白玉棟，杜翠蘭

（解放軍91404部隊，秦皇島066000）

0 引 言

溫度是很多軍事目標的重要參數(shù)，利用熱成像系統(tǒng)進行動態(tài)目標紅外輻射溫度測量可為武器裝備的研制、仿真及軍用目標的自身防護提供可靠的數(shù)據(jù)。對艦船目標紅外輻射特性進行研究，除了開展艦船紅外輻射的理論建模工作外，還應(yīng)實際測量艦船在特定環(huán)境條件下的溫度分布，從而對理論研究進行檢驗驗證。隨著凝視型紅外焦平面成像產(chǎn)品在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于凝視型紅外焦平面成像技術(shù)對遠距離海上目標紅外溫度分布測量成為熱成像系統(tǒng)的重要應(yīng)用之一。

1 測量原理

紅外測量的基本原理是基于熱輻射的普朗克定律，利用物體的輻射能與溫度的關(guān)系進行測量。紅外熱成像系統(tǒng)利用目標的輻射差異進行成像，探測器上的每個像素接收到不同溫度的紅外輻射，通過光電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓或者電流，經(jīng)過讀出電路的處理，最后形成與目標各點溫度相對應(yīng)的灰度圖，不同的灰度對應(yīng)不同的溫度和輻射通量[1]。室外測量時，熱成像系統(tǒng)接收到的輻射包括目標自身輻射、目標反射環(huán)境輻射、大氣輻射，如圖1所示。

圖1中：ε為目標發(fā)射率；L0（T0）為溫度為T0時黑體輻射亮度；Lu為環(huán)境亮度；τ為大氣透射率；L（Ta）為大氣輻射亮度。通常紅外熱像儀工作在一個很窄的波段，ελ、ρλ、εaλ、τaλ、τ0λ取值可認為與λ 無關(guān)或是用平均值代替，則輸出電壓信號可以表示為[2]：

圖1 輻射測量原理圖

式中：AR為熱像儀透鏡的面積；A0為熱像儀瞬時視場所對應(yīng)的目標面積；d為目標與熱成像系統(tǒng)之間的距離；τ0為系統(tǒng)的光譜透過率。

根據(jù)測溫理論可以得知，除目標自身輻射中包含的物體的真實溫度，其余都為干擾因素。如果要得到目標的真實溫度，必須排除這些干擾因素。

只要測得或計算出目標反射的環(huán)境亮度和傳輸路徑上大氣的程輻射亮度，經(jīng)過大氣透過率和目標發(fā)射率的修正，根據(jù)具有標定數(shù)據(jù)的熱成像系統(tǒng)測量得到的灰度信息就可以計算出目標本身的輻射亮度，進而用普朗克輻射定律反推出目標的輻射溫度。

2 海面目標的散射特性

對海面艦船目標而言，目標的表面不是黑體，所以對環(huán)境的輻射會按一定的空間分布反射出去，表現(xiàn)為目標的散射特性。其表觀的輻射亮度應(yīng)該為自身的直接輻射亮度與反射環(huán)境輻射亮度之和。海面上的艦船目標接收的背景輻射主要包括太陽直射、上半球空間的大氣輻射和陽光散射、下半球空間的海面輻射。

2.1 目標對太陽輻射的散射

太陽輻射的入射方向單一，用太陽的天頂角Z和方位角A來表示，目標的朝向由面元法線的天頂角和方位角來表示。

太陽輻射在目標上的照度與太陽和目標的相對位置有關(guān)，公式表示為：

式中：Es為太陽直射在目標所處位置的直射照度；θ為太陽光線與照射目標表面法線的夾角。

因此，對目標表面照度的計算可以歸結(jié)為太陽直射照度的計算和太陽光入射角的計算：

圖2 目標、水平面、太陽的角度關(guān)系

式中：Z為太陽的天頂角（0≤Z≤π）；A為太陽方位角（0≤A ≤2π）；Z′ 為目標法線的天頂角（0≤Z′≤π）；A′為目標法線方位角（0≤A′≤2π）。

當cosθ＜0時，表示太陽照射不到目標表面。

太陽和照射目標的幾何參數(shù)確定，再利用MODTRAN軟件計算或測量出太陽的直射照度，根據(jù)目標面元的雙向反射分布函數(shù)（BRDF）來計算目標散射太陽輻射的輻射亮度分布。由θi，φi方向入射的太陽輻射在θs，φs方向上的亮度表示為：

2.2 目標對海天背景輻射的散射

目標對海天背景的散射與目標的朝向有關(guān)，當目標面元朝向上方時，受到天空背景的輻射；當目標面元朝向下方時，受到海面背景的輻射；當目標面元的法線與水平面有一定傾角時，目標會同時接收到天空背景和海面背景的輻射，如圖3所示。

