CN114199388A - 一种红外成像系统作用距离的性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，属于红外成像系统性能评估技术领域。本发明包括：对空间频率为f的目标，其与背景的实际温差在经过大气传输到达热成像系统时，应仍大于或等于该成像系统对应频率的MRTD(f)，同时目标对系统的张角应大于或等于探测水平所要求的最小视角。利用基于MRTD作用距离可以方便红外成像系统设计，提升了设计的便捷性和准确性。

Description

一种红外成像系统作用距离的性能评价方法

技术领域

本发明涉及红外成像系统性能评估技术领域，尤其是一种红外成像系统作用距离的性能评价方法。

背景技术

红外成像系统是夜视系统家族中重要的一员，在现代战争中发挥着极其重要的作用。红外成像系统以其被动工作方式，不会被敌方电子干扰、隐蔽性好；图像直观，易于观察；精度高；低空探测性能好等特点，在各个邻域得到日益广泛的应用。从警戒系统、侦察系统，到机载、舰载、车载火控系统、地面防空系统、导弹制导、舰艇近区防御系统、以及反恐、反走私领域，红外成像系统都扮演了重要的角色。海湾战争中，多国部队从单兵到装甲车辆及各种作战平台都使用了大量的红外成像系统，如美军的OR－IC型机载热像仪能探测到16小时以前点燃过的炊烟、发射过的火炮和发动过的车辆等。在1945年夏，美军登陆进攻冲绳岛，红外夜视仪一亮相就显示出了它的优势。1982年4月～6月，英国与阿根廷的马尔维纳斯群岛战争，英军因为拥有大量的红外夜视仪，取得了胜利；还有1991年海湾战争中，美军装备了大量的红外夜视仪，在夜战中占据了优势。

目前的红外成像系统可分为两种类型：光机扫描型和非扫描型(凝视型)。光机扫描型的通过借助光机扫描器使单元探测器依次扫过景物的各部分，形成景物的二维图像。非扫描型(凝视型)红外成像系统就是利用多元探测器面阵，使探测器中的每个单元与景物的一个微面元对应，因此可取消光机扫描。热释电红外成像统和凝视型红外成像系统就属于这种类型。

近年来，红外成像系统在夜间或者不良气候下作战时的目标搜索跟踪、瞄准、制导等方面的应用显示出红外探测的巨大优越性。越来越广泛的应用使得对红外成像系统性能的研究也变得更加深入。性能评价对红外成像系统的设计来说非常重要，作为评价热像仪性能的一个重要参数——作用距离一直是人们所关注的焦点。红外成像系统作用距离的实测是在热像仪生产出来之后才能进行的，这是所谓的测量法，测量法能够准确的反映热像仪在特定环境中的性能，但是由于实验不可能在各种复杂的环境下进行，所以测量法的评估范围受到限制，而且耗资巨大。

发明内容

在设计红外成像系统时，如何使得设计的红外成像系统的性能达到最优，需要借助红外成像系统作用距离的模型，来实现红外成像系统的设计。本发明提供一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，通过对基于红外探测器各种参数的作用距离方程进行分析与比较，提出了一种合理的红外成像系统作用距离的理论模型，为设计红外成像系统提供了依据。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，包括：

对空间频率为f的目标，其与背景的实际温差在经过大气传输到达热成像系统时，应仍大于或等于该成像系统对应频率的MRTD(f)，同时目标对系统的张角应大于或等于探测水平所要求的最小视角。

进一步的，所述根据基于MRTD(f)的作用距离预测的基本要求应满足以下关系式：

式中：f为目标的空间特征频率；h为目标高度；N_e为按约翰逊准则发现、定位、识别和认清目标所需的等效条带；R为目标的距离；ΔT为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温度差；MRTD(f)为热成像系统的最小可分辨温差。

进一步的，

所述

式中：SNR_DT为阈值信噪比；MTF_s(f)、MTF_eye(f)分别为系统和人眼传递函数；α、β分别为水平和垂直方向的瞬时视场；τ_d为电子积分时间；τ_e为人眼积分时间；f_p为帧频；Δf为噪声等效带宽。

进一步的，

NETD的表达式为：

式中：T_B为背景温度；A_d为探测器单元尺寸；τ₀为光学系统效率；λ_p为峰值波长；M_λ(T_B)为系统的辐射出射度；Δf_i为噪声等效带宽；D^*(λ_P)为探测器的峰值探测率；F为光学系统F数；c₂为第二辐射常数。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明针对以往的相关分析和预测进行了一定程度的简化，对实际计算具有较大误差的问题，从MRTD的含义出发，立足于MRTD实际上反映的是系统对能量差异的分辨能力，并基于此提出更为符合实际物理过程的作用距离预测方程计算方法。用基于MRTD作用距离可以方便红外成像系统设计，提升了设计的便捷性和准确性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1:

