制冷型探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计算问题

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第26期(2009年9月)凝视型红外成像探测系统的作用距离分析与验证申俊杰（广州军区75706部队40分队，广东广州510600）摘要：作用距离是红外成像探测系统的主要技术指标之一，根据实际计算时部分参数可能未知的情况，推导了NETD 表达的作用距离方程，并根据凝视型探测器的特点讨论了基于对比度的对高空目标作用距离的表达式，结合高空目标探测实验结果验证两种不同计算方法的有效性。

分析结果对进一步的成像探测系统的设计提供了理论依据。

关键词：等效噪声温差；焦平面阵列；作用距离；红外成像探测中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)26-7553-02Analysis and Validation of Operating Range of Staring IR Imaging Detecting SystemSHEN Jun-jie(Unite 40,Army 75706,Guangzhou Military Region,Guangzhou 510600,China)Abstract:Operating range is a core specification of an IR imaging detecting system.Since some parameters are unknown when calculating,deduce the operating range function with NETD.Then based on the characteristic of staring detector discuss the operating range for space targets based on contrast.Validate the validity of above two functions with experimental result.The analytical result provides the theoretical reference for design of imaging detecting system.Key words:NETD;FPA;Operating Range;IR Imaging Detecting System目标的极限作用距离是红外成像探测系统的一个综合性指标，也是评价、检验一个红外探测系统的主要指标。

红外成像系统作用距离计算安成斌;张熙宁;陈盈;殷金坚【摘要】分析了红外成像系统的几个主要性能参数.根据大气环境条件、目标几何形状以及目标和背景热辐射特征,进行了必要的修正,完成了不同探测及识别要求时系统的作用距离计算.计算可根据理论模型或实验室实测数据进行,并适用于点目标和面目标.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2010(040)007【总页数】4页(P716-719)【关键词】红外成像系统;作用距离;目标;背景【作者】安成斌;张熙宁;陈盈;殷金坚【作者单位】华北光电技术研究所,北京,100015;华北光电技术研究所,北京,100015;华北光电技术研究所,北京,100015;华北光电技术研究所,北京,100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言随着微电子技术的飞跃发展,红外探测器的研制水平在不断提高,热成像技术在探测器研制工艺不断成熟的基础上,从采用单元探测器加二维光机扫描、多元线阵探测器加一维光机扫描,发展到不需光机扫描的“凝视”型红外热成像系统,在军事上广泛应用于空间防御、火控、昼夜观察、成像制导等领域。

由于目标、背景和环境特征的复杂多变性,如何准确的评价红外成像系统的综合性能,在红外成像系统的论证、设计和测试的每一个环节都是十分重要的。

基于目标、背景和大气环境的特征参数,本文运用红外成像系统的光、机、电部件的性能参数,建立理论模型,从而给出描述红外成像系统总体性能的度量参数:噪声等效温差 NETD、最小可分辨温差MRTD、最小可探测温差 MDTD以及作用距离 R。

同时采用必要的修正法,对红外成像系统的作用距离进行综合评估。

2 红外成像系统的主要性能参数2.1 噪声等效温差噪声等效温差 NETD定义为:系统观察试验图案时,基准电子滤波器输出端产生的峰值信号与均方根噪声比(S/N)为 1时标准试验图形上黑体目标与背景的温差。

NETD的公式可表示为:[1]式中,ΔT为测量温差;Vs为峰值信号电压;Vn为均方根噪声电压。

红外成像效果的基本计算方式1、红外成像效果的影响因素●被观测物体的红外辐射强度●镜头的探测灵敏度（由探测器和读出电路决定）●镜头的焦距●镜头的光圈数2、探测距离的计算方式红外探测的是物体的自身辐射，理论上可探测距离是无穷远的。

而实际上一套红外成像系统受如上所述的因素的影响，对固定目标的探测距离是有限的且可以计算的。

其中探测可分为两块：可探测和可显示。

2.1、可探测可探测指的是热成像系统能把目标辐射从背景辐射中区分出来，反应指标就是NETD和MRTD，主要由探测器灵敏度（含配套读出电路）和镜头光学系统（同焦距情况下光圈参数影响较大）决定。

NETD噪声等效温差noise equation temperature difference用热像仪观察一个低空间频率的圆形或方形靶标，当其视频信号信噪比（S/N）为1 时，目标与背景之间的等效温差，亦简称NETD。

NETD 是评价热像仪探测目标灵敏程序和噪声大小的一个客观参数。

MRTD最小可分辨温差minimum resolvable temperature difference它既反映红外热像仪的温度灵敏度，又反映了其空间分辨率，但受观察者主观因素影响较大。