圖3 海面上方目標接收到的輻射

海天背景不同方向的輻射在目標表面產(chǎn)生的照度為：

所以，目標對天空背景和海面背景的散射可以表示為：

式中：Lsky和Lsea分別為天空背景和海面背景的輻射亮度；Ωsky和Ωsea分別為海面背景和天空背景輻射的入射空間。

3 艦船目標溫度場測量試驗

3.1 試驗流程及數(shù)據(jù)處理方法

艦船目標表面溫度場測量主要包括3個步驟[3]：

（1）標定紅外測量系統(tǒng)，以確定紅外系統(tǒng)的輻射響應(yīng)度，即系統(tǒng)輸入輻射量與輸出信號值之間的關(guān)系。

（2）利用紅外系統(tǒng)對目標進行測量，得到目標測量數(shù)據(jù)，同時利用大氣觀測設(shè)備和大氣輻射傳輸計算軟件獲得大氣透過率和大氣程輻射數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)紅外系統(tǒng)的輻射響應(yīng)度以及大氣透過率等數(shù)據(jù)，從目標測量數(shù)據(jù)反演得到目標紅外輻射特性和溫度分布。

對目標輻射的溫度分布反演分2步進行，首先利用MODTRAN計算測量路徑的大氣透過率和程輻射，得到目標的表觀輻射亮度；再根據(jù)目標的發(fā)射率和反射率結(jié)合環(huán)境對目標的影響，計算目標表面的溫度場分布。測量數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

3.2 熱像儀標定

2臺熱像儀，主要技術(shù)指標如下：

工作波段：中波3.7～4.8μm ，長波7.9～9.3μm；

圖4 海空背景目標表面溫度場計算框圖

探測器類型：碲鎘汞（MCT）；

探測器像元數(shù)：320×240；

噪聲等效溫差（NETD）：≤30°（25℃）；

視場（FOV）：大視場12°×9°，小視場2°×1.5°；

工作環(huán)境溫度：－20℃～50℃ ；

測溫范圍：－15℃～200℃（加衰減片可到1 000℃）；

空間分辨率（IFOV）：12°×9°時0.654mrad，2°×1.5°時0.109mrad；

制冷方式：斯特林制冷；

數(shù)字化視頻輸出：14bit。

為提高計算精度，更好地逼近實際探測器的響應(yīng)情況，通常選用2個以上標定點，采用最小二乘線性回歸求取參數(shù)。采用多點標定的方法分別對中波和長波熱像儀進行了標定。

表1 中波熱像儀標定數(shù)據(jù)

表2 長波熱像儀標定數(shù)據(jù)

采用最小二乘法，擬合出熱像儀工作檔位輸出灰度與黑體輻射亮度的線性關(guān)系。

圖5 中波熱像儀輻射標定

圖6 長波熱像儀輻射標定

中波熱像儀輸出灰度和輻射亮度的關(guān)系為：G＝3 144.6L＋2 676.1。

長波熱像儀輸出灰度和輻射亮度的關(guān)系為：G＝170.5L＋2 441.8。

3.3 艦船目標溫度場測量

圖7和圖8是測量系統(tǒng)對目標跟蹤測量過程中，目標距離為12km處的中波和長波測量圖像。時間：10月中旬，上午09∶36；地理位置：某海域；氣象條件：溫度10.3℃，濕度37%，東北風(fēng)3m／s。目標方位為120°（正北為0°）。

圖7 目標中波測量圖像

圖8 目標長波測量圖像

由紅外圖像發(fā)現(xiàn)，在中波波段目標除煙囪外的其它部分相對于背景來說都是暗目標，而長波波段是亮目標。天空背景在無云情況下的輻射亮度表現(xiàn)了很強的一致性，這也是工程中天空背景近似為均勻的根據(jù)。而海面背景的輻射亮度隨方向不同表現(xiàn)了很強的隨機性。目標溫度測量結(jié)果如表3所示。

表3 測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié)束語

經(jīng)過修正的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)比較接近目標的溫度分布，但是處理結(jié)果顯示在長波波段的溫度計算結(jié)果要比中波波段高。主要原因：一是因為在處理的過程中認為目標長波和中波的發(fā)射率是相等的，其實對于艦船目標來說，目標不同波段的發(fā)射率準確測量是難點；二是利用軟件計算的環(huán)境影響因素和真實環(huán)境還有差距。如何減小雙波段測量結(jié)果誤差還需要進一步研究。

[1]張盈，虞紅，何秋茹.紅外成像仿真系統(tǒng)目標／背景輻射能量計算 [J].紅外與激光工程，2008，37（S2）：377－380.

[2]楊立.紅外熱像儀測溫計算與誤差分析[J].紅外技術(shù)，1999，21（4）：20－24.

[3]楊詞銀，張建平.基于大氣修正的目標紅外輻射測量[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2003，33（4）：1－4.