喬鐵英，蔡立華，李 寧，李 周，3*，李成浩，3

(1.92853部隊，遼寧 葫蘆島 125106;2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;3.中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

隨著紅外技術(shù)的快速崛起，紅外輻射特性測量得到越來越廣泛的應(yīng)用。靶場紅外目標輻射特性測量是探測目標、獲取目標表面溫度分布和評價目標隱身效果的基礎(chǔ)技術(shù)之一[1]。而地基紅外輻射特性測量系統(tǒng)，即紅外經(jīng)緯儀是現(xiàn)代化、信息化靶場對航空、航天目標進行跟蹤、測量必不可少的光電測量設(shè)備[2]。

在光學測量領(lǐng)域，通常會將被觀測的目標分為擴展源目標和點源目標。所謂點源一般是指在探測器上幾何成像面積小于一個像元的目標，但是在實際測量中，理想的點源目標是幾乎不存在的，某些成像形狀單一，但面積大于一個像元的目標如果作為面目標處理會有很大的誤差,而作為點源目標處理能得到有很好的結(jié)果。工程上通常將成像小于10×10 像元數(shù)的目標作為點源目標。擴展源又稱為面目標，其幾何成像面積大于一個像元。一般情況下，如果目標在靶面上的成像大于10×10，將其作為面目標處理。對于紅外靶場測量一般會將近距離的導彈、火箭以及低空飛行的飛機看成面目標。輻射學上，擴展源目標的輻射量通常用輻射亮度表示，輻射亮度既包括輻射源的位置信息又包括國輻射源的方向特征信息。面目標的輻射測量是紅外輻射特性測量的重要組成部分，有著重要的應(yīng)用前景[3]。

學者們在輻射特性測量領(lǐng)域取得許多成就。李云紅等人研究了定標與測量條件相同時的精確測溫技術(shù)；楊詞銀、李寧等人研究了地基大口徑輻射測量系統(tǒng)的定標測量[1-4]；孫志遠，常松濤等人提出寬動態(tài)范圍的定標以及點目標測量方法[5-7]。然而，目前可查閱的文章中，大部分是針對點目標的測量，面目標由于情況復雜，具有各異性，對其研究相對滯后，通常還是利用圖像的閾值法對目標進行選取。

針對當前靶場測量領(lǐng)域?qū)t外輻射測量所提出的新的測量要求，采用寬動態(tài)范圍下的定標模型，利用大面源均勻黑體定標法對全口徑紅外輻射測量系統(tǒng)進行定標。在測量面目標時，通過一系列的推導得到面目標的輻射亮度結(jié)果，進而提出了一種面目標測量方法，并在口徑為600 mm的紅外輻射測量系統(tǒng)上進行了驗證。

2 紅外輻射定標測量原理

2.1 輻射特性測量系統(tǒng)的定標原理

系統(tǒng)定標是測試紅外輻射測量系統(tǒng)性能的重要指標，決定著紅外輻射測量系統(tǒng)在測量過程的可靠性及有效性。靶場紅外輻射定標的基本原理是利用已知黑體作為輻射源，得到不同輻射照明時系統(tǒng)的輸出信號，從而建立系統(tǒng)入瞳輻射量與系統(tǒng)輸出量之間的關(guān)系，一般來說紅外輻射測量系統(tǒng)的定標要求不確定度在10%以內(nèi)。

目前地基靶場的紅外輻射測量系統(tǒng)的標定方法包括均勻大面源黑體定標法和成像定標法。其中成像標定法又以平行光管法最為常見。

2.1.1 平行光管定標法

圖1 平行光管定標法原理示意圖 Fig.1 Schematic of the collimator calibration

作為成像定標法的典型代表，平行光管定標法是利用紅外平行光管對出射面積小的紅外輻射源進行擴束，輻射源一般采用中、高溫的腔型黑體，出射光經(jīng)平行光管擴束后，將均勻光束投射到紅外輻射測量系統(tǒng)入瞳上進行定標[6-7]。原理如圖1所示。高溫腔型黑體與大口徑平行光管組合，可實現(xiàn)對紅外輻射測量系統(tǒng)高溫段的定標，一定程度上彌補了均勻大面源黑體不能做到高溫定標的缺陷。但是平行光管法存在著大口徑平行光管制造成本高，周期長、機動性差等缺點，故只能作為室內(nèi)定標方法[8]。