2.1、可显示可显示指的是目标可以从热像仪的输出视频上显示出来，这个指标主要由镜头焦距决定。

关于可显示，现在比较认同的是统一到目标成像占探测器的像元数指标上来，然后根据目标所占像元素的多少区分成探测距离、识别距离、鉴别距离这样的指标称谓，且不同的厂家或者研究所对如上的指标称谓的定义可能各异。

我公司手册上给出的测试距离定义探测距离：目标在光轴截面上的短边成像占1个像素识别距离：目标在光轴截面上的短边成像占4个像素鉴别距离：目标在光轴截面上的短边成像占8个像素注：此处计算的成像像素和我们视频显示的像素不是一个概念，视频显示的图像加入了差值处理。

在热像仪产品的销售过程中，需要通过已知的镜头焦距换算成对固定大小目标的计算距离，或者由探测效果和目标大小反推所需镜头焦距。

非制冷探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计算问题已知条件：1、非制冷探测器：8~14μ 35μ（像元） 像素：384×288；2、8~14μm 波段在海面情况下（分别针对喷气式飞机和舰艇）传输透过率分析。

（晴朗和浓雾）3、能量计算（探测距离）（1）海面对空 20km ，喷气式飞机，翼展30m（2）海面 20km ，舰艇（3）相对孔径、透过率4、非制冷型红外探测器光学系统参数： f′=30~180 ；F:1.8 ；透过率：τ〉90% 求晴朗和浓雾大气条件下红外搜索系统作用距离。

解：搜索系统的作用距离方程为：2121*0])(4[nsf F DD I S υυωσττπα⋅∆= 其中：i I ： 红外辐射强度 ατ： 大气透过率0τ： 光学系统透过率 D ： 通光口径*D ： 探测率 σ： 信号过程因子F ： 光圈数 ω： 视场角f ∆： 系统带宽 ns u u ：信噪比对于非致冷型波段在8-14um ，384×288分辨率mm f 180/=，8.1=F ，9.00=τ晴朗时C T o 25=%20=RH浓雾时C T o 30=%90=RH由于在3-5um 波段范围内飞机的辐射强度为483.49s wr对于辐射出射度有如下公式θππcos 535353A I L M ---== 在这里我们取O =0θ 根据所查资料面积取A=0.27 又因为在35m μ-波段范围内辐射出射度35M -可表示为：[]4350503(5)(3)M M M F T F T T σ---=-=-即： ()()[]27.01415.349.483354⨯=-T T F T F σ 整理得： ()()[]66.5625354=-T T F T F σ通过查表可求得：T=745K则在814m μ-的波段范围内的辐射出射度为：()()[]480140148814T T T M M M σ-=-=---()()[]24853.36437451067.5745874514mW =⨯⨯⨯⨯-⨯=- 则根据公式θππcos 148148148A I L M ---== 在这里我们取O =0θ 根据所查资料面积取A=0.27 所以Sr W A M I 14.3131415.327.053.36430cos 148148=⨯==O --π 由公式0f F D '=得到： 018101.8f cm D cm F '=== 通光孔径35384352880.0042180188a b m m W f f mm mm μμ⨯⨯=⋅=⋅='' 晴朗时，在8-14m μ波段范围内，根据前面所求水蒸气全路程可凝结水的毫米数为40.911mm ，则大气中水蒸气的透过率的平均值为 ()()28.08.113.960H O ττττ=++晴朗()476.060418.0352.0175.0=+++=晴朗时，在8-14m μ波段范围内，CO 2的等效海平面的水平距离为仍为2.442km,则水平距离为2CO X 的CO 2的透射率的平均值为()()28.08.113.9CO ττττ=++晴朗 ()898.060132.011=+++= 则在8-14m μ波段范围内，晴朗时，大气透过率为 ()()()22H O CO ατττ=⋅晴朗晴朗晴朗 =0.476*0.898=0.427 浓雾时，在8-14m μ波段范围内，根据前面所求水蒸气全路程可凝结水的毫米数为242.561mm ，则大气中水蒸气的透过率的平均值为 ()()28.08.113.9H O ττττ=++浓雾 ()051.060010.0003.00=+++= 对于CO 2的透过率，由于海平面的水平距离没有改变则2co τ没有改变 则2co τ（晴朗）=2co τ（浓雾）=0.898则在8-14m μ波段范围内，浓雾时，大气透过率为 ()()()22H O CO ατττ=⋅浓雾浓雾浓雾 =0.051*0.898=0.0458根据已知和上面所求得的数据如下：Sr WI 14.313148=-，()427.0=晴朗ατ，()0.0458ατ=浓雾，00.9τ=，010D cm =，12111103.11-*⋅⋅⨯=W H cm D Z ，0.67σ=， 1.8F =，Z H f 31018.26⨯=∆ 在晴朗时，波段为814m μ-的搜索系统的作用距离为：()120124s n I DD S F f U U απττσω*⎡⎤⎢⎥=⎢⎥∆⋅⎣⎦ ()12111323.1415313.140.42740.91013100.674 1.80.004226.18105⎛⎫ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⎝⎭ =9.341km在浓雾时，波段为814m μ-的搜索系统的作用距离为： ()120124s n I DD S F f U U απττσω*⎡⎤⎢⎥=⎢⎥∆⋅⎣⎦ ()12111323.1415313.140.04580.91013100.674 1.80.004226.18105⎛⎫ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯= ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⎝⎭ =3.058km。

