【www.zhangdahai.com--效能建设心得体会】
屈长虹,伊炜伟,李 芬,冯加凯,王 坤
(中国工程物理研究院战略技术装备发展中心,北京 100094)
高温目标的红外探测与识别技术有着广阔的应用前景,相关研究已成为国内外光电子技术领域的热点方向。由于红外探测技术具有非接触、便携式、可高精度成像、被动无源、探测距离远等优点,在国防领域已成为武器装备探测、跟踪、识别的有效手段[1]。目前国内外开展包括实物目标红外辐射特性研究的方法主要有实物条件下使用红外探测器进行实际测量、采用计算机建模仿真两种[2-5]。由于实际应用环境的复杂性和目标的多样性,实物测量将消耗大量的人力物力资源,并且研究效率非常低下,因此,通过软件建模仿真与实物测量结合验证方式,能大幅度提高红外探测系统的开发进度。
红外成像系统由光学系统、红外探测器、信号采集与通讯、电源管理、杜瓦等核心功能部分组成,通常需要对直接影响红外探测效能的光学系统、红外探测器、信号采集三大部分进行定制化设计,以实现特定应用场景的成像识别要求。大量的仿真已经对红外目标特性、大气传输特性、探测器模型、图像识别算法等进行了深入研究。本文在建立目标辐射-大气传输-光学系统-红外探测器-信号采集完整仿真模型的基础上,通过软件仿真深入研究光学窗口透过光谱对高温目标红外成像探测效能影响规律,指导红外系统的设计优化。
仿真流程如图1所示。数据流按照以下方式传递:①加载目标温度物理场分布数据；
②加载大气窗口透过率数据；
③加载光学窗口光谱透过率数据；
④加载红外波段及波长分辨率参数；
⑤加载红外探测器的光电参数；
⑥加载目标与探测器相对位置参数；
⑦计算红外探测器对目标辐射的响应输出；
⑧计算信号采集模数转换后数字量。
图1 红外探测成像仿真框架图Fig.1 Infrared detection imaging simulation framework
3.1 红外目标辐射模型[6]
普朗克辐射定理描述了黑体辐射的光谱辐射通量密度分布,指定光谱波段内积分可得到全光谱的辐射通量密度。
辐射强度J定义为辐射源在单位立体角内的辐射功率,反映了辐射能传递的空间分布。辐射通量密度W是单位辐射面积发出的所有辐射功率,反映了辐射发射的面密度,而辐射通量P则是整个辐射源向空间发射的功率,即发射的辐射能的时间速率。辐射亮度N定义为辐射源在沿视线方向单位投影面积向单位立体角所辐射的功率。
取辐射亮度对辐射所张空间立体角和辐射面积的双重积分,可得辐射通量:
(1)
式中,N为辐射源的辐亮度；
dA为辐射源面元的面积；
θ为发射方向与dA法线的夹角；
cosθ·dA即辐射源面元在发射方向的投影。
理想的全漫射体发射的能量应能向半球空间均匀辐射,而且辐射亮度是常数,在球坐标系中:
(2)
(3)
3.2 大气辐射传输窗口
目标的红外辐射在大气中传输部分被吸收,而大气中各种成分也会产生辐射,因此距离目标某处(也称视点处)的辐射值需要对目标当地辐射值进行大气修正,也叫大气辐射传输计算。综合考虑视角、大气条件、气溶胶、下垫面类型等因素,可计算大气辐射传输效应,获得视点处的目标的光谱或波段内的辐射强度与亮度。
红外辐射光谱区间为0.65～100 μm,光谱进一步可划分为近红外、短波、中波、长波、甚长波等多种区间。由于大气会对红外辐射进行吸收,只留下三个“窗口”可让红外辐射通过,即1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm。在军事应用上将这三个波段称为近红外波段、中红外波段以及远红外波段。
空间目标虽然并不是完全在地球大气之外,但是只要在距离地面数十公里的高度以上非窗口波段是完全不透明的,因此只能在大气窗口内对目标进行观测。在非大气窗口波段,不仅大气外目标的辐射不能透过,而且非大气窗口波段内大气本身的辐射还很显著,因此不使用对应大气窗口的滤光片不但不能增加来自目标的信号强度,相反却增加了背景强度,即增加了背景噪声,从而降低了探测目标的信噪比。
4.1 辐照度
辐照度与辐射通量密度有相同的量纲(W/cm2),但辐射通量密度是发射的功率密度,而辐照度是单位被照面积接收到的辐射通量,是指接收端的功率密度。当用仪器接收辐射时,入瞳的辐照度按下式计算:
(4)
当辐射源被视作点源时,或是视作面源时,采用的辐照度计算方法是不同的。任何辐射源都具有一定尺寸,不可能是一个几何点。所谓点源、面源也不是根据辐射源尺寸大小来划分的,而是根据辐射源的面积是否充满仪器的测量视场。当辐射源的面积恰好充满仪器的瞬时视场角时,入瞳的辐照度为
H=N·(IFOV)2
(5)
4.2 红外焦平面成像
假设红外焦平面探测器有m×n个像元,每个像元的边长为a,目标与光学系统之间的垂直距离为L,光学系统焦距f,红外探测器在光学系统的像方焦平面上,像元的瞬时视场角近似为[7]:
(6)
每个像元能看到的有效辐射面积的边长
(7)
因此,考虑光学系统镜头光谱透过率为τλ,光学镜头口径为D,探测器入射功率为
(8)
红外焦平面成像传感器的仿真参数表如表1所示。
表1 红外焦平面成像传感器的仿真参数Tab.1 Simulation parameters of infrared focal plane imaging sensor
传感器输出模数转换后的数字量为:
