郭立紅，郭漢洲,2*,楊詞銀，李　寧

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

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利用大氣修正因子提高目標紅外輻射特性測量精度

郭立紅1，郭漢洲1,2*,楊詞銀1，李寧1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

提出了利用大氣修正因子修正大氣透過率來提高測量目標紅外輻射特性精度的方法。建立了目標紅外輻射特性測量模型，給出了基于大氣修正因子的目標紅外輻射特性測量方法。該方法將短距離大氣透過率實測結果和MODTRAN模擬計算的大氣透過率之比定義為基礎大氣修正因子，然后依據(jù)長距離與短距離的不同數(shù)量關系得到增強大氣修正因子，最后利用該因子對MODTRAN計算的長距離大氣透過率進行修正并進行目標的輻射反演，從而獲得目標輻射特性。 對中波紅外攝像機進行了定標，利用中波紅外攝像機和面源黑體開展了目標紅外輻射特性測量實驗。實驗結果表明，利用大氣修正因子修正大氣透過率的目標輻射測量方法得到的目標輻射特性測量精度在8%左右， 高于傳統(tǒng)的利用MODTRAN計算方法得到的20%的測量精度。得到的結果顯示本文方法較傳統(tǒng)方法較大程度地提高了目標輻射特性測量精度。

大氣修正因子；大氣透過率；紅外攝像機；紅外輻射特性測量；測量精度

*Correspondingauthor,E-mail:guohanzhou1@163.com

1　引　言

目標紅外輻射特性測量可以提供目標輻射溫度、輻射亮度、輻射強度和輻射譜特征等重要參數(shù)，從而為設備的目標探測與識別能力分析提供依據(jù)，所以是設計、論證、武器系統(tǒng)研制的重要環(huán)節(jié)[1]。無論是敵方目標的紅外偵查和跟蹤制導，還是我方目標的紅外隱身和仿真，都需要目標紅外輻射特性作為依據(jù)[2]，因此，測量和研究目標紅外輻射特性是一項既基礎又重要的工作[3-4]。

目標紅外輻射特性的獲取方法主要有仿真計算和實際測量。前者不受實驗環(huán)境和成本的限制，得到了廣泛應用，但是其有效性和準確性無法得到驗證，只能作為輔助手段；后者是直接獲取目標真實紅外輻射特性的唯一手段，也是本文使用的測量方法[5]。

目標紅外輻射特性的測量步驟如下：

(1)進行紅外輻射特性測量系統(tǒng)的輻射定標，目的是確定紅外輻射特性測量系統(tǒng)的輻射響應度；

(2)利用紅外輻射特性測量系統(tǒng)測量目標，得到目標輻射特性數(shù)據(jù)，并獲得當前大氣環(huán)境的大氣透過率和大氣程輻射；

(3)根據(jù)輻射響應度、大氣透過率和大氣程輻射等數(shù)據(jù)反演計算得到被測量目標的紅外輻射特性數(shù)據(jù)。

其中，大氣透過率和大氣程輻射是先通過大氣觀測設備得到一些大氣參數(shù)，然后輸入大氣輻射傳輸計算軟件計算得到的，精度一般為20%左右，不過氣象條件比較惡劣的情況下測量精度會下降10%左右，由此導致目標紅外輻射特性的測量精度在20%～30%左右[6]。

本文將短距離實際測量的大氣透過率和大氣輻射傳輸計算軟件計算的大氣透過率之比定義為基礎大氣修正因子，依據(jù)長距離與短距離的不同數(shù)量關系改變基礎大氣修正因子得到增強大氣修正因子，借此修正長距離的大氣輻射傳輸計算軟件計算的大氣透過率，提高大氣透過率的測量精度。然后利用長距離修正后的大氣透過率校正目標的紅外輻射特性測量數(shù)據(jù)，提高目標輻射特性的測量精度。

2　目標紅外輻射特性測量模型

在測量目標紅外輻射特性時，要考慮到測量系統(tǒng)和被測目標之間的大氣影響。大氣中的分子和氣溶膠粒子等對來自目標的紅外輻射進行散射和吸收，同時大氣自身輻射也會與目標輻射相疊加。因此，目標的紅外輻射測量模型為[7]：

DN=α[τaLt+Lpath]+DN0,

(1)

