光电成像原理与技术Chapter3-辐射源与典型景物辐射

1、7/25/2021 第三章 辐射源与典型景物辐射 n黑体辐射定律 n辐射源及其特性 7/25/2021 黑体辐射定律 n基尔霍夫定律：基尔霍夫定律： 热辐射热辐射：物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。只要温度高于绝对零度：物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。只要温度高于绝对零度 的物体都将产生辐射。的物体都将产生辐射。 当辐射能入射到物体表面时，被吸收的能量与入射总能量之比，成为物体当辐射能入射到物体表面时，被吸收的能量与入射总能量之比，成为物体 的的吸收本领吸收本领 ；被反射的能量与入射总能量之比，成为物体的 ；被反射的能量与入射总能量之比，成为物体的反射本领反射本领 。显然， 。显然，不透

2、明物体的吸收与反射本领之和为不透明物体的吸收与反射本领之和为1 1。 实验指出，物体的发射本领（即辐射出射度）和吸收本领之间有一定关系。实验指出，物体的发射本领（即辐射出射度）和吸收本领之间有一定关系。 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：物体的辐射出射度：物体的辐射出射度MM和吸收本领和吸收本领的比值与物体的性质无的比值与物体的性质无 关，都等于同一温度下绝对黑体关，都等于同一温度下绝对黑体(=1)=1)的辐射出射度的辐射出射度MM0 0。 基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为的任何单色辐射的任何单色辐射 也都正确。也都正确。它是一切物体热辐

3、射的普遍定律，表明吸收本领大的物体，其它是一切物体热辐射的普遍定律，表明吸收本领大的物体，其 发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的 辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射 或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。 )( 0 2 2 1 1 TfM MM A B ),( 0 2 2 1 1 TfM MM 7/25/2021 黑体辐射定律 n基尔霍夫定律： 辐射发射率（比辐射

4、率）辐射发射率（比辐射率） ：在相同温度下，辐 ：在相同温度下，辐 射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之 比。比。 n黑体，黑体， 1 1； n灰体，灰体， 11，与波长无关；，与波长无关； n选择体，选择体， 1 1，且随着波长和温度变化。，且随着波长和温度变化。 00 M M e e )()( 0 TMTM 7/25/2021 黑体辐射定律 n黑体辐射定律：黑体辐射定律： 普朗克定律普朗克定律：描述黑体辐射出：描述黑体辐射出 射度随波长和温度的函数关系。射度随波长和温度的函数关系。 式中式中c c1 1,c ,c2 2是第一第二辐射常数。

5、是第一第二辐射常数。 斯蒂芬玻尔兹曼定律（全波斯蒂芬玻尔兹曼定律（全波 长辐射定律）长辐射定律）: :由普朗克公式由普朗克公式 在全波段积分得到。在全波段积分得到。 维恩位移定律（峰值波长与温维恩位移定律（峰值波长与温 度的定律）度的定律）：对普朗克公式求：对普朗克公式求 极值得到。极值得到。 最大辐射定律：最大辐射定律：把峰值波长带把峰值波长带 入普朗克公式而得。入普朗克公式而得。 1 0 5 2 ( , ) exp(/) 1 c MT cT 4 0 00 ),()(TdTMTM )( 2898 , 0 ),( 0 KmT TM m 则 5 00 ),()(BTTMTM mm 7/25/20

6、21 辐射源及其特性 n人工目标辐射源人工目标辐射源 腔型黑体辐射源腔型黑体辐射源 面型黑体辐射源面型黑体辐射源 n自然环境辐射及其在目标上的反射自然环境辐射及其在目标上的反射 典型军事目标辐射典型军事目标辐射 自然辐射源自然辐射源 n红外场景仿真器红外场景仿真器 用于在室内模拟实际环境和状态的红外场景。用于在室内模拟实际环境和状态的红外场景。 7/25/2021 腔型黑体辐射源 (a) (b) (c)(d) LL L L 2R 2R2R 2R 7/25/2021 面型黑体辐射源 靶标 靶标支撑架 黑体源 靶标温度传感器 7/25/2021 辐射源及其特性 n典型军事目标辐射 n地面目标:目标

