干貨 | 紅外探測(cè)系統(tǒng)中探測(cè)波段的選擇對(duì)比分析

在以熱紅外輻射探測(cè)為基礎(chǔ)的紅外成像系統(tǒng)中，紅外熱像儀接收來(lái)自目標(biāo)和景物的紅外輻射形成紅外圖像，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將不可見(jiàn)的輻射轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)的圖像。目前紅外探測(cè)系統(tǒng)中用得較多的是中波或長(zhǎng)波紅外熱成像探測(cè)，但系統(tǒng)在實(shí)際工作中，受到以下幾個(gè)方面的因素制約。第一，目標(biāo)與背景至少有一個(gè)特征有所區(qū)別，這是紅外探測(cè)所需的最基本信息；其次，紅外探測(cè)器的前向光學(xué)通道（如大氣分子的吸收和輻射、大氣的散射、光學(xué)系統(tǒng)的吸收和反射等）的衰減都將減弱輻射對(duì)比度；第三，紅外探測(cè)器將探測(cè)到的輻射對(duì)比度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出時(shí)需要最低輻射對(duì)比度的分辨能力；第四，還要依賴(lài)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)探測(cè)結(jié)果的信息處理能力。除了上述因素之外，由于目標(biāo)的紅外輻射率在不同波長(zhǎng)上有不同的分布，所以需對(duì)適用不同波段的探測(cè)器做出合適的選擇。

1 背景中的目標(biāo)輻射

根據(jù)普朗克定律表征了理想黑體每單位面積每立體弧度輻射的功率，理想黑體是一個(gè)非常有效的輻射源。其某一波段輻射通量密度的計(jì)算如式（1）所示。

式中，Mλ為光譜輻射通量密度，單位為W·cm-2·μm-1，C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.7415 × 108Wμm4/m2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.43879 × 104μm·k；通過(guò)普朗克公式可繪出溫度為T(mén)=300K～900K；波長(zhǎng)為λ =1μm～15μm，黑體輻射與輻射波長(zhǎng)之間關(guān)系的曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 黑體輻射的光譜輻射通量密度

由圖l可見(jiàn)：總輻射通量密度隨黑體溫度增加而增加，光譜輻射的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。另外，不同溫度的光譜分布曲線(xiàn)彼此不相交，說(shuō)明任何波長(zhǎng)的光譜通量密度都隨溫度的升高而增加。

根據(jù)普朗克輻射定律，在目標(biāo)探測(cè)中主要是紅外源輻射的光譜效率以及目標(biāo)與背景的輻射對(duì)比度。若目標(biāo)與背景除有微小溫差外，其余特性接近相同，從定律可知，欲使目標(biāo)與背景之間有最大對(duì)比度，需要式中的分子差值取最大值，實(shí)際工作中就是選擇合適的工作波長(zhǎng)，以便使光譜輻射度隨溫度的變化率達(dá)到最大值，因此，可將普朗克輻射公式對(duì)波長(zhǎng)求偏微分，可得維恩位移定律，如式（2）所示；對(duì)溫度T求偏微分，光譜輻射度對(duì)溫度的變化率，如式（3）所示。

光譜微分輻射亮度是溫度、波長(zhǎng)的函數(shù)，在峰值波長(zhǎng)五．處取得最大值。對(duì)單位溫差變化，波長(zhǎng)為λ。處輻射的亮度差最大值，對(duì)探測(cè)最為有利。光譜微分輻射亮度的峰值波長(zhǎng)與溫度之積也是常數(shù)，如式（4）所示。

對(duì)照維恩位移定律，光譜微分輻射亮度達(dá)到最大的峰值波長(zhǎng)λc不再是光譜輻射出射度達(dá)到最大的λm，λc小于λm，這是選擇目標(biāo)源與探測(cè)器需要考慮的因素。

1.1 目標(biāo)的總輻射特性

在探測(cè)目標(biāo)時(shí)，主要對(duì)3μm～5μm，8μm～12μm波段發(fā)射的總輻射數(shù)據(jù)及對(duì)溫度的變化感興趣。通過(guò)公式（1）、（3）可對(duì)感興趣波段積分求出總的帶內(nèi)輻射及對(duì)溫度變化情況，如（5）、（6）、（7）、（8），曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同波段下輻射曲線(xiàn)圖

