光電成像原理與技術Chapter3-輻射源與典型景物輻射

第三章輻射源與典型景物輻射黑體輻射定律輻射源及其特性2/5/2023黑體輻射定律基爾霍夫定律：熱輻射：物體因溫度而輻射能量的現(xiàn)象叫熱輻射。只要溫度高于絕對零度的物體都將產(chǎn)生輻射。當輻射能入射到物體表面時，被吸收的能量與入射總能量之比，成為物體的吸收本領αλ；被反射的能量與入射總能量之比，成為物體的反射本領ρλ。顯然，不透明物體的吸收與反射本領之和為1。實驗指出，物體的發(fā)射本領（即輻射出射度）和吸收本領之間有一定關系?；鶢柣舴蚨桑何矬w的輻射出射度M和吸收本領α的比值與物體的性質無關，都等于同一溫度下絕對黑體(α=1)的輻射出射度M0?；鶢柣舴蚨刹坏珜λ胁ㄩL的全輻射，而且對波長為λ的任何單色輻射也都正確。它是一切物體熱輻射的普遍定律，表明吸收本領大的物體，其發(fā)射本領也大，如物體不能發(fā)射某波長的輻射能，則也不能吸收該波長的輻射能，反之亦然。顯然，黑體對于任何波長在單位時間單位面積上發(fā)射或吸收的輻射能都比同一溫度下的其它物體高。AB2/5/2023黑體輻射定律基爾霍夫定律：輻射發(fā)射率（比輻射率）ελ

：在相同溫度下，輻射體的光譜輻射出射度與黑體的光譜輻射出射度之比。黑體，ελ＝1；灰體，ελ

＝ε<1，與波長無關；選擇體，ελ

<1，且隨著波長和溫度變化。2/5/2023黑體輻射定律黑體輻射定律：普朗克定律：描述黑體輻射出射度隨波長和溫度的函數(shù)關系。式中c1,c2是第一第二輻射常數(shù)。斯蒂芬－玻爾茲曼定律（全波長輻射定律）:由普朗克公式在全波段積分得到。維恩位移定律（峰值波長與溫度的定律）：對普朗克公式求極值得到。最大輻射定律：把峰值波長帶入普朗克公式而得。2/5/2023輻射源及其特性人工目標輻射源腔型黑體輻射源面型黑體輻射源自然環(huán)境輻射及其在目標上的反射典型軍事目標輻射自然輻射源紅外場景仿真器用于在室內模擬實際環(huán)境和狀態(tài)的紅外場景。2/5/2023腔型黑體輻射源(a)(b)(c)(d)LLLL2R2R2R2R2/5/2023面型黑體輻射源靶標靶標支撐架黑體源靶標溫度傳感器2/5/2023輻射源及其特性典型軍事目標輻射地面目標:目標溫度低,輻射能量小,且輻射多集中在8~14微米海上目標：目標排氣筒部分溫度較高，其余部分溫度低，目標與背景輻射特性差異大?？罩心繕耍耗繕怂俣瓤?、體積小，溫度高能發(fā)射很強的紅外輻射。飛機的輻射：尾噴管、排出氣流、蒙皮的熱輻射海上目標的輻射：艦船的煙囪是較強的輻射源，峰值波長在8微米左右，盡管艦體溫度與海水溫度相近，但二者的輻射發(fā)射率差異大，且海水的輻射發(fā)射率不斷變化，易造成目標與背景的大對比度。地面車輛輻射：車輛的排氣管最熱，其次是發(fā)動機外殼，運動中車輛的傳動裝置、輪胎等。