紅外探測系統中探測波段的選擇對比分析

安文強，王春艷，孫昊，龐廣寧

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

在以熱紅外輻射探測為基礎的紅外成像系統中，紅外熱像儀接收來自目標和景物的紅外輻射形成紅外圖像，經過光電轉換，將不可見的輻射轉變成可見的圖像。目前紅外探測系統中用得較多的是中波或長波紅外熱成像探測，但系統在實際工作中，受到以下幾個方面的因素制約。第一，目標與背景至少有一個特征有所區別，這是紅外探測所需的最基本信息；其次，紅外探測器的前向光學通道（如大氣分子的吸收和輻射、大氣的散射、光學系統的吸收和反射等）［1］的衰減都將減弱輻射對比度；第三，紅外探測器將探測到的輻射對比度轉換為電信號輸出時需要最低輻射對比度的分辨能力；第四，還要依賴計算機軟件對探測結果的信息處理能力。除了上述因素之外，由于目標的紅外輻射率在不同波長上有不同的分布，所以需對適用不同波段的探測器作出合適的選擇。

1 背景中的目標輻射

根據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［2］，理想黑體是一個非常有效的輻射源。其某一波段輻射通量密度的計算如式（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，c1=3.7415×108Wμm4/m2；c2為第二輻射常數，c2=1.43879×104μm·k ；通過普朗克公式可繪出溫度為T=300K～900K；波長為λ=1μm～15μm，黑體輻射與輻射波長之間關系的曲線如圖1所示。

圖1 黑體輻射的光譜輻射通量密度

由圖1可見：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向短波方向移動。另外，不同溫度的光譜分布曲線彼此不相交，說明任何波長的光譜通量密度都隨溫度的升高而增加。

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

光譜微分輻射亮度是溫度、波長的函數，在峰值波長λc處取得最大值。對單位溫差變化，波長為λc處輻射的亮度差最大值，對探測最為有利。光譜微分輻射亮度的峰值波長與溫度之積也是常數，如式（4）所示。

對照維恩位移定律［3］，光譜微分輻射亮度達到最大的峰值波長λc不再是光譜輻射出射度達到最大的λm，λc小于λm，這是選擇目標源與探測器需要考慮的因素。

1.1 目標的總輻射特性

在探測目標時，主要對3μm～5μm，8μm～12μm波段發射的總輻射數據及對溫度的變化感興趣。通過公式（1）、（3）可對感興趣波段積分求出總的帶內輻射及對溫度變化情況，如式（5）、（6）（7）、（8），曲線如圖2所示。

圖2 不同波段下輻射曲線圖

從上述對應的公式和曲線可知，對溫度為背景溫度或更熱的任何目標，主要輻射處在長波紅外波段，特別是在環境溫度下，長波紅外輻射比中波紅外強30倍。因此，對約300K的環境溫度，若探測器中心波長為8μm，則可獲得最大輻射對比度。在此波段工作時，即使目標與背景有較小溫差，它們的光譜輻射度也具有較大的差值。

1.2 前向光學通道的傳輸性能

1.2.1 大氣傳輸的衰減

紅外探測系統實際探測跟蹤目標時所接收到的輻射一部分是目標輻射的能量，另一部分來自路徑輻射。然而目標的輻射能量在到達紅外傳感器前，會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散射，吸收、散射雖然機理不同，其作用結果均使輻射功率在傳輸過程中發生了衰減。大氣路徑本身的紅外輻射與目標輻射在傳輸過程中不斷地被大氣所吸收并且再次輻射出來，雖然路徑輻射使紅外系統接收到的能量增加，卻降低了目標與背景的對比度，在熱紅外波段的影響尤為明顯?？衫肔OWTRAN7軟件，輸入中緯度地區相應的大氣參數，得到的大氣輻射的透過率、大氣輻射亮度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 水平觀察的中/長波大氣透過率

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

圖4 水平觀察中/長波大氣輻射亮度

1.2.2 光學系統的空間分辨率

光學系統的成像質量，一般用光學傳遞函數表示。它是點擴散函數的傅里葉變換，其模量部分稱作調制傳遞函數MTF，位相部分稱作位相傳遞函數PTF。光學傳遞函數是空間頻率的函數?？臻g頻率又是光學系統的相對孔徑、使用的波長和光學系統像差的函數，而實際應用是采用無像差系統中空間截至頻率來衡量光學系統的成像質量［5］，即光學系統的分辨率，計算如式（9）所示。