Digital_output=(Offset+R·P·Gain)/((Vup-Vlow)/(2Bit-1))
(9)
5.1 探测目标建模
为了清晰地分析对比不同光学滤光镜头对特征温度目标的探测分辨效能,人为定义渐变型目标温度分布模型,用于后续的计算仿真。物理场分布数据加载后,进行辐射转换、光电转换和灰度转换。将视场中的目标按照瞬时视场尺寸离散化,一个单位面积目标映射到一个探测器阵元上,单位面积上目标温度为该区域的温度平均值。
5.2 大气窗口与光学系统镜头透过率光谱特征
辐射源比辐射率、大气窗口透过率、光学系统镜头透过率、探测器芯片响应光谱等共同决定了红外成像系统的光谱响应特性。仿真过程中定义目标为黑体,探测器芯片为宽光谱热吸收型,重点分析大气窗口透过率和光学系统镜头透过率的组合对成像信号的影响规律。仿真软件加载大气窗口透过率和光学系统镜头透过率后,将每个波段上的透过率传入仿真模型用于辐射转换、光电转换和灰度转换计算。图2和图3给出了典型大气窗口与6种光学系统镜头透过率光谱,从图中可见,Filter1中心波段3.3 μm,与大气中的水分子吸收带略有重叠；
Filter 2中心波段3.9 μm,大气透过率较高,该波段无大气强吸收；
Filter 3和Filter 4中心波段4.3 μm,与大气中的二氧化碳吸收带严重重叠；
Filter 5为5.5～14 μm通带,受5～8 μm大气水分子吸收带严重影响；
Filter 6为8～14 μm通带,受8～14 μm大气水分子和二氧化碳吸收带的部分影响。
图2 典型大气窗口Fig.2 Typical atmospheric window
图3 6种光学系统镜头透过率光谱Fig.3 Lens transmittance spectra of six optical systems
5.3 特征目标探测效能评价基准
计算273 K、573 K、873 K、1173 K四种温度目标的全光谱的辐射通量密度,如图4所示,可以观察到不同温度的能量主峰位置,也间接的说明了在提高红外探测效果时,针对不同目标温度选择不同的光学窗口的透过波段,有可能实现更好的温度分辨效果。
图4 四种温度目标的全光谱辐射通量密度Fig.4 All optical spectral radiation flux density of four temperature targets
对连续温度计算入射辐射通量密度、入射功率、探测器阵元输出电压以及模数转换后的数字量,如图5所示,可见当不考虑大气窗口和探测器光学窗口透过光谱的影响,探测器输出电压和数字量全部超出量程,无法正常工作,该种红外探测器响应率较高,不能在宽波段下工作。以不考虑大气窗口和探测器光学窗口透过光谱的情况下的仿真结果作为对比的基准,对比不同大气窗口和不同光学窗口的探测结果。
(a)
(d)
(e)图5 不考虑大气窗口和探测器光学窗口透过光谱的影响, 对连续温度计算入射辐射通量密度、入射功率、探测器阵元输出电压以及模数转换后的数字量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 不同光学窗口透过光谱对高温目标红外成像探测效能影响仿真
5.4.1 近距离不考虑大气吸收的场景
计算近距离不考虑大气吸收情况下,对人为设定的连续温度目标,计算不同光学窗口下的入射辐射通量密度、入射功率,如图6～图9所示,可以看出以下规律:
图6 近距离不考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射辐射通量密度Fig.6 Incident radiation flux density in different optical windows without considering atmospheric absorption at short distance
图7 近距离不考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率Fig.7 Incident power under different optical windows without considering atmospheric absorption in short distance
(a)
(b)图8 Filter 1、Filter 2、Filter 3近距离不考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率柱状图对比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)图9 Filter 5、Filter 6近距离不考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率柱状图对比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均为窄带窗口,并且处于5 μm以下波段,Filter 5、Filter 6为宽带窗口,并且处于5 μm以上波段；
2)结合图5,对于600K以下温度,由于Filter1到Filter4的中心波长逐步增大,并考虑Filter1、Filter2、Filter3、Filter4之间带宽的差异,导致了入射辐射通量密度随不同窗口变换而逐步递增；