2.1.2 均勻大面源黑體定標法

均勻大面源黑體法的基本原理是在輻射特性測量系統(tǒng)的入瞳處放置均勻的大面源黑體。面源黑體的有效面積要完全覆蓋輻射特性測量系統(tǒng)的入瞳。黑體可視為標準朗伯體，對輻射特性測量系統(tǒng)進行臨界照明[9]。原理如圖2所示。均勻大面源黑體定標法可以有效消除外界環(huán)境的影響且定標精度高，其可以實現(xiàn)對所有像元的定標，且沒有透過率的影響，定標過程更為直觀。

圖2 均勻大面源黑體法定標原理圖 Fig.2 Calibration schematic of uniform large surface source blackbody

當主光線與光軸夾角為δ時，單個像元的立體角Ω可以表示為：

(1)

其中，S為單個像素面積，f為光學系統(tǒng)的焦距。

面源黑體入射到該像元的輻射通量φ：

Φ=L(Tb)·dS·cosδ·dΩ=

(2)

式中，Tb為黑體溫度；τopt為光學系統(tǒng)的透過率；D/f為光學系統(tǒng)的相對孔徑；L(Tb)為黑體輸入的輻射亮度,具體表述為：

(3)

式中，ε為黑體的發(fā)射率，λ1～λ2是探測器響應(yīng)波段范圍，W(λ,Tt)為光譜出射度。

本文為了提高定標精度和定標效率，將采用均勻大面源黑體法定標。

2.1.3 考慮積分時間定標方程

在靶場測量設(shè)備上,制冷型紅外焦平面陣列通常作為成像探測器，其灰度響應(yīng)與輻射亮度滿足[10]：

(4)

(5)

在線性響應(yīng)范圍內(nèi)，探測器的積分時間與系統(tǒng)的輸出灰度成正比：

(6)

對紅外輻射測量系統(tǒng)來說，一般需設(shè)置多個積分時間檔位，則積分時間的定標方程[12]：

(7)

2.2 輻射特性測量系統(tǒng)的測量原理

地基紅外經(jīng)緯儀焦平面陣列上接收能量的主要來源包括[13]：光學系統(tǒng)與目標之間大氣自身輻射的輻射量Lpath；目標輻射能經(jīng)大氣衰減的輻射量εo·τatm·L(To)；目標對周圍環(huán)境的反射經(jīng)大氣衰減的輻射能(1-εo)·τatm·L(Te)。其中εo為目標發(fā)射率，τatm為大氣透過率，To為目標表面溫度，Te為環(huán)境溫度。如圖3所示。

探測器上各個像元灰度值可以表示為[14]：

Gi, j=εo·τatm·Ri, j·Li, j(To)+

(1-εo)·τatm·Ri, j·L(Te)+

(8)

根據(jù)式(3)，反演目標輻射亮度：

圖3 地基紅外系統(tǒng)輻射特性測量示意圖 Fig.3 Schematic of radiation characteristics measurement for base-ground infrared system

(9)

2.3 面目標輻射特性測量

面源目標輻射特性測量原理圖如圖4所示。假設(shè)目標的理想成像尺寸為Ai，則目標成像物象關(guān)系：

(10)

式中，M為系統(tǒng)放大率，At為目標在像方的投影面積，可由姿態(tài)信息和目標尺寸解算得到，f為輻射測量系統(tǒng)的焦距，R1為物距。

圖4 面源目標輻射特性測量原理圖 Fig.4 Schematic of radiation characteristic measurement for surface target

選取包含整個目標彌散斑和少部分背景的區(qū)域A1，稱為“目標區(qū)域”，區(qū)域內(nèi)共有N1個像元，其中包含所有含有目標成像能量的像元和一部分背景成像像元，即目標成像的所有能量在A1內(nèi)。A2區(qū)域含有N2個像元，范圍包含A1。A1和A2之間的區(qū)域只包含背景，稱為“背景區(qū)域”，像元數(shù)為N2-N1，Ad為單個像元尺寸，則背景區(qū)域的面積為(N2-N1)·Ad，那么背景灰度值均值為:

(11)

其中，Gi,i=1,2,…,N2-N1為背景區(qū)域像元灰度值。

而A1區(qū)域內(nèi)所有像元的灰度值之和為:

(12)