模型法以计算机为工具，可以充分的模拟红外成像系统、搜索跟踪系统，选择合理的算法，尽可能的模拟各种复杂的战场环境，比较准确的预测其性能。模型法可以避免繁琐、艰苦的外场试验，还可以为系统的设计优化和分析提供参考依据，使用模型法是比较具有优势的。

为此，国内外对模型法展开了广泛深入的研究。模型法已经成为设计、研制红外成像系统的最新有效手段。本文中就是采用模型法对红外成像系统的性能进行评价，特别是对红外成像系统作用距离的计算，证明了模型法的优越性和可靠性。

红外成像系统的作用距离，与目标辐射特性、背景大气条件、红外光学系统性能、探测器特性等因素密切相关。在下面六种红外成像系统作用距离经典模型之上，提出了一种更为符合实际物理过程的红外成像系统作用距离模型。

a)红外成像系统作用距离经典模型

红外成像系统作用距离经典模型，可分为以下六种：

1)R.D小哈得逊红外系统作用距离方程

由R.D哈得逊给出的红外作用距离方程如下：

式中，R为系统的作用距离；D₀为光学系统的入瞳直径；NA为系统的数值孔径，

D^*为探测器的探测率；τ_a、τ₀分别为大气和光学系统透过率；I_t为目标辐射强度；ω为红外系统的瞬时立体视场角；Δf为噪声等效带宽；SNR为系统工作时所需最小信噪比。

该方程的缺点主要有两点，第一，该方程没有考虑成像弥散斑尺寸对作用距离的影响；第二，该方程仅仅考虑了目标到达探测器靶面上的辐射强度是否满足探测要求，并没有考虑背景辐射的影响存在一定的局限性。虽然该方程存在着一定的局限性，但却是早期应用的比较广泛的一个方程。

2)基于传递函数的作用距离方程

式中，ΔT为目标与背景之间的温差；r_s为系统总的传递函数；T_e为人眼的积分时间；F为光学系统焦距与口径之比；ΔT_N为红外成像系统的噪声等效温差；S/N为信噪比；f_T为工作频率，f_c为方位瞬时视场的倒数；ε为一个实际目标矩形轮廓中单个分辨条带的长宽比；β_a为大气消光系数，表示单位距离上的大气衰减；n_r与达到某种分辨性能有关；A_T,min为在系统作用方向上目标可能呈现的最小面积。该方程虽然考虑了人眼的因素，但是系统总的传递函数却是难以准确获取。

3)基于NETD(噪声等效温差)作用距离方程一

式中，Ω为传感器的瞬时视场；ξ为信号处理损失等因素引起的系数，根据经验可取ξ＝3～4，c₂＝1.4388×10⁴μm·K为第二辐射常数；η_Δλ可查阅文献可知。X_T为测量NETD时背景微分辐射通量，当λT≤c₂时可以用

计算。

这个方程对于某些给出NETD的系统来说，能够很方便地计算系统的作用距离。但是同1)中给出的方程一样没有考虑背景辐射的影响，也没有考虑光学系统透过率。

4)基于NETD(噪声等效温差)作用距离方程二

在NETD的推导中，要求目标的角尺寸W超过系统的瞬时视场若干倍，但在点目标探测时，目标像不能充满系统的瞬时视场，因此，需要对NETD进行修正。

式中，σ是大气消光系数，S是目标投影面积，ΔT₀是目标与背景的实际温差，α与β分别是红外系统在水平和铅垂方向瞬时视场角，(V_s/V_n)是要求的极限信噪比。该作用距离模型的局限同样在于没有考虑红外光学系统透过率的影响。

5)基于NETD作用距离方程三

考虑到NETD的数学表达式和其数值的实验室测量，以及作用距离方程都是基于目标背景小温差条件的，而作为点源进行探测的目标往往并不满足小温差条件。因此介绍一种适用的基于NETD和目标背景温度参数的点源目标作用距离的计算方法。

式中σ＝5.67×10^-12W·cm²·K^-4即斯蒂芬常数；ε为目标材料的发射率；T为目标温度；η_Δλ为目标在Δλ光谱范围内的相对辐射能量，Δλ＝λ₂-λ₁，λ₂和λ₁即红外探测器工作波段的上限和下限；ε_B为背景的红外辐射率；T_B为背景温度；η_BΔλ为背景在Δλ光谱范围内的相对辐射能量。方程需要目标背景小温差条件下才能成立，即只有在小温差条件下才有好的适用性。然而，作为点源来探测的红外目标，小温差条件往往不能很好的满足。