7、温度低,辐射能量小,且辐射多集中在814微米 n海上目标：目标排气筒部分温度较高，其余部分温度低，目标与背景 辐射特性差异大。 n空中目标：目标速度快、体积小，温度高能发射很强的红外辐射。 飞机的辐射：尾喷管、排出气流、蒙皮的热辐射 海上目标的辐射：舰船的烟囱是较强的辐射源，峰值波长在8 微米左右，尽管舰体温度与海水温度相近，但二者的辐射发 射率差异大，且海水的辐射发射率不断变化，易造成目标与 背景的大对比度。 地面车辆辐射：车辆的排气管最热，其次是发动机外壳，运 动中车辆的传动装置、轮胎等。 炮口闪光： 人体的辐射：在2微米以上的波段辐射与黑体基本一致，峰值 波长在814微米波段。 7/25

8、/2021 军事目标辐射源 涡轮喷气发动机示意图涡轮喷气发动机示意图 7/25/2021 军事目标辐射源飞机喷口的辐射 强度角分布 7/25/2021 军事目标辐射源三叉戟和米格 15M飞机喷口的辐射光谱分布 7/25/2021 军事目标辐射源波音707排出气体 流的等温线，及辐射随距离的衰减 7/25/2021 军事目标辐射源炮口闪光的光谱分布 7/25/2021 自然辐射源 n太阳：射至地球的太阳辐射功率、光谱分布与太阳高度、大气状 态关系很大。 n地球：主要由反射和散射的太阳光以及自身热辐射组成，有两个 光谱峰值：0.5微米（来自太阳）10微米处的自身辐射。 n月球：主要包括反射的太阳辐

9、射和自身的辐射，近似于400K黑体， 峰值在7.24微米 n星球：其辐射量对地球很小，用星等来描述星的亮度。 n大气辉光：产生于70km以上的大气层中，是夜天辐射的主要组 成部分，由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子 并与分子发生低几率碰撞，是其产生的原因。 n夜天空辐射：由上述各种自然辐射共同构成，除可见光外包含大 量丰富的近红外辐射，正是微光夜视系统所利用的波段。 7/25/2021 在平均地-日距离上太阳的的光谱分布 7/25/2021 典型地物的光谱辐亮度 7/25/2021 月球辐射特性 7/25/2021 星等的概念 n星的亮度用星等衡量，以在地球大气层外 所接收的星光

10、辐射产生的照度来衡得。 n规定星等相差五等照度比为100倍，即相邻 两等星得照度比为2.512倍。 n规定零等星的照度为2.65X10-4lx，比零等星 亮的星等为负。 7/25/2021 大气辉光和夜天光 7/25/2021 光电系统的半实物模拟仿真 其他相关模其他相关模 型及计算软型及计算软 件件 噪声模型及噪声模型及 仿真软件仿真软件 仿真结果显仿真结果显 示示 输出模拟噪声输出模拟噪声 输出图像输出图像 输出图像输出图像输 出 分 析 结输 出 分 析 结 果果 输出相关数据 图像信息处图像信息处 理与分析理与分析 n物理（半实物）仿真工作框图 7/25/2021 光电系统的半实物模拟

11、仿真 n 半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、 图形发生计算机、红外目标仿真器、红外场景投影 光学系统、伺服运动控制系统和载机模拟运动飞行 转台组成。 n 其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景 信息：一是采用光学投影模式；二是信号直接注入。 信号注入模式是通过界面不经过光学投影系统将场 景信息直接送入光电传感器的电子组件,实现系统的 仿真测试。 7/25/2021 光电系统的半实物模拟仿真 n 红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算 机的指令，根据各种模型或数据库,实时产生实战红 外场景图像，并传给红外目标再现发生器,经转换成 为能被探测器接收的辐射图像。详细地仿真来自天 空、太阳光、

12、目标、地物和大气的辐射分量。解决 这一问题需要若干技术的集成，包括实时IR现像学 建模、IR建模及数据库研制、实时场景再现和测试 中的系统仿真。 n 7/25/2021 光电系统的半实物模拟仿真 n 目标再现发生器：接受C1G的图像信号，将 CIG生成的图像转换为具有红外辐射特征能被探测器 接收的红外图像,被光学投影系统接收，并将其准直 成平行光投影到传感器系统。它的技术要求主要是 空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。 n 二维目标运动伺服系统：接受系统仿真计算 机仿真指令，准确地复现火控系统所攻击目标的机 动范围。 n 三轴飞行模拟器：实时模拟系统的载机运动， 完全再现载机空间各种运动姿态。