式中:DN為紅外攝像機的測量輸出值，α為紅外攝像機的輻亮度響應度，τa為被測目標和紅外攝像機之間的大氣透過率，Lt為被測目標的輻亮度，Lpath為被測目標與紅外攝像機之間的大氣程輻射，DN0是由紅外攝像機自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。

根據(jù)式(1)進行輻射反演得到目標的輻亮度為：

(2)

式中:α和DN0是通過紅外攝像機的輻射定標獲得的系統(tǒng)參數(shù)值;大氣透過率τa和大氣程輻射Lpath是利用大氣觀測設備測量大氣參數(shù)，然后輸入到大氣輻射傳輸計算軟件中計算得到的。

根據(jù)式(2)可知，目標輻亮度Lt的反演精度取決于紅外攝像機的測量輸出值DN、紅外攝像機偏置值DN0、紅外攝像機輻亮度響應度α、大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa的不確定度。根據(jù)前人在相關方面的研究和總結，不確定度分析如下：

(1)紅外攝像機的測量輸出值DN的不確定度優(yōu)于1%；

(2)紅外攝像機偏置值DN0在常溫下的不確定度為2%左右；

(3)紅外攝像機輻亮度響應度α的不確定度一般可控制在5%左右；

(4)大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa的不確定度主要取決于大氣參數(shù)的測量精度，一般在20%左右。

由以上分析可知，目標紅外輻射的測量精度在22%左右，影響最大的因素為大氣程輻射Lpath以及大氣透過率τa。

3　利用大氣修正因子的紅外輻射特性測量方法

在距離紅外攝像機R0處設置一個黑體。將黑體分別設置在低工作溫度TL和高工作溫度TH，利用紅外攝像機分別測量兩種溫度下的黑體，得到測量輸出值DNL和DNH[8]：

DNL=α[τR0LL+LR0]+DN0,

(3)

DNH=α[τR0LH+LR0]+DN0,

(4)

其中：α為紅外攝像機的輻亮度響應度，τRa為被測黑體和紅外攝像機之間的大氣透過率，LL和LH分別為低工作溫度TL和高工作溫度TH下的黑體輻亮度，LR0為被測黑體與紅外攝像機之間的大氣程輻射，DN0是由紅外攝像機自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。

根據(jù)式(3)和式(4)計算得到實際測量的大氣透過率為：

(5)

(6)

根據(jù)式(6)進一步得到增強大氣修正因子CH：

CH=0.99[log2(RH/R0)+0.5]×C0,

(7)

其中：RH為被測目標與紅外攝像機之間的距離，[ ]表示取整。

在測量距離為RH的目標時，先用大氣輻射傳輸計算軟件計算出當前大氣環(huán)境條件下距離RH的理論大氣透過率τRH，再乘以增強大氣修正因子，得到修正后的大氣透過率τRH：

(8)

由此利用式(2)進行輻射反演得到目標的輻亮度。根據(jù)式(5)，短距離實際測量的大氣透過率τR0的測量精度取決于紅外攝像機輻亮度響應度α、紅外攝像機測量高溫黑體的輸出值DNH和測量低溫黑體的輸出值DNL、高溫黑體輻亮度LH和低溫黑體輻亮度LL的不確定度，具體分析如下：

(1)紅外攝像機輻亮度響應度的不確定度一般可控制在5%左右；

(2)紅外攝像機的測量輸出值DN的不確定度優(yōu)于1%；

(3)黑體輻亮度LL和LH的不確定度一般可控制在2%左右。

由此可知，短距離實際測量大氣透過率的測量精度在5.9%左右。

根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)，長距離修正后的大氣透過率τRH的測量精度取決于距離R0的實際測量大氣透過率和理論大氣透過率τR0、距離RH的理論大氣透過率τRH，黑體和紅外攝像機之間的距離R0、被測目標與紅外攝像機之間的距離RH的不確定度，具體分析如下：

(1)實際測量大氣透過率τR0的不確定度在5.9%左右；

(2)距離R0和RH的測量精度分別在1%左右；

(3)理論大氣透過率τR0和τRH的不確定度取決于距離R0,RH以及大氣輻射傳輸計算軟件的計算精度。綜合可知，不確定度分別在3.2%左右。

由此可知，長距離修正后的大氣透過率的測量精度在7.6%左右。

根據(jù)式(2)，利用長距離修正后的大氣透過率對目標進行輻射反演的精度在17.7%左右，優(yōu)于傳統(tǒng)的大氣透過率輻射反演的精度。

4　外場測量實驗

4.1紅外攝像機輻射定標

本文選取中波紅外攝像機作為紅外輻射特性測量系統(tǒng)。測量之前需要先對中波紅外攝像機進行輻射定標，確定紅外攝像機的輻射響應度。采用ISDC IRl50 面源黑體作為輻射定標的標準輻射源。紅外攝像機輻射定標模型如下[9-10]：

