轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和灰度轉(zhuǎn)換計(jì)算。圖2和圖3給出了典型大氣窗口與6種光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率光譜,從圖中可見(jiàn),Filter1中心波段3.3 μm,與大氣中的水分子吸收帶略有重疊；Filter 2中心波段3.9 μm,大氣透過(guò)率較高,該波段無(wú)大氣強(qiáng)吸收；Filter 3和Filter 4中心波段4.3 μm,與大氣中的二氧化碳吸收帶嚴(yán)重重疊；Filter 5為5.5～14 μm通帶,受5～8 μm大氣水分子吸收帶嚴(yán)重影響；Filter 6為8～14 μm通帶,受8～14 μm大氣水分子和二氧化碳吸收帶的部分影響。

圖2 典型大氣窗口Fig.2 Typical atmospheric window

圖3 6種光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率光譜Fig.3 Lens transmittance spectra of six optical systems

5.3 特征目標(biāo)探測(cè)效能評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

計(jì)算273 K、573 K、873 K、1173 K四種溫度目標(biāo)的全光譜的輻射通量密度,如圖4所示,可以觀察到不同溫度的能量主峰位置,也間接的說(shuō)明了在提高紅外探測(cè)效果時(shí),針對(duì)不同目標(biāo)溫度選擇不同的光學(xué)窗口的透過(guò)波段,有可能實(shí)現(xiàn)更好的溫度分辨效果。

圖4 四種溫度目標(biāo)的全光譜輻射通量密度Fig.4 All optical spectral radiation flux density of four temperature targets

對(duì)連續(xù)溫度計(jì)算入射輻射通量密度、入射功率、探測(cè)器陣元輸出電壓以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,如圖5所示,可見(jiàn)當(dāng)不考慮大氣窗口和探測(cè)器光學(xué)窗口透過(guò)光譜的影響,探測(cè)器輸出電壓和數(shù)字量全部超出量程,無(wú)法正常工作,該種紅外探測(cè)器響應(yīng)率較高,不能在寬波段下工作。以不考慮大氣窗口和探測(cè)器光學(xué)窗口透過(guò)光譜的情況下的仿真結(jié)果作為對(duì)比的基準(zhǔn),對(duì)比不同大氣窗口和不同光學(xué)窗口的探測(cè)結(jié)果。

(a)

(d)

(e)圖5 不考慮大氣窗口和探測(cè)器光學(xué)窗口透過(guò)光譜的影響, 對(duì)連續(xù)溫度計(jì)算入射輻射通量密度、入射功率、探測(cè)器陣元輸出電壓以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量Fig.5 Without considering the influence of atmospheric window and detector optical window on the transmission spectrum, the incident radiation flux density,incident power,detector array element output voltage and digital quantity after analog-to-digital conversion are calculated for continuous temperature

5.4 不同光學(xué)窗口透過(guò)光譜對(duì)高溫目標(biāo)紅外成像探測(cè)效能影響仿真

5.4.1 近距離不考慮大氣吸收的場(chǎng)景

計(jì)算近距離不考慮大氣吸收情況下,對(duì)人為設(shè)定的連續(xù)溫度目標(biāo),計(jì)算不同光學(xué)窗口下的入射輻射通量密度、入射功率,如圖6～圖9所示,可以看出以下規(guī)律:

圖6 近距離不考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射輻射通量密度Fig.6 Incident radiation flux density in different optical windows without considering atmospheric absorption at short distance

圖7 近距離不考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率Fig.7 Incident power under different optical windows without considering atmospheric absorption in short distance

(a)

(b)圖8 Filter 1、Filter 2、Filter 3近距離不考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率柱狀圖對(duì)比Fig.8 Comparison of incident power histogram under different optical windows when atmospheric absorption is not considered in close range for Filter 1,Filter 2 and Filter 3

(a)

(b)圖9 Filter 5、Filter 6近距離不考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率柱狀圖對(duì)比Fig.9 Comparison of incident power histogram under different optical windows when atmospheric absorption is not considered for Filter 5 and Filter 6 in close range

1)Filter 1、Filter 2、Filter 3、Filter 4均為窄帶窗口,并且處于5 μm以下波段,Filter 5、Filter 6為寬帶窗口,并且處于5 μm以上波段；

2)結(jié)合圖5,對(duì)于600K以下溫度,由于Filter1到Filter4的中心波長(zhǎng)逐步增大,并考慮Filter1、Filter2、Filter3、Filter4之間帶寬的差異,導(dǎo)致了入射輻射通量密度隨不同窗口變換而逐步遞增；同樣Filter5、Filter6由于帶寬差異,Filter5的入射輻射通量密度更高；