制冷型探测器在不同大气条件下红外搜索系统作用距离计算问题已知条件：1、制冷型探测器：3~5μ 30μ（像元） 像素：320×2402、3~5μm 波段在海面情况下（分别针对喷气式飞机和舰艇）传输透过率分析。

（晴朗和浓雾）3、能量计算（探测距离）（1）海面对空 20km ，喷气式飞机，翼展30m （2）海面 20km ，舰艇 （3）相对孔径、透过率4、非制冷型红外探测器光学系统参数：f′=30~180；F ：2.1；透过率：τ〉70% 求晴朗和浓雾大气条件下红外搜索系统作用距离。

解：搜索系统的作用距离方程为：2121*0])(4[ns f F DD I S υυωσττπα⋅∆= 其中：i I ： 红外辐射强度 ατ： 大气透过率0τ： 光学系统透过率 D ： 通光口径 *D ： 探测率 σ： 信号过程因子 F ： 光圈数 ω： 视场角f ∆： 系统带宽 ns u u：信噪比对于制冷型波段在3-5μm, 30u (像元)分辨率为320⨯240 'f =180mm=18cm F=2.1 晴朗时T=25C ︒ RH=90% 1) 通过查阅《红外技术》知在3-5μm 波段范围内，飞机的辐射强度53-I =483.49srw2) 大气透过率为大气中水蒸气透过率与大气中CO 2中透过率的乘积即22CO O H τττα⋅=相对湿度为空气中试样水蒸气含量与饱和时水蒸气含量比值即SRH ρρω=经查表知25C ︒饱和水蒸气的质量为S ρ=22.80 3m g则356.42080.22mg RH s w =︒︒⨯=⨯=ρρ又因为高度为h 的水平距离X 所具有的透射比等于长度为0X 的等效海平面上透射比即kPPX X ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=00 其中P ：高度为h 处的大气压强P 0：平面上的大气压强k ：常数 对H 2O 系统k=0.5，对CO 2系统k=1.5 。

又因为根据已知有h=10km d=20km∴水平距离X=22h d -=221020-=103km经查表得 当h=10km 时对于H 2O 系统：k⎪⎪⎭⎫⎝⎛0ρρ=0.518对于CO 2系统：k ⎪⎪⎭⎫⎝⎛0ρρ=0.141根据以上数据可求得对于水蒸气全路程可凝结水的毫米数为KOH W W X X OH 2200W ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=⋅=ρρρρ = 4.56⨯17.32⨯0.518 = 40.911mm经查表可得在3-5μm 范围内，可凝结水毫米数为40.911mm 的透过率对所有数值进行加和取平均()2 3.05.03.1 3.24.9(/2022H Oττττττ=+++⋅⋅⋅⋅++晴朗）=0.001+0.029+0.084+0.233+0.509+0.768+0.883+0.922+0.961+0.961+0.940+0.922+0.883+0.824+0.623+0.465+0.334+0.233+0.172+0.0375）/20= 0.539对于CO 2的等效海平面的水平距离为km X X KCO CO 442.2141.072.1322=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=ρρ 经查表可得在3-5μm 范围内,海平面水平距离为2CO X 的CO 2的透射率的平均值为：()2 3.1 3.2 4.9 5.01220CO τττττ⎛⎫=++++⋅ ⎪⎝⎭L 晴朗= (+211+1+……+0.875+0.993/2）/20= 0.82322()()H O CO ατττ=⋅（晴朗）晴朗晴朗 =0.539823.0⨯ =0.444有浓雾时：经查表得T=30C ︒时，饱和空气中水蒸气质量为30.043m gRH S W ⋅=ρρ则水蒸气全路程可凝结水的毫米数为2200KW H OS H OW X RH X ρρρρ⎛⎫=⋅=⋅⋅⋅ ⎪⎝⎭=30.04⨯0.9⨯17.32⨯0.518 =242.561mm经查表可得在3-5um 波段范围内，可凝结水的毫米数为242.56mm 的透过率平均值为2 3.0 5.03.1 3.2 4.9()(0000.00400)22(0.36032020H o ττττττ+++⋅⋅⋅⋅+=+++++==浓雾）对于CO 2的透过率，由于海平面的水平距离没有改变则2co τ没有改变 则2co τ（晴朗）=2co τ（浓雾）=0.823 则有浓雾的大气透过率：ατ（浓雾）= 2H o τ（浓雾）2co τ⋅（浓雾）=0.3603×0.823=0.297由公式0/D f F =可得，cm cm F f D 571.81.218/0===视场角0021.01802403018032030//=⨯⨯⨯=⋅=mm ummm um f b f q w取信号因子67.0=σ系统宽带f ∆=26.12×3z 10H 信噪比5=nsu u 12111103.1-*⋅⋅⨯=W H cm D Z则晴朗时搜索系统的作用距离为2121*0])(4[nsf F DD I S υυωσττπα⋅∆= km765.35]5)1018.260021.0(1.2467.0103.1571.07.0444.049.48314.3[2121311=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=在浓雾时搜索系统的作用距离为2121*0])(4[nsf F DD I S υυωσττπα⋅∆= 111231/23.14483.490.70.2978.571 1.3100.67[]4 2.1(0.002126.1810)523.926km⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=。