從上述對(duì)應(yīng)的公式和曲線(xiàn)可知，對(duì)溫度為背景溫度或更熱的任何目標(biāo)，主要輻射處在長(zhǎng)波紅外波段，特別是在環(huán)境溫度下，長(zhǎng)波紅外輻射比中波紅外強(qiáng)30倍。因此，對(duì)約300K的環(huán)境溫度，若探測(cè)器中心波長(zhǎng)為8μm，則可獲得最大輻射對(duì)比度。在此波段工作時(shí)，即使目標(biāo)與背景有較小溫差，它們的光譜輻射度也具有較大的差值。

1.2 前向光學(xué)通道的傳輸性能

1.2.1 大氣傳輸?shù)乃p

紅外探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際探測(cè)跟蹤目標(biāo)時(shí)所接收到的輻射一部分是目標(biāo)輻射的能量，另一部分來(lái)自路徑輻射。然而目標(biāo)的輻射能量在到達(dá)紅外傳感器前，會(huì)被大氣中某些氣體有選擇地吸收，大氣中懸浮微粒能使光線(xiàn)散射，吸收、散射雖然機(jī)理不同，其作用結(jié)果均使輻射功率在傳輸過(guò)程中發(fā)生了衰減。大氣路徑本身的紅外輻射與目標(biāo)輻射在傳輸過(guò)程中不斷地被大氣所吸收并且再次輻射Im來(lái)，雖然路徑輻射使紅外系統(tǒng)接收到的能量增加，卻降低了目標(biāo)與背景的對(duì)比度，在熱紅外波段的影響尤為明顯?？衫肔OWTRAN7軟件，輸人中緯度地區(qū)相應(yīng)的大氣參數(shù)，得到的大氣輻射的透過(guò)率、大氣輻射亮度曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。

圖3水平觀察的中／長(zhǎng)波大氣透過(guò)率

從圖3可知，在中波譜段和長(zhǎng)波譜段大氣的透過(guò)率最高為0.7，這有利于探測(cè)器在中波譜段和長(zhǎng)波譜段的探測(cè)。從圖4可知，5μm～14μm譜段的大氣紅外輻射亮度為1.0×104w/cm2μm--6.0×10-4w/cm2μm，大氣的輻射亮度降低了長(zhǎng)波譜段的目標(biāo)與背景的對(duì)比度，不利于長(zhǎng)波譜段探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)。

圖4水平觀察中／長(zhǎng)波大氣輻射亮度

1.2.2 光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率

光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，一般用光學(xué)傳遞函數(shù)表示。它是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換，其模量部分稱(chēng)作調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，位相部分稱(chēng)作位相傳遞函數(shù)PTF。光學(xué)傳遞函數(shù)是空間頻率的函數(shù)?？臻g頻率又是光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑、使用的波長(zhǎng)和光學(xué)系統(tǒng)像差的函數(shù)，而實(shí)際應(yīng)用是采用無(wú)像差系統(tǒng)中空間截至頻率來(lái)衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，即光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，計(jì)算如式（9）所示。

式中，D為口徑，f為焦距，F(xiàn)為紅外光系統(tǒng)的F數(shù)，λ為波長(zhǎng)。

從式（9）可知，當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑一定時(shí)，探測(cè)器的波長(zhǎng)越短，其截至頻率越大，體現(xiàn)在圖像上目標(biāo)的輪廓越清晰。因此，3μm～5μm譜段的紅外光學(xué)系統(tǒng)比8μm～12μm譜段的紅外光學(xué)系統(tǒng)有更好的分辨率。

2 探測(cè)器的性能分析

探測(cè)器本身的性能是選擇探測(cè)波段時(shí)首要考慮的因素，即使目標(biāo)在某個(gè)波段有著很高的輻射強(qiáng)度和大氣透過(guò)率，若在該波段沒(méi)有與目標(biāo)特征譜段相匹配的探測(cè)器來(lái)探測(cè)目標(biāo)，輻射強(qiáng)度和大氣透過(guò)率也就沒(méi)有任何意義。因此，紅外探測(cè)器在不同波段探測(cè)目標(biāo)時(shí)，不同波段探測(cè)器的量子效率、積分時(shí)間和Nyquist頻率都是影響探測(cè)器探測(cè)能力的因素。不同波段的探測(cè)器對(duì)應(yīng)該波段的探測(cè)其量子效率是最高的，也有利于該紅外系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的捕獲跟蹤能力。當(dāng)積分時(shí)間越長(zhǎng)，接收系統(tǒng)接收的能量就越多，對(duì)探測(cè)目標(biāo)就越有利。但實(shí)際工作中，中波不超過(guò)5ms，長(zhǎng)波不超過(guò)1ms，主要原因是積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)中波紅外系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，尤其對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)，導(dǎo)致像移；對(duì)長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于大氣傳輸?shù)妮椛?，很容易飽和，更不利于目?biāo)探測(cè)跟蹤。為保證探測(cè)器在探測(cè)目標(biāo)時(shí)不發(fā)生混頻，探測(cè)器的Nyquist頻率μn，通常也作為評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的指標(biāo)，一般取為光學(xué)系統(tǒng)截止空間頻率μc的一半，計(jì)算如式（10）所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)際工作中波和長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)采集的圖像（如圖5、圖6）進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論分析、計(jì)算的正確性。