同样Filter5、Filter6由于带宽差异,Filter5的入射辐射通量密度更高；
3)在1000K温度附近,Filter1的能量反超Filter3,结合图5,其本质为1000K温度的能量主峰更靠近Filter1的通带,同样作为窄带的Filter4的能量反超作为宽带的Filter6,同样原因是Filter6的通带远离了为1000K温度的能量主峰,因此可见,合适的窄带比不合适的宽带既能获得更强的入射能量,还能获得更强的环境干扰抑制能力、以及更高的温度对比度。
5.4.2 中远距离考虑大气吸收的场景
计算中远距离考虑大气吸收情况下,对人为设定的连续温度目标,计算不同光学窗口下的入射辐射通量密度、入射功率,如图10～图13所示。图14给出了中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的光谱辐射通量密度,可以看出以下规律:
图10 中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射辐射通量密度Fig.10 Incident radiation flux density under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance
图11 中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率Fig.11 Incident power under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance
(a)
(b)图12 Filter 1、Filter 2、Filter 3中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率柱状图对比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)图13 Filter 5、Filter 6中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的入射功率柱状图对比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
图14 中远距离考虑大气吸收情况下,不同光学窗口下的光谱辐射通量密度Fig.14 Spectral radiation flux density under different optical windows considering atmospheric absorption in medium and long distance
1)对比图8,大气窗口的施加,大幅度减弱了入射能量强度,同时也进一步加剧了使用不同光学窗口造成了入射能量的差异；
2)Filter5和Filter6在全温区入射能量曲线重合,尽管Filter 5和Filter 6通带带宽差异很大,但是大气窗口在8～14 μm之间限制了Filter 5和Filter 6的有效波段,所以在大气窗口限制下,单方面的扩大光学窗口的带宽是没有意义的；
3)Filter 1、Filter 2、Filter 3、Filter 4对比发现,Filter 3在450 K以下温区表现尚可,在高温区能量急剧减弱,参考图2中4.3 μm处的大气CO2吸收峰,可以发现与Filter 3的通带完全重合,造成使用Filter 3能量衰减,所以Filter 3的中心波长和带宽的选择,是一把“双刃剑”,通过与特征气体吸收峰重合,可以检测相关气体由于化学反应、人为构架光路等所产生的辐射能量,用于识别检测特征气体浓度,但是如果是用在红外目标探测上,则会大幅度降低探测效能。
5.4.3 中远距离考虑大气吸收的成像对比实例
图15给出了在考虑大气吸收情况下、采用不同光学窗口的红外探测仿真数据,通过对比(b)和(c)可见,Filter3受大气窗口CO2吸收影响,入射能量大幅度衰减,温度分辨能力也相应的减弱。
(b)
(c)
图15 考虑大气吸收情况下采用不同光学窗口的红外探测仿真数据Fig.15 Considering the atmospheric absorption,the infrared detection simulation data with different optical windows
辐射源比辐射率、大气窗口透过率、光学系统镜头透过率、探测器芯片响应光谱等共同决定了红外成像系统的光谱响应特性。在近距离探测不考虑大气窗口吸收情况下,光学窗口更宽的带宽、更高的透过率能帮助红外探测系统获得更强的入射能量；
在中远距离考虑大气窗口吸收情况下,大气窗口与光学窗口的光谱匹配性显得尤为重要,大气窗口与光学窗口的光谱重叠区域为有效能量区域,并且也须与目标温度的辐射通量密度光谱的特征相吻合,才能获得最高的探测效能和目标分辨率。但是,特定场景下的路径窗口特性,也与被探测器目标紧密关联,通过路径吸收,可以检测路径上相关特定气体或物质的存在与剂量,以及所发生的化学反应,例如明火燃烧、CO2和SF6泄露等的检测。