炮口閃光：人體的輻射：在2微米以上的波段輻射與黑體基本一致，峰值波長在8~14微米波段。2/5/2023軍事目標輻射源渦輪噴氣發(fā)動機示意圖2/5/2023軍事目標輻射源－飛機噴口的輻射強度角分布2/5/2023軍事目標輻射源－三叉戟和米格15M飛機噴口的輻射光譜分布2/5/2023軍事目標輻射源－波音707排出氣體流的等溫線，及輻射隨距離的衰減2/5/2023軍事目標輻射源－炮口閃光的光譜分布2/5/2023自然輻射源太陽：射至地球的太陽輻射功率、光譜分布與太陽高度、大氣狀態(tài)關系很大。地球：主要由反射和散射的太陽光以及自身熱輻射組成，有兩個光譜峰值：0.5微米（來自太陽）10微米處的自身輻射。月球：主要包括反射的太陽輻射和自身的輻射，近似于400K黑體，峰值在7.24微米星球：其輻射量對地球很小，用星等來描述星的亮度。大氣輝光：產(chǎn)生于70km以上的大氣層中，是夜天輻射的主要組成部分，由不能到達地面的太陽紫外輻射在高層大氣中激發(fā)原子并與分子發(fā)生低幾率碰撞，是其產(chǎn)生的原因。夜天空輻射：由上述各種自然輻射共同構成，除可見光外包含大量豐富的近紅外輻射，正是微光夜視系統(tǒng)所利用的波段。2/5/2023在平均地-日距離上太陽的的光譜分布2/5/2023典型地物的光譜輻亮度2/5/2023月球輻射特性2/5/2023星等的概念星的亮度用星等衡量，以在地球大氣層外所接收的星光輻射產(chǎn)生的照度來衡得。規(guī)定星等相差五等照度比為100倍，即相鄰兩等星得照度比為2.512倍。規(guī)定零等星的照度為2.65X10-4lx，比零等星亮的星等為負。2/5/2023大氣輝光和夜天光2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真其他相關模型及計算軟件噪聲模型及仿真軟件仿真結果顯示輸出模擬噪聲輸出圖像輸出圖像輸出分析結果輸出相關數(shù)據(jù)物理模擬仿真系統(tǒng)圖像信息處理與分析實際成像系統(tǒng)目標及背景模擬仿真器物理（半實物）仿真工作框圖2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真半實物的紅外仿真系統(tǒng)主要由仿真計算機、圖形發(fā)生計算機、紅外目標仿真器、紅外場景投影光學系統(tǒng)、伺服運動控制系統(tǒng)和載機模擬運動飛行轉臺組成。其中光電仿真系統(tǒng)可通過兩種途徑傳遞場景信息：一是采用光學投影模式；二是信號直接注入。信號注入模式是通過界面不經(jīng)過光學投影系統(tǒng)將場景信息直接送入光電傳感器的電子組件,實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真測試。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真