13、 7/25/2021 光电系统的半实物模拟仿真 n国外几种典型红外仿真系统有：1.热电阻面阵实时成像仿真系 统W1SP；2.激光二极管面阵实时成像仿真系统；3.滑动变焦式 光电仿真系统；4.多目标点源仿真系统；5.IR-CRT仿真系统； 6.IR液晶光阀仿真系统。其中，后两种是美国早期研制的红外 仿真投影系统，这类系统存在的严重缺点是图像闪烁及帧速低, 不能满足武器系统的仿真需求。现在己成功使用的面阵式目标 源,其分辨率达到512512，帧速达到100Hz以上,对模拟场景 的空间、时间和光谱分辨率有严格要求,可满足红外制导、前 视红外瞄准、红外搜索跟踪和红外告警等系统仿真的需求。 n国内的典型

14、红外仿真系统主要有：1. 014中心点源跟踪 模拟仿真系统；2. 航天二院的长波红外跟踪模拟仿真 系统等。 7/25/2021 光电系统的半实物模拟仿真 图图2 2 美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统 7/25/2021 图图1 1 红外目标及干扰产生系统红外目标及干扰产生系统 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 图 3-33 二氧化钒薄膜的传输特性 图 3-34 二氧化钒薄膜变换器 半实物模拟仿真的关键技术 7/

15、25/2021 图 3-35 黑体薄膜的变换器结构 图 3-36 带黑体薄膜变换器的仿真系统 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 图3-37 液晶光阀结构 图 3-38 液晶光阀的红外仿真系统 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量 Emitter array resolution512 512 pixels, 1k 1k pixels Pixel size39 microns square Effective

16、 temperature range17C to 450C(3-5m), 15C to 314C (8-12m) Thermal resolution0.004C at 25C, 0.024C at 300C Maximum frame rate200 Hz Flicker 0.1% Max pixels change per frame Full frame (262,144 pixels) Thermal time constant 5 milliseconds Post-correction nonuniformity 0.1% Dead pixels0.1% DEE size 8.5

17、diameter x 11 long DEE weight 16 pounds Input scene data Silicon Graphics DVP2 (DDO2) digital video RS170, NTSC, PAL analog video 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 MIRAGE的外形照片的外形照片 半实物模拟仿真的关键技术 7/25/2021 半实物模拟仿真的几个问题 7/25/2021 半实物模拟仿真的几个问题 7/25/2021 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 国外典型的红外

18、图像仿真模型和软件 7/25/2021 VegaVega的可见光与红外模拟图像的可见光与红外模拟图像 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 图像生成及显示形式：生成图像序列图像生成及显示形式：生成图像序列, ,回放模式显示。回放模式显示。 若牺牲一定的精度，也可用于实时动态显示。若牺牲一定的精度，也可用于实时动态显示。 图像生成波段：生成图像生成波段：生成0. 3-20m 0. 3-20m 内的多光谱图像。内的多光谱图

19、像。 特点：特点： a. a. 以物理学第一准则为基础，包括了大多数的物理现以物理学第一准则为基础，包括了大多数的物理现 象，属于精确图像生成模型；象，属于精确图像生成模型； b. b. 能模拟整个成像链；能模拟整个成像链； c. c. 图像生成所需的时间较长。图像生成所需的时间较长。 。 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 。 时间及版本：时间及版本：Grumman Aerospace and Analytics(Grumman Aerospace and Analytics(美美 国国)1980)1980目前版本：目前版本：Irma5.0 (2000 Irma5.0 (2

20、000 年发布年发布) ) 。 景物几何描述方法：目标和背景都采用三角形面元模景物几何描述方法：目标和背景都采用三角形面元模 型。其文件格式与型。其文件格式与AU TOCAD AU TOCAD 格式一致，也可将其它格式文件格式一致，也可将其它格式文件 如如BRLCAD BRLCAD ，OBJ OBJ ，3D Studio 3D Studio 转化。转化。 热辐射模型：以物理学第一定律和现象学为基础的半热辐射模型：以物理学第一定律和现象学为基础的半 经验热辐射模型。其中包括计算面元温度的经验热辐射模型。其中包括计算面元温度的ENVIROENVIRO和计算辐和计算辐 射的射的PASSIVE/ PPASSIVEPASSIVE/ PPASSIVE。 大气模型：大气效应包括大气透过和路径辐射等，相大气模型：大气效应包括大气透过和路径辐射等，相 关数据通过关数据通过MODTRAN MODTRAN 软件的计算获得。软件的计算获得。 国外典型的红外图像仿真模型和软件 7/25/2021 图像生成及显示形式：可产生动态图像序列。图像生成及显示形式：可产生动态图像序列。 图像生成波段：可支持紫外；近红外、中红外；被动图像生成波