红外成像系统作用距离的估算

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。

第47卷第3期2017年3月激光与红外LASER&INFRAREDVol.47,No.3March,2017文章编号:l〇〇l-5078(2017)03-0304-04 •红外技术及应用•不同大气条件下红外成像系统作用距离评估孙明昭，田超，王佳笑(中国华阴兵器试验中心，陕西华阴714200)摘要:通常红外系统的作用距离考核必须在特定的大气条件下进行，这对试验时机的选择带 来不便，本文在分析大气各成分对目标红外辐射能量的衰减机理的基础上，分析出影响红外成 像系统作用距离的主要因素，探索不同大气条件下红外系统作用距离的评估方法，为在任意大 气条件下该项指标的测试结果评判提供参考，具有较大的借鉴意义。

关键词：红外成像系统；作用距离；大气条件中图分类号:TN219 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1001-5078.2017.03.009Evaluation on operating range of infrared imaging systemunder different atmospheric conditionsSUN Ming-zhao,TIAN Chao,WANG Jia-xiao(Huayin Ordance Test Center of China,Huayin 714200,China)Abstract ：Usually operation range test of infrared imaging system needs to be carried out under specific atmospheric conditions, w hich will cause difficulties to the test. By analyzing attenuation mechanism of various elements in atmos­phere on infrared radiation of the target, the main influence factors of operating range were analyzed, and evaluation methods of operating range under different atmospheric conditions were discussed, which provide a reference for testing evaluation of operating range under the random atmospheric conditions.Key words ：infrared imaging system ；operating range ；atmospheric conditioni引言红外热成像系统的作用距离是指在一定的大气 条件下，系统对某一特定目标可能发现、识别和辨认 的最远距离，是评价红外热成像系统性能的重要指 标。

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。

、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。

、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。

一种红外成像系统作用距离试验评估方法
吴军辉;郜竹香;王涛;冀翔
【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2002(024)006
【摘要】进行红外成像系统作用距离考核试验时,由于外场试验中的目标特性及气象条件与指标提出对应的目标特性及气象条件有差别,因此需要进行必要的折算.提出一种基于信噪比准则的可行的红外成像系统作用距离试验评估方法.
【总页数】3页(P44-46)
【作者】吴军辉;郜竹香;王涛;冀翔
【作者单位】63891部队,洛阳,471003;63891部队,洛阳,471003;63891部队,洛阳,471003;63891部队,洛阳,471003
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
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1.红外探测系统作用距离试验与评估方法 [J], 王琦;张继旭;曹艳霞
2.焦平面探测器红外成像系统探测作用距离估算 [J], 王晓明
3.基于光谱等分法估算复杂大气条件下红外成像系统的MRTD和作用距离 [J], 孙文芳;吴平;张立帅
4.不同大气条件下红外成像系统作用距离评估 [J], 孙明昭;田超;王佳笑
5.一种新的声纳作用距离指标评估方法 [J], 李凡;郭圣明;王鲁军;刘清宇
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