紅外場景生成計算機(CIG)：接受仿真計算機的指令，根據(jù)各種模型或數(shù)據(jù)庫,實時產(chǎn)生實戰(zhàn)紅外場景圖像，并傳給紅外目標再現(xiàn)發(fā)生器,經(jīng)轉換成為能被探測器接收的輻射圖像。詳細地仿真來自天空、太陽光、目標、地物和大氣的輻射分量。解決這一問題需要若干技術的集成，包括實時IR現(xiàn)像學建模、IR建模及數(shù)據(jù)庫研制、實時場景再現(xiàn)和測試中的系統(tǒng)仿真。

2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真

目標再現(xiàn)發(fā)生器：接受C1G的圖像信號，將CIG生成的圖像轉換為具有紅外輻射特征能被探測器接收的紅外圖像,被光學投影系統(tǒng)接收，并將其準直成平行光投影到傳感器系統(tǒng)。它的技術要求主要是空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率。

二維目標運動伺服系統(tǒng)：接受系統(tǒng)仿真計算機仿真指令，準確地復現(xiàn)火控系統(tǒng)所攻擊目標的機動范圍。

三軸飛行模擬器：實時模擬系統(tǒng)的載機運動，完全再現(xiàn)載機空間各種運動姿態(tài)。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真國外幾種典型紅外仿真系統(tǒng)有：1.熱電阻面陣實時成像仿真系統(tǒng)W1SP；2.激光二極管面陣實時成像仿真系統(tǒng)；3.滑動變焦式光電仿真系統(tǒng)；4.多目標點源仿真系統(tǒng)；5.IR-CRT仿真系統(tǒng)；6.IR液晶光閥仿真系統(tǒng)。其中，后兩種是美國早期研制的紅外仿真投影系統(tǒng)，這類系統(tǒng)存在的嚴重缺點是圖像閃爍及幀速低,不能滿足武器系統(tǒng)的仿真需求。現(xiàn)在己成功使用的面陣式目標源,其分辨率達到512×512，幀速達到100Hz以上,對模擬場景的空間、時間和光譜分辨率有嚴格要求,可滿足紅外制導、前視紅外瞄準、紅外搜索跟蹤和紅外告警等系統(tǒng)仿真的需求。國內的典型紅外仿真系統(tǒng)主要有：1.014中心點源跟蹤模擬仿真系統(tǒng)；2.航天二院的長波紅外跟蹤模擬仿真系統(tǒng)等。2/5/2023光電系統(tǒng)的半實物模擬仿真圖2美國陸軍高級仿真中心的紅外仿真系統(tǒng)2/5/2023圖1紅外目標及干擾產(chǎn)生系統(tǒng)半實物模擬仿真的關鍵技術紅外目標發(fā)生器2/5/2023半實物模擬仿真的關鍵技術紅外目標發(fā)生器紅外成像目標源是紅外仿真系統(tǒng)中耗資最高的部分，因此也是紅外仿真系統(tǒng)中最關鍵技術。國外紅外成像目標源發(fā)展迅速，美國休斯公司研制了許多目標仿真器和專用測試設備。從很復雜的全彈飛行目標仿真器到很簡單的模擬點目標或線目標的平行光管都有產(chǎn)品問世。此外，繼紅外液晶光閥、熱目標發(fā)生器的研究之后,國外的研究機構投巨資研制了512×512熱電阻面陣目標發(fā)生器。這種目標發(fā)生器以幀速高、動態(tài)性能好等顯著優(yōu)勢被幾大實驗中心所采用。這種光電仿真系統(tǒng)使用了先進的計算機圖像生成(CIG)技術和實時動態(tài)高幀頻、高逼真、高分辨率512×512電阻面陣,輻射上升速度和下降速度達到2ms,動態(tài)范圍可到850∶1，幀頻100Hz,輻射波段3～5μm、8～12μm。此外，1024×1024像素、500Hz，波段在2～26μm寬范圍內的高分辨率高幀速紅外目標發(fā)生器也正在研制中。2/5/2023幾種典型的紅外目標仿真器實現(xiàn)紅外目標仿真的方法可分為熱輻射法和可見光—紅外圖像變換法兩大類：熱輻射法包括直接產(chǎn)生紅外輻射和通過溫度控制產(chǎn)生紅外輻射兩種；可見光～紅外圖像變換法是利用可見光～紅外圖像變換器將可見光進行波長變換，生成紅外圖像。