6)基于NETD作用距离方程四

式中R为作用距离；T_B为背景温度；A_d为探测器单元尺寸；τ₀为光学系统效率；λ_p为峰值波长；M_λ(T_B)为系统的辐射出射度；Δf_i为噪声等效带宽；D^*(λ_P)为探测器的峰值探测率；F为光学系统F数。这个方程对于给出NETD的系统来说，既考虑了背景辐射的影响，也考虑了光学系统的透过率，能够很方便地计算出系统的探测作用距离。但没有考虑识别概率，因此这个方程无法计算出系统的识别作用距离。

b)一种基于最小可分辨温差(MRTD)的作用距离模型

最小可分辨温差(MRTD)是评价热成像系统温度分辨力和空间分辨力的重要参数，它不仅包含系统特征，也包含了观察者的主观因素。因此，目前对扩展源目标的作用距离进行预测均采用表征系统静态性能的MRTD法。

通过MRTD对扩展源目标进行视距估算的基本要求是：对空间频率为f的目标，其与背景的实际温差在经过大气传输到达热成像系统时，应仍大于或等于该成像系统对应频率的MRTD(f)，同时目标对系统的张角应大于或等于探测水平所要求的最小视角。

根据基于MRTD(f)的作用距离预测的基本要求可得到以下关系式：

式中：f为目标的空间特征频率；h为目标高度；N_e为按约翰逊准则发现、定位、识别和认清目标所需的等效条带(半周期)；R为目标的距离；ΔT为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温度差；MRTD(f)为热成像系统的最小可分辨温差。

而MRTD的表达式为：

式中：SNR_DT为阈值信噪比；MTF_s(f)、MTF_eye(f)分别为系统和人眼传递函数；α、β分别为水平和垂直方向的瞬时视场；τ_d为电子积分时间；τ_e为人眼积分时间；f_p为帧频；Δf为噪声等效带宽。

NETD的表达式为：

式中：T_B为背景温度；A_d为探测器单元尺寸；τ₀为光学系统效率；λ_p为峰值波长；M_λ(T_B)为系统的辐射出射度；Δf_i为噪声等效带宽；D^*(λ_P)为探测器的峰值探测率；F为光学系统F数；c₂为第二辐射常数。

利用基于MRTD作用距离可以方便红外成像系统设计，提升了设计的便捷性和准确性。随着红外FPA器件的规模和提高其集成度，凝视型红外成像系统的应用越来越广泛。本文通过对红外系统几种作用距离模型的分析，提出了一种适用于凝视型红外成像系统的作用距离模型。由于作用距离和背景辐射与当地的大气条件密切相关，所以作用距离方程的求解是一个相对复杂的过程。在求解的过程中还要考虑处于不同观察角度的目标辐射强度并不相同，所以其作用距离也是不同的。

本发明针对以往的相关分析和预测进行了一定程度的简化，对实际计算具有较大误差的问题，从MRTD的含义出发，立足于MRTD实际上反映的是系统对能量差异的分辨能力，并基于此提出更为符合实际物理过程的作用距离预测方程计算方法。

本发明是一种基于MRTD的凝视型红外成像系统作用距离理论计算模型，可通过Matlab仿真迭代计算出红外成像系统作用距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，其特征在于，包括：

对空间频率为f的目标，其与背景的实际温差在经过大气传输到达热成像系统时，应仍大于或等于该成像系统对应频率的MRTD(f)，同时目标对系统的张角应大于或等于探测水平所要求的最小视角。

2.根据权利要求1所述的一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，其特征在于，所述根据基于MRTD(f)的作用距离预测的基本要求应满足以下关系式：

式中：f为目标的空间特征频率；h为目标高度；N_e为按约翰逊准则发现、定位、识别和认清目标所需的等效条带；R为目标的距离；ΔT为热成像系统入瞳处目标与背景的表观温度差；MRTD(f)为热成像系统的最小可分辨温差。

3.根据权利要求2所述的一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，其特征在于，

所述

式中：SNR_DT为阈值信噪比；MTF_s(f)、MTF_eye(f)分别为系统和人眼传递函数；α、β分别为水平和垂直方向的瞬时视场；τ_d为电子积分时间；τ_e为人眼积分时间；f_p为帧频；Δf为噪声等效带宽。

4.根据权利要求3所述的一种红外成像系统作用距离的性能评价方法，其特征在于，

NETD的表达式为：

式中：T_B为背景温度；A_d为探测器单元尺寸；τ₀为光学系统效率；λ_p为峰值波长；M_λ(T_B)为系统的辐射出射度；Δf_i为噪声等效带宽；D^*(λ_P)为探测器的峰值探测率；F为光学系统F数；c₂为第二辐射常数。