圖5長(zhǎng)波跟蹤飛機(jī)

圖6中波跟蹤飛機(jī)

從圖5和圖6可計(jì)算出，不同波段對(duì)跟蹤目標(biāo)的灰度值如表1所示。

由表1的數(shù)據(jù)可知，長(zhǎng)波的對(duì)比度比中波的對(duì)比度要高很多，所以長(zhǎng)波更有利于對(duì)上述目標(biāo)的探測(cè)跟蹤，但根據(jù)圖5、6的目標(biāo)顯示，中波紅外系統(tǒng)探測(cè)的目標(biāo)比長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)的目標(biāo)要清晰，主要是以下原因形成的。

（1）對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)，在不同的波段，其輻射率是不一樣的。目標(biāo)高溫時(shí)，降低了長(zhǎng)波波段的輻射率。

（2）背景輻射對(duì)長(zhǎng)波產(chǎn)生的噪聲比中波要大得多。

（3）當(dāng)目標(biāo)大于一定的尺寸，雖然在中波譜段的輻射率低，但目標(biāo)的尺寸大，也可獲得很大的能量，有利于中波目標(biāo)的成像質(zhì)量。

（4）探測(cè)器的波長(zhǎng)越短，其截至頻率越大，體現(xiàn)在圖像上目標(biāo)的輪廓越清晰。

（5）計(jì)算軟件在處理信息的過(guò)程中處理能力的差別。

4 結(jié)論

紅外探測(cè)波段的選擇需要綜合考慮探測(cè)器、目標(biāo)輻射、背景輻射、大氣衰減、材料等多種因素。某些情況下，各個(gè)因素對(duì)波段選擇的影響并不一致。這就更要求對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，以做出最合適的選擇。探測(cè)某些目標(biāo)時(shí)選用兩個(gè)波段各有利弊，可能都是合理的。對(duì)目標(biāo)的某些方位，中波探測(cè)比長(zhǎng)波探測(cè)更優(yōu)一些，而在另一些方位，長(zhǎng)波探測(cè)比中波探測(cè)更優(yōu)一些。這時(shí)就要在考慮其它方面的因素，以做出合理決策。對(duì)一些常見(jiàn)的被測(cè)目標(biāo)，可以參照以下方式選擇合適的探測(cè)波段。

（1）對(duì)探測(cè)目標(biāo)的溫度在500K以上，具有一定中波輻射，且這種環(huán)境下中波輻射的大氣透過(guò)率比長(zhǎng)波的高很多，中波探測(cè)器的靈敏度也較高，因此，應(yīng)優(yōu)先使用中波探測(cè)系統(tǒng)。

（2）對(duì)用于空對(duì)地、空對(duì)空和地對(duì)空遠(yuǎn)距離觀察的紅外系統(tǒng)，如果探測(cè)溫度在300K以下的低溫目標(biāo)，由于此時(shí)目標(biāo)的長(zhǎng)波輻射比較明顯，且傳輸路徑中水汽較少，透過(guò)率較高，應(yīng)優(yōu)先采用長(zhǎng)波探測(cè)系統(tǒng)。如果探測(cè)高溫目標(biāo)，如飛機(jī)熱噴管、排氣管、尾焰等，此時(shí)目標(biāo)的中波輻射明顯，應(yīng)優(yōu)先采用中波探測(cè)系統(tǒng)。

（3）對(duì)于地對(duì)地遠(yuǎn)距離觀察紅外系統(tǒng)，背景輻射大多比較復(fù)雜，大氣傳輸路徑較長(zhǎng)。如果環(huán)境濕度較高，一般應(yīng)考慮采用中波探測(cè)。如果環(huán)境濕度較低，可以考慮采用長(zhǎng)波探測(cè)，但需要綜合分析目標(biāo)輻射、背景輻射等因素。