半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023（1）電阻元陣列電阻元陣列的基本原理很簡單，電阻元通電后電能轉變?yōu)闊崮?，溫度升高，導致紅外輻射。電阻元陣列(如圖)由許多微小電阻元集成在不良導熱體基片上組成，陣列可單片設計，也可把多個陣列合成大陣列，以提高空間分辨力。電阻元之間通過基片內部的集成電路網(wǎng)連接，集成電路可調節(jié)流過各電阻元的電流以控制其溫度，使電阻元根據(jù)需要產(chǎn)生一定強度的紅外輻射。這樣，整個陣列就構成了二維的紅外輻射源，實現(xiàn)了紅外場景圖像的仿真。電阻元陣列仿真的紅外場景溫度范圍可調，且容易控制，可生成逼真的動態(tài)紅外圖像。但其電路復雜，工藝要求高，技術難度大。類似產(chǎn)生紅外圖像熱輻射的方法還有：微熱燈絲陣列、發(fā)光二極管陣列、小型熱線圈陣列等。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023（2）二氧化釩(VO2)薄膜變換器二氧化釩是一種具有傳輸滯后特性(遲滯回線如左圖)的的材料，高于偏置溫度(約65℃)時，VO2薄膜顯金屬性；低于偏置溫度，VO2薄膜顯半導體特性且透光。如果用熱偏置方法使溫度保持在遲滯回線以內，則可把VO2作為光學存貯介質，控制存貯在材料中的熱能，當激光束掃描薄膜表面時，由于薄膜吸收能量，在其表面就能獲得并存儲一幀高分辨力、高清晰度并且不會消失和減弱的熱圖像。二氧化釩薄膜變換器(如右圖)是在一個鍺襯底上，鍍有多層二氧化釩落薄膜，景物圖像寫在1英寸的圖像調制區(qū)。若要抹去這幀圖像，只需在瞬間使整個薄膜溫度降到60℃以下即可。目前，國外通常采用液體制冷流實現(xiàn)冷卻功能。為了實現(xiàn)圖像的動態(tài)變化，必須不斷在薄膜上抹去一寫入圖像。為了防止抹去一再偏置周期產(chǎn)生圖像閃爍，可采用兩個獨立的顯示臂交替工作，并由片幀開關控制交替過程。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023（3）黑體薄膜變換器早期的黑體薄膜變換器(如左圖)包括一個真空腔，腔上帶一個透可見光的入射窗和一個透紅外的出射窗，轉換介質是一層薄膜，其上沉積非常薄的金黑層。工作時，將一幅可見光圖像通過入射窗聚焦到金黑膜層上，其輻射能被金黑膜層吸收，并通過出射窗轉換為反映金黑層的溫度和輻射發(fā)射率的紅外輻射能量。由于金黑層非常薄，熱惰性很小，所以溫度很快就能超過環(huán)境溫度。圖像上亮度比暗點溫度高，視頻圖像灰度等級分布轉換成黑體腔薄膜上的溫度分布，使黑體薄膜產(chǎn)生的紅外輻射與真實目標一致。由黑體薄膜變換器組成的仿真系統(tǒng)如右圖。視頻投影儀把可見光圖像投射到真空腔的黑體膜，經(jīng)黑體薄膜變換成紅外圖像。紅外準直系統(tǒng)的焦面與黑體薄膜面一致，紅外圖像對于被測紅外系統(tǒng)如同位于無窮遠處。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023（4）液晶光閥變換器液晶光閾是一種具有雙折射效應和扭曲旋光效應的可見光-紅外圖像變換器件，主要由光纖面板、硅光導體、液晶和紅外透射窗等部件組成。

液晶光閥變換器利用電控雙折射效應：雙折射引起的光輻射偏振態(tài)變化與波長有關，在一定的外電場作用下，各種波長的光輻射透射比不同。在白光入射時，透射光的顏色將隨外電場的變化而改變，把可見光圖像變換到紅外波段。采用液晶光閥變換器組成的檢測系統(tǒng)如圖，由計算機生成的可見光圖像經(jīng)光學纖維板落在Si光導體上，并將可見光圖像信號變換成電壓信號，經(jīng)液晶又變換成液晶體上的雙折射空間圖像。從紅外源發(fā)射的紅外輻射被偏振分光器反射到光閥上，液晶使紅外輻射得到調整，經(jīng)紅外反射鏡反射后經(jīng)液晶每一次旋轉扭曲獲得附加調制，其正交偏振分量可通過偏振分光器。以光閥面作為焦平面安裝一投影物鏡，則紅外圖像就如同來自無窮遠處。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023休斯公司于1985年首先研制成功液晶光閥可見光-紅外圖像變換器，可在3～5m和8～14m雙波段工作，視場角24×24，空間分辨力為256×256分立像元，幀速60Hz，溫度分辨力為0.1℃，溫度范圍大于環(huán)境溫度100℃。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023（5）先進的紅外動態(tài)場景模擬仿真器2003年美國SBIR公司研制出紅外熱場景動態(tài)模擬發(fā)生器，主要用于紅外成像制導仿真系統(tǒng)、多傳感器/任務設備信息融合的研究平臺，左圖給出了系統(tǒng)的各個關鍵部件，其中MIRAGE(Multi-spectralInfra-RedAnimationGenerationEquipment，右圖)目前甚至屬于對北約盟國也封鎖的關鍵技術。表3-10給出了紅外熱場景動態(tài)模擬發(fā)生器的主要技術參量。半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023紅外熱場景動態(tài)模擬發(fā)生器的主要技術參量Emitterarrayresolution512512pixels,1k1kpixelsPixelsize39micronssquareEffectivetemperaturerange17°Cto450°C(3-5m),15°Cto314°C(8-12m)Thermalresolution0.004°Cat25°C,0.024°Cat300°CMaximumframerate200HzFlicker<0.1%MaxpixelschangeperframeFullframe(262,144pixels)Thermaltimeconstant5millisecondsPost-correctionnonuniformity<0.1%Deadpixels<0.1%DEEsize8.5"diameterx11"longDEEweight16poundsInputscenedataSiliconGraphicsDVP2(DDO2)digitalvideo