式中，D為口徑，f為焦距，F為紅外光系統的F數，λ為波長。

從式（9）可知，當探測系統的相對孔徑一定時，探測器的波長越短，其截至頻率越大，體現在圖像上目標的輪廓越清晰。因此，3μm～5μm譜段的紅外光學系統比8μm～12μm譜段的紅外光學系統有更好的分辨率。

2 探測器的性能分析

探測器本身的性能是選擇探測波段時首要考慮的因素，即使目標在某個波段有著很高的輻射強度和大氣透過率，若在該波段沒有與目標特征譜段相匹配的探測器來探測目標［4］，輻射強度和大氣透過率也就沒有任何意義。因此，紅外探測器在不同波段探測目標時，不同波段探測器的量子效率、積分時間和Nyquist頻率都是影響探測器探測能力的因素［6］。不同波段的探測器對應該波段的探測其量子效率是最高的，也有利于該紅外系統對目標的捕獲跟蹤能力。當積分時間越長，接收系統接收的能量就越多，對探測目標就越有利。但實際工作中，中波不超過5ms，長波不超過1ms，主要原因是積分時間過長，對中波紅外系統來說，尤其對動態目標，導致像移；對長波紅外系統來說，由于大氣傳輸的輻射，很容易飽和，更不利于目標探測跟蹤。為保證探測器在探測目標時不發生混頻，探測器的Nyquist頻率un通常也作為評價光學系統的成像質量的指標，一般取為光學系統截止空間頻率uc的一半，計算如式（10）所示。

3 試驗驗證

通過實際工作中波和長波紅外系統采集的圖像（如圖5、圖6）進一步驗證上述理論分析、計算的正確性。

圖5 長波跟蹤飛機

圖6 中波跟蹤飛機

從圖5和圖6可計算出，不同波段對跟蹤目標的灰度值如表1所示。

表1 不同波段跟蹤飛機的灰度值

由表1的數據可知，長波的對比度比中波的對比度要高很多，所以長波更有利于對上述目標的探測跟蹤，但根據圖5、6的目標顯示，中波紅外系統探測的目標比長波紅外系統的目標要清晰，主要是以下原因形成的。

（1）對于同一個目標，在不同的波段，其輻射率是不一樣的。目標高溫時，降低了長波波段的輻射率。

（2）背景輻射對長波產生的噪聲比中波要大得多。

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

（4）探測器的波長越短，其截至頻率越大，體現在圖像上目標的輪廓越清晰。

（5）計算軟件在處理信息的過程中處理能力的差別。

4 結論

紅外探測波段的選擇需要綜合考慮探測器、目標輻射、背景輻射、大氣衰減、材料等多種因素。某些情況下，各個因素對波段選擇的影響并不一致。這就更要求對各個因素進行綜合分析，以做出最合適的選擇。探測某些目標時選用兩個波段各有利弊，可能都是合理的。對目標的某些方位，中波探測比長波探測更優一些，而在另一些方位，長波探測比中波探測更優一些。這時就要在考慮其它方面的因素，以做出合理決策。對一些常見的被測目標，可以參照以下方式選擇合適的探測波段。

（1）對探測目標的溫度在500K以上，具有一定中波輻射，且這種環境下中波輻射的大氣透過率比長波的高很多，中波探測器的靈敏度也較高，因此，應優先使用中波探測系統。

（2）對用于空對地、空對空和地對空遠距離觀察的紅外系統，如果探測溫度在300K以下的低溫目標，由于此時目標的長波輻射比較明顯，且傳輸路徑中水汽較少，透過率較高，應優先采用長波探測系統。如果探測高溫目標，如飛機熱噴管、排氣管、尾焰等，此時目標的中波輻射明顯，應優先采用中波探測系統。

（3）對于地對地遠距離觀察紅外系統，背景輻射大多比較復雜，大氣傳輸路徑較長。如果環境濕度較高，一般應考慮采用中波探測。如果環境濕度較低，可以考慮采用長波探測，但需要綜合分析目標輻射、背景輻射等因素。

參考文獻

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