其中，背景輻射的貢獻為:

(13)

目標輻射的貢獻為:

(14)

而A1區(qū)域內(nèi)所有像元灰度值之和:

Gsum=Gsum,background+Gsum,target,

(15)

得到:

τatm·Ri, j·Li, j(T) ,

(16)

因此，目標的輻射亮度為:

(17)

3 外場輻射測量實驗

3.1 外場定標測量實驗

為了驗證本文提出的對面目標的測量方法，是否滿足精度要求及其實際應(yīng)用的可行性，在外場開展定標和目標輻射特性測量的驗證性實驗。靶場經(jīng)緯儀紅外望遠鏡系統(tǒng)參數(shù)如下：工作波段為3.7～4.8 μm，靶面像元數(shù)目為640×512，像元大小為15 μm，輸出位數(shù)為14位；主光學系統(tǒng)的口徑為600 mm,焦距為1 200 mm；外場定標采用北京南奇星公司生產(chǎn)的大面源均勻黑體。均勻大面源黑體放置在紅外系統(tǒng)前，黑體面充滿紅外輻射測量系統(tǒng)的入瞳，對紅外輻射測量系統(tǒng)進行輻射定標。積分時間分別選取2 000 μs和3 000 μs，定標的溫度為20～100 ℃，以5℃為溫度間隔，以20、40、60和80 ℃為定標曲線擬合點，其余溫度點作為定標精度檢測點，以驗證紅外輻射定標精度。定標結(jié)果在圖5給出。

圖5 不同積分時間定標擬合曲線 Fig.5 Calibrating fitting curves at different integration times

表1 定標檢測誤差Tab.1 Error of calibration detection

3.2 外場測量與結(jié)果

外場輻射測量實驗采用以色列CI公司生產(chǎn)的SR800-12HT高精度的面源黑體對紅外系統(tǒng)進行輻射測量。已知黑體的溫度變化范圍為0～600 ℃，將其放置在距紅外輻射測量系統(tǒng)大約830 m的位置。經(jīng)成像計算得知，目標在探測器的成像的像元數(shù)為30×30，符合面目標處理的要求。實驗期間，環(huán)境條件：晴朗，微風；觀測仰角為0°；環(huán)境溫度為7.4 ℃；氣壓為899 hPa；能見度為30 km；濕度為20%。利用MODT5RAN軟件計算得到的中波大氣透過率為0.735 4；大氣程輻射為0.211 5 W·m-2·sr-1。

圖8 在830 m處獲得中波紅外圖像 Fig.8 Mid-wave infrared image of obtained at 830 m

為了驗證本文所提方法對面源目標測量的有效性和可行性，在外場利用口徑為600 mm的紅外輻射測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)算法進行后續(xù)處理，反演得到整個目標亮度的平均值。將得到的亮度與光譜修訂的標準輻射亮度值進行比較，從而求得反演的輻射亮度誤差。實驗期間，紅外輻射測量系統(tǒng)的中波相機的積分時間設(shè)定為2000 μs和3 000 μs，溫度采集范圍為50～110 ℃，采樣溫度步長為10 ℃。

表2 面目標的測量結(jié)果Tab.2 Measurement results of surface target

4 結(jié) 論

本文通過分析現(xiàn)代靶場的發(fā)展趨勢，結(jié)合當今靶場對輻射測量設(shè)備測量要求，提出一種針對面目標的輻射特性測量方法。結(jié)合考慮積分時間的定標模型，推導出面目標輻射亮度計算方法。利用口徑為600 mm的紅外輻射特性測量系統(tǒng)在外場對系統(tǒng)的定標精度和面目標的測量誤差進行驗證。實驗結(jié)果表明，輻射測量系統(tǒng)的定標誤差為1.7%，遠遠小于10%的定標誤差要求，說明系統(tǒng)具良好的測量精度。將目標置于距紅外輻射測量系統(tǒng)830 m處，在外場進行測量實驗，通過定標得到增益和偏置反演，帶入本文推導的亮度計算公式，計算出面目標的輻射亮度。與光譜修正后的輻亮度相比，系統(tǒng)的輻射測量誤差為7.36%,遠遠小于30%的測量誤差要求，證實本文推導的面目標的輻射亮度計算方法有效。該方法簡單，可靠，為今后靶場輻射測量開辟了新途徑。