3)在1000K溫度附近,Filter1的能量反超F(xiàn)ilter3,結(jié)合圖5,其本質(zhì)為1000K溫度的能量主峰更靠近Filter1的通帶,同樣作為窄帶的Filter4的能量反超作為寬帶的Filter6,同樣原因是Filter6的通帶遠(yuǎn)離了為1000K溫度的能量主峰,因此可見(jiàn),合適的窄帶比不合適的寬帶既能獲得更強(qiáng)的入射能量,還能獲得更強(qiáng)的環(huán)境干擾抑制能力、以及更高的溫度對(duì)比度。

5.4.2 中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收的場(chǎng)景

計(jì)算中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,對(duì)人為設(shè)定的連續(xù)溫度目標(biāo),計(jì)算不同光學(xué)窗口下的入射輻射通量密度、入射功率,如圖10～圖13所示。圖14給出了中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的光譜輻射通量密度,可以看出以下規(guī)律:

圖10 中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射輻射通量密度Fig.10 Incident radiation flux density under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance

圖11 中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率Fig.11 Incident power under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance

(a)

(b)圖12 Filter 1、Filter 2、Filter 3中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率柱狀圖對(duì)比Fig.12 Comparison of incident power histogram under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance of Filter 1,Filter 2 and Filter 3

(a)

(b)圖13 Filter 5、Filter 6中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的入射功率柱狀圖對(duì)比Fig.13 Comparison of incident power histogram under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance of Filter 5 and Filter 6

圖14 中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收情況下,不同光學(xué)窗口下的光譜輻射通量密度Fig.14 Spectral radiation flux density under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance

1)對(duì)比圖8,大氣窗口的施加,大幅度減弱了入射能量強(qiáng)度,同時(shí)也進(jìn)一步加劇了使用不同光學(xué)窗口造成了入射能量的差異；

2)Filter5和Filter6在全溫區(qū)入射能量曲線重合,盡管Filter 5和Filter 6通帶帶寬差異很大,但是大氣窗口在8～14 μm之間限制了Filter 5和Filter 6的有效波段,所以在大氣窗口限制下,單方面的擴(kuò)大光學(xué)窗口的帶寬是沒(méi)有意義的；

3)Filter 1、Filter 2、Filter 3、Filter 4對(duì)比發(fā)現(xiàn),Filter 3在450 K以下溫區(qū)表現(xiàn)尚可,在高溫區(qū)能量急劇減弱,參考圖2中4.3 μm處的大氣CO2吸收峰,可以發(fā)現(xiàn)與Filter 3的通帶完全重合,造成使用Filter 3能量衰減,所以Filter 3的中心波長(zhǎng)和帶寬的選擇,是一把“雙刃劍”,通過(guò)與特征氣體吸收峰重合,可以檢測(cè)相關(guān)氣體由于化學(xué)反應(yīng)、人為構(gòu)架光路等所產(chǎn)生的輻射能量,用于識(shí)別檢測(cè)特征氣體濃度,但是如果是用在紅外目標(biāo)探測(cè)上,則會(huì)大幅度降低探測(cè)效能。

5.4.3 中遠(yuǎn)距離考慮大氣吸收的成像對(duì)比實(shí)例

圖15給出了在考慮大氣吸收情況下、采用不同光學(xué)窗口的紅外探測(cè)仿真數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比(b)和(c)可見(jiàn),Filter3受大氣窗口CO2吸收影響,入射能量大幅度衰減,溫度分辨能力也相應(yīng)的減弱。

(b)

(c)

圖15 考慮大氣吸收情況下采用不同光學(xué)窗口的紅外探測(cè)仿真數(shù)據(jù)Fig.15 Considering the atmospheric absorption,the infrared detection simulation data with different optical windows

6 結(jié) 論

輻射源比輻射率、大氣窗口透過(guò)率、光學(xué)系統(tǒng)鏡頭透過(guò)率、探測(cè)器芯片響應(yīng)光譜等共同決定了紅外成像系統(tǒng)的光譜響應(yīng)特性。在近距離探測(cè)不考慮大氣窗口吸收情況下,光學(xué)窗口更寬的帶寬、更高的透過(guò)率能幫助紅外探測(cè)系統(tǒng)獲得更強(qiáng)的入射能量；在中遠(yuǎn)距離考慮大氣窗口吸收情況下,大氣窗口與光學(xué)窗口的光譜匹配性顯得尤為重要,大氣窗口與光學(xué)窗口的光譜重疊區(qū)域?yàn)橛行芰繀^(qū)域,并且也須與目標(biāo)溫度的輻射通量密度光譜的特征相吻合,才能獲得最高的探測(cè)效能和目標(biāo)分辨率。但是,特定場(chǎng)景下的路徑窗口特性,也與被探測(cè)器目標(biāo)緊密關(guān)聯(lián),通過(guò)路徑吸收,可以檢測(cè)路徑上相關(guān)特定氣體或物質(zhì)的存在與劑量,以及所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),例如明火燃燒、CO2和SF6泄露等的檢測(cè)。