〈系统与设计〉红外搜索系统的作用距离及其等效检验*吴晗平，易新建，杨坤涛（华中科技大学光电子工程系，湖北 武汉 430074）摘要：推导了红外搜索系统的作用距离方程，并修正传统的红外搜索系统作用距离方程。

在检测条件偏离系统设计所规定的大气条件和目标特性情况下，推导出不同目标、不同大气条件下作用距离等效折算公式，用模拟目标代替规定目标进行检验。

所述方法可应用于系统设计和检验，以及评价红外搜索系统的综合性能。

关键词：红外点目标；红外搜索系统；作用距离；等效检验；检测方法中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2004)04-0001-05引言在红外搜索系统的设计中，作用距离是衡量系统性能的一个综合性指标。

它与总体光学系统透过率、探测器性能参数、调制系统效率、信息检测系统信噪比等有着直接的关系，并且受大气传输、目标特性情况的影响。

因此，作为一个完善的红外搜索系统，作用距离方程应能正确地反映出以上诸因素的作用，而Hudson 推导的传统外搜索系统作用距离方程存在不完善[1]。

此外，由于系统设计规定的大气情况和目标特性与系统实际使用时的条件往往不一致，为了考核规定条件下系统的作用距离，需要研究提出系统作用距离的等效检验方法，而目前为止尚未见到有类似方法的报道。

1 作用距离方程推导与修正红外搜索系统所探测的目标一般成像为点，也就是说目标对系统的张角小于系统的瞬时视场，系统对整个目标所取的像元素还不到一个，在这种情况下反映在图像上是一个亮点，因此不能识别目标.但是根据这个亮点，能够通过信号处理探测到目标的存在。

点源目标红外成像探测的目的，就是在尽量远的距离上及早发现目标，并给出目标所在的方位。

设目标的有效面积为A ，目标距系统的距离为R ，目标对系统的张角为α'β'，系统瞬时视场为ω (ω=αβ)，且αβ＞α'β'。

当系统扫过目标的某一瞬时，由于目标像点并未充满探测器的有效灵敏面，因此在探测器灵敏面上尚有部分面积被背景所辐照。

制冷型红外热成像仪原理
制冷型红外热成像仪利用红外辐射的原理进行工作。

其工作原理主要可以分为以下几个步骤：
1. 接收红外辐射：红外热成像仪通过一系列的透镜和滤光片，将红外辐射从目标物体上收集起来。

这些透镜和滤光片可以选择性地对特定波长的红外辐射进行捕捉和处理。

2. 辐射能量转换：红外辐射在探测器中转化为电信号。

制冷型红外热成像仪通常采用霍尔格林或化感探测器来转换红外辐射能量为电信号。

这些探测器需要在低温环境下工作，因此红外热成像仪中通常使用制冷系统来保持探测器的温度。

3. 信号处理和图像重构：接收到的电信号被放大和处理，然后传输到信号处理单元进行处理。

信号处理单元根据接收到的电信号，计算出不同温度点的亮度值，并将其转化为图像。

图像重构是通过根据红外辐射的能量分布和温度分布来建立图像。

4. 显示和解析：最后，图像被显示在红外热成像仪的显示屏上。

用户可以观察到目标物体的红外辐射图像，并根据图像来分析目标物体的温度分布和热特性。

制冷型红外热成像仪利用红外辐射的不同能量分布和温度分布来生成图像，可以在暗无明亮的环境中检测到目标物体的热量分布，为很多应用领域提供了方便和有效的工具。