DN=α·L+DN0,

(9)

式中：DN為紅外攝像機的測量輸出值，α為待定標的紅外攝像機的輻亮度響應度，L是面源黑體在紅外攝像機測量波段(3.7～4.8 μm)內(nèi)的輻亮度，DN0是由紅外攝像機自身熱輻射和背景輻射等因素引起的偏置值。黑體的輻亮度通過普朗克公式計算[11-13]，即：

(10)

式中:λ1,λ2為紅外攝像機的測量波段，ε為黑體發(fā)射率，T為黑體工作溫度，c1和c2分別為第一、第二輻射常數(shù)[14]。c1,c2分別為：

c1=3.741 771 790(46)×10-16，

c2=1.438 777 36(83)×10-2.

表1、表2分別給出了中波紅外攝像機和ISDC IRl50面源黑體的技術參數(shù)。

表1　中波紅外攝像機的技術參數(shù)

表2　ISDC IRl50面源黑體的技術參數(shù)

通過改變面源黑體的溫度，得到不同的黑體輻亮度值L，中波紅外攝像機測量面源黑體得到不同的測量輸出值DN。設定積分時間為2.5 ms。圖1是中波紅外攝像機的輻射定標結果，橫坐標代表面源黑體的輻亮度L，縱坐標代表紅外攝像機測量輸出值DN。

圖1　中波紅外攝像機的輻射定標結果Fig.1　Result of radiation calibration of medium wave infrared camera

根據(jù)式(9)，利用最小二乘法對中波紅外攝像機的輻射定標結果進行線性擬合，得到中波紅外攝像機的輻亮度響應關系為：

DN=2 372×L+2 425.

(11)

4.2目標紅外輻射特性測量實驗

為了驗證本文方法在實際測量中的可行性，利用前文已經(jīng)標定好的中波紅外攝像機對目標進行紅外輻射特性測量實驗。首先，將參考輻射源ISDC IRl50 面源黑體放置在距離中波紅外攝像機200 m處進行測量，以獲得大氣透過率。中波紅外攝像機的積分時間為2.5 ms，面源黑體的溫度分別設置在45 ℃和60 ℃，對應的輻亮度分別為LL和LH，紅外攝像機對面源黑體的測量輸出值分別為DNL和DNH。表3給出了200 m處面源黑體的中波紅外攝像機測量結果。圖2是200 m處中波紅外攝像機得到的面源黑體圖像。

表3　200 m處面源黑體的中波紅外攝像機測量結果

圖2　200 m處中波紅外攝像機得到的面源黑體圖像 Fig.2　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at 200 m

根據(jù)式(5)和式(11)，由表3的數(shù)據(jù)可以得到200 m處實際的大氣透過率為：

(12)

實驗期間的大氣壞境溫度為-4 ℃，相對濕度為40%，長春地區(qū)海拔210 m，能見度為10 km。根據(jù)以上大氣參數(shù)，利用大氣輻射傳輸計算軟件MODTRAN計算理論大氣透過率為：

(13)

根據(jù)式(6)得到基礎大氣修正因子為：

(14)

根據(jù)式(7)獲得距離分別為391 m和810 m的增強大氣修正因子為：

C391=0.99[log2(391/200)+0.5]×0.893=0.884,

(15)

C810=0.99[log2(810/200)+0.5]×0.893=0.875.

(16)

利用大氣輻射傳輸計算軟件MODTRAN計算距離為391 m和810 m的大氣透過率τRH和大氣程輻射LRH。之后根據(jù)式(8)計算得到修正后的大氣透過率τRH。表4給出了各測量距離下利用MODTRAN計算得到的大氣透過率和修正后的大氣透過率。