RS170,NTSC,PALanalogvideo

半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023MIRAGE的外形照片半實物模擬仿真的關鍵技術2/5/2023半實物模擬仿真的幾個問題目前，場景的紅外圖像模擬的工作做的較多，大氣作用效果的模擬討論的相對較少，而探測器作用效果的模擬一般都簡化成仿真噪聲的疊加?，F(xiàn)在已有專門的熱成像模型軟件，如美國的TTIM熱像模型軟件，將大氣及戰(zhàn)場煙霧等模糊體作用效果的影響與探測器作用效果的影響結合起來，直接對目標/背景零視距離輻射圖進行處理,生成熱紅外圖像。目前需要解決的幾個問題：1）目標與背景的幾何模擬：計算量太大，使得計算機處理速度慢，實時性差。需要開發(fā)更好的模擬算法，如將分形算法用于背景模擬，分形技術以自相似性和分數(shù)維為特點，突破了以往只能生成規(guī)則圖形的局限性，可將自然界中絕大多數(shù)的非規(guī)則圖形真實地在計算機上重現(xiàn)，其迭代函數(shù)系統(tǒng)可將分形應用于計算機圖像生成；

2/5/2023半實物模擬仿真的幾個問題2）溫度模擬：建立準確的基本溫度預測模型；3）由于目標與背景是分開模擬的，故割裂了目標與背景之間的相互影響，當背景中有多個目標時，失真較大，應考慮克服這方面的影響；4）仿真系統(tǒng)不僅要能仿真靜止的圖像，而且應能仿真動態(tài)圖像。建立系統(tǒng)的動態(tài)模型，使得仿真圖像會隨著系統(tǒng)性能瞬時的變化(如突發(fā)的抖動或隨機噪聲)而改變;5）系統(tǒng)仿真模型與系統(tǒng)性能模型的有機結合：目前成像系統(tǒng)的仿真有兩個方面，一個是從圖像質量的角度出發(fā),另一個是從系統(tǒng)性能參數(shù)的角度出發(fā)。兩種仿真的共同目標是提高系統(tǒng)性能，可以考慮把這兩個模型有機地結合起來，形成一個既能從圖像質量角度評價系統(tǒng),也能從性能參數(shù)評價系統(tǒng)的完善的仿真模型。6）建立的仿真模型不僅能從理論上準確地描述物理現(xiàn)象，而且要建立判斷模型準確性的標準。把模型與實際情況進行比較,證明模型的合理性。2/5/2023國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件國外，尤其是美國在紅外動態(tài)圖像計算機仿真技術方面做了大量的工作，技術相當成熟并已用于實際系統(tǒng)的設計和評估中。如美國空軍研究室軍品管理局（AFRL/MN）負責開發(fā)的IRMA模型；由洛克希德技術研究所（RIT）開發(fā)的DISIG模型，由美國TTIM（TACOMThermalImagingModel）熱像模型軟件，將大氣及戰(zhàn)場煙霧等模糊體作用效果的影響與探測器作用效果的影響結合起來，直接對目標/背景輻射圖進行處理，生成紅外圖像；北約的Ac243合作研究推出的空中目標紅外輻射模型NIRATAM，主要用于飛機紅外輻射的預測和模擬。幾種國外的典型模型：

1、SensorVision：SensorVision是較為出色一個圖像仿真軟件。作為Vega的一個模塊，SensorVision可以實時產(chǎn)生從可見光到遠紅外線間各個波段的仿真圖像。SensorVision需要知道物體的材料屬性諸如熱傳輸特性、材料的反射系數(shù)、鏡面反射系數(shù)等等。2/5/2023國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件仿真流程圖2/5/2023國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件步驟：1)首先，在Lynx的接口定義文件.adf中,定義紅外探測器圖形界面接口相關對象,并設置紅外模擬所需的相關指定的輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫文件及路徑；2)然后利用MOSARTatmosphericTool(MAT)設定大氣傳輸模型,計算大氣透射率、大氣背景輻射、太陽或月亮的直接輻射等，由于計算量很大，通常是預先計算好，生成.mat文件。SensorVision讀取.mat文件，進行實時仿真；3)而后利用TextureMaterialMappingTool(TMM)設定物體的紋理和材料物理特性。TextureMaterialMappingTool(TMM)提供了包括泥土、植被、建筑材料、合成材料和顏料等5類共95種材料的光譜特性和34種材料的熱特性；4)最后通過SensorVision調用已經(jīng)計算的各種參數(shù)，利用輻射度計算公式，計算場景中的紅外輻射強度，并完成有輻射強度到灰度值的轉換，生成紅外圖像。2/5/2023Vega的可見光與紅外模擬圖像國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023

2、GeorgiaTechVisibleandInfraredSyntheticImageryTestbed(GTVISIT)

①時間及版本：GeorgiaTech研究所(GTRI)(美國)80年代。②景物幾何描述方法：目標和背景分別建模,對二者的描述分別為：三角形小面元構成的物體模型和網(wǎng)格化的地形背景。③熱輻射模型：本身沒有輻射預測模型。根據(jù)不同元素的要求，通過測量或利用其它模型計算后賦值，如GTSIG(以物理學第一定律為基礎的輻射模型)或IRMA(以第一定律和現(xiàn)象學為基礎)。④大氣模型：大氣效應包括大氣衰減和路徑輻射等，相關數(shù)據(jù)通過LOWTRAN軟件的計算獲得。國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023⑤圖像生成及顯示形式：可采用動態(tài)模式和“電影”回放模式生成和顯示圖像。⑥圖像生成波段：生成0.4～15μm內的多光譜圖像。⑦特點：a.主要生成小視場高分辨率的場景以支持戰(zhàn)術方面的應用；b.模型采用分層結構，可以利用各種特征模擬方法來產(chǎn)生場景所需數(shù)據(jù)，便于更新。國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/20233、DigitalImagingandRemoteSensinglaboratory’sImageGenerationmodel(DIRSIG)①時間及版本：Rochester技術研究所(RIT)(美國)最新版本：DIRSIG3.4(2001年發(fā)布)。②景物幾何描述方法：目標和背景均為AUTOCAD編寫的3D面元模型，對它們的描述采用樹形數(shù)據(jù)結構。③熱輻射模型：以物理學第一定律為基礎的輻射模型(包括自發(fā)輻射和表面反射輻射)，其中用THERM計算溫度，光線追跡法計算輻射。也可借用其它溫度預測模型的結果，如PRISM/MuSES/SIRIM。④大氣模型：采用AFGL大氣模擬代碼(FASCODE和MODTRAN)來預測所有的大氣元素，包括大氣透過率，路徑輻射和散射等。國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/2023⑤圖像生成及顯示形式：生成圖像序列,回放模式顯示。若犧牲一定的精度，也可用于實時動態(tài)顯示。⑥圖像生成波段：生成0.3-20μm內的多光譜圖像。⑦特點：a.以物理學第一準則為基礎，包括了大多數(shù)的物理現(xiàn)象，屬于精確圖像生成模型；b.能模擬整個成像鏈；c.圖像生成所需的時間較長。。國外典型的紅外圖像仿真模型和軟件2/5/20234、InfraredModelingandAnalysis(IRMA)。①時間及版本：GrummanAerospaceandAnalytics(美國)1980目前版本：Irma5.0(2000年發(fā)布)。②景物幾何描述方法：