表4　各測量距離下利用MODTRAN計算的大氣透過率和修正后的大氣透過率

將面源黑體作為被測目標分別放置在391 m和810 m處，對黑體設置不同的溫度，利用中波紅外攝像機測量目標黑體，得到紅外攝像機的測量輸出值。根據(jù)式(2)，利用大氣輻射傳輸計算軟件MODTRAN計算的大氣透過率對目標黑體進行輻射反演，得到輻亮度圖3為長距離下中波紅外攝像機得到的目標黑體圖像。表5給出了利用MODTRAN計算的大氣透過率的目標輻亮度反演結果。根據(jù)式(2)，利用修正后的大氣透過率對目標黑體進行輻射反演，得到輻亮度值Lt。表6給出了長距離利用修正后的大氣透過率進行目標輻亮度反演的結果。

表5　利用MODTRAN計算的大氣透過率進行目標輻亮度反演的結果

圖3　長距離下中波紅外攝像機得到的目標黑體圖像Fig.3　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at a long distance

對比表5和表6可知，利用經(jīng)過增強大氣修正因子修正后的大氣透過率對目標進行輻射反演的精度，優(yōu)于利用MODTRAN計算的大氣透過率對目標進行輻射反演的精度，反演精度由20%左右提高到8%左右。

表6　利用長距離修正后的大氣透過率的目標輻亮度反演結果

5　結　論

本文利用中波紅外攝像機和ISDC IRl50 面源黑體開展了目標紅外輻射特性測量實驗。實驗結果表明，與利用MODTRAN計算的大氣透過率的目標輻射測量方法相比，本文利用經(jīng)過增強大氣修正因子修正后的大氣透過率的目標輻射測量方法可將測量精度由20%左右提高到8%左右。

由于本文所進行的實驗的大氣環(huán)境為水平大氣，且測試距離較近，所以該測量方法的適用環(huán)境為水平大氣近距離情況。由于實驗室擁有的最大面源黑體尺寸是300 mm×300 mm， 中波紅外攝像機的單元探測器的瞬時視場最小是0.075 mrad×0.075 mrad，因而無法開展更遠距離的目標輻射特性測量。今后將購置新的實驗器材，并改善實驗條件，開展更遠距離的目標輻射特性測量實驗，進一步驗證本文提出方法的有效性。本文計算增強大氣修正因子的模型較為簡單，獲得目標紅外輻射特性的增強大氣修正因子的精確度不高。今后將完善增強大氣修正因子計算模型，采用二次或更高次曲線模型，獲得更精確的增強大氣修正因子，從而進一步提高目標紅外輻射特性的測量精度。

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郭立紅(1964-)，女，吉林舒蘭人，研究員，博士生導師，1986年于長春光學機械學院獲得學士學位，1998年、2003年于中科院長春光學精密機械與物理研究所分別獲得碩士、博士學位，主要從事光電對抗裝備的總體設計。E-mail:guolh@ciomp.ac.cn

郭漢洲(1990-)，男，吉林長春人，碩士研究生，2014年于長春理工大學獲得學士學位，主要從事紅外目標特性測量與輻射定標等方面的研究。E-mail:guohanzhou1@163.com

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Improvement of radiation measurement precision for target by using atmosphere-corrected coefficients

GUO Li-hong1, GUO Han-zhou1,2*,YANG Ci-yin1, Li Ning1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

A method to improve the infrared radiation measurement precision of a target based on correcting atmospheric transmittance by using an atmosphere-corrected coefficient was proposed. A measuring model of infrared radiation characteristics for the target was established, and the measuring method of the infrared radiation characteristics for the target was given. The method defines the ratio between the really-measured atmospheric transmittance at a short distance and the calculated one by using MODTRAN as an atmosphere-corrected coefficient. Then, it obtains the enhanced atmosphere-corrected coefficient according to the different quantitative relationships between the short distance and other distance. Finally, it uses the enhanced atmosphere-corrected coefficient to correct the long distance atmospheric transmittance and to invert the radiation of the target, so that to obtain the radiation characteristics of the target. A middle wavelength infrared camera was calibrated and the measuring experiment of the infrared radiation characteristics for the target was carried out by the middle wavelength infrared camera and a black body. The results show that the radiation measurement precision obtained by using MODTRAN is about 20% and that obtained by the proposed method is about 8%. It demonstrates that the radiation measurement precision has improved greatly as comparing with that of the conventional method.

atmosphere-corrected coefficient; atmospheric transmittance; infrared camera; infrared radiation measurement； measurement precision

2015-12-07；

2016-02-01.

國家自然科學基金資助項目(No.61205143)

1004-924X(2016)08-1871-07

TP732.2；TN215

A

10.3788/OPE.20162408.1871