【《光电系统作用距离研究现状文献综述》3000字】

光电系统作用距离研究现状文献综述光电成像系统按照其成像光谱波段划分，可分为可见光成像系统、红外成像系统和其他成像系统（包括亚毫米波、紫外、X射线、γ射线等）。红外成像和可见光成像互有优缺点。其中红外成像系统的优点是视距远、不易受到天气环境的影响、可很好地识别出伪装目标，缺点是其光学系统部分结构复杂，成本偏高；可见光成像系统的优点是体积小、成本低、所成的像符合人眼的视觉习惯，缺点是视距近。光电成像系统的作用距离评价方法主要有两种[17]。第一种方法为外场实验法，即也就是处于室外的空间环境进行作用距离的有效测量。这种方法虽然能够有效地采集到作用距离数据，不过需要以光电成像系统生产出来作为前置条件，具有较高的成本支出，经济性较低。不仅如此，采取直接测量的方式，其周围环境要想确保理想化状态，具有较大的难度，很容易受到周围环境的制约，需要花费较大的时间成本。另一种方法为理论模型法，即光电成像系统的作用距离是利用相关的数学模型计算实现的。基于不同特性的目标、所处环境的不同以及所使用的系统的不同，将模型参数进行调整，以此得到具有较高精度的作用距离预测。理论模型法可以使得光电成像系统在设计时，根据探测任务的需求进行调整，防止出现设计不达标的情况，同时也可以节省现场实验的成本。相比之下，理论模型法具有更多的优势，也是实际评价时常用的方法。现阶段在评价系统作用距离方面，理论模型法是一种更为常用的方式有助于光电成像系统的相关开发与设计[18]。1800年人类首次发现红外线，到19世纪40年代红外成像技术开始逐渐被使用。从20世纪50到90年代，红外探测器的发展先后历经了单元线阵、多元线阵和小规模面阵等过程。到20世纪末期，红外探测器在原有的技术基础上逐渐升级为集成化的焦平面阵列，性能提升明显。在此期间，红外成像系统的性能评价模型不断发展，基于性能评价模型的作用距离预测方法也在不断更新。对红外成像系统的基本技术参数的基础进行分析可以得到系统的性能评价模型[19]。他们的关系如图1.3所示。图1.3红外成像系统的基本技术参数及其性能评价模型对于单项性能评价模型，每个参数都有不同的意义，反映了系统的不同性能。其中，最小可分辨温差（MRTD）可以同时反映系统的客观性能和人的主观性能；MDTD（最小可探测温差）主要表征系统的空间分辨能力和热灵敏性；噪声等效温差（NETD）则广泛用于描述系统的温度灵敏度；调制传递函数（MTF）则用来分析红外系统的空间频率特性。国外对红外成像系统性能评估起源于美国军方作战系统。美国陆军夜视实验室的RatchesJA和LawtranWR等人在1975年提出了若干个评价红外成像系统性能的经典模型，包括MTF模型、NETD模型、MRTD模型和MDTD模型等，这些模型是后续综合性能评价模型研究的基础[20]。到90年代，随着第二代红外探测器的发展，先前提出的模型已不能适用此时的红外成像系统。1992年，AgostinoJD和ScottLB建立了FLIR92模型[21]。这一模型首次提出了二维MRTD模型，对MRTD方程进行了重新推导。1998年，荷兰的HumanFactors提出了TOD模型[22]，该模型可通过三角方向辨别阈值法来评价红外成像系统性能。1999年MaurerT，DriggersRG和VollmerhausenRH等人提出了压缩MTF模型[23]，并在FLIR92模型的基础上结合人眼模型发展和建立了NVTherm模型[24]。NVTherm模型能够预测高于Nyquist频率的MRTD值，所以它对红外成像系统性能的评估较FLIR92模型有了较大的改进；另一方面，因为引入了考虑背景亮度和人眼视觉物理效应的人眼视觉模型，NVTherm模型获得了比FLIR92模型更好的目标获取性能。1999年，德国的Wittenstein提出了MTDP方法，并应用于TRM3模型[25]。TRM3模型解决了MRTD预测曲线限制在Nyquist频率以内的问题，可用于预测红外成像系统的作用距离。国内对于红外系统作用距离的研究开始于上世纪90年代。骆清铭和刘贤德于1991年推导了热成像系统对点目标和面目标的作用距离方程，同时根据作用距离方程，利用计算机程序计算了中纬度夏季环境下该系统的作用距离[26]。2003年，姜宏滨分析了基于NETD（噪声等效温差）作用距离方程[27]。2008年，王晓剑等人从NETD的定义出发，提出了一种可适用于较大温差条件下的点目标作用距离计算方法[28]。2012年，牟达针对红外探测器的各种参数的作用距离方程进行了比较与分析[29]。以上研究大多是针对巡航导弹、飞机、弹道导弹等目标的研究。目前已经公开的在稀薄大气空间高超声速飞行器的实验数据较少，在高速飞行的飞行器方面的研究也相对较少。可以查阅到的公开文献是国防科技大学的周金伟、李吉成和空军工程大学的王莹莹对高超声速飞行器红外可探测性能研究[30-31]。他们分别以F-11、X-51A战机为研究对象，分析了高超声速目标的红外可探测性能，并基于对比度建立了作用距离模型。MRC（最小可分辨对比度）模型是目前用来评价可见光成像系统性能较多的一个模型，利用该模型可实现对作用距离的预测。在此模型之前，常使用探测器的瞬时视场（IFOV）作为系统的极限分辨角，并基于Johnson准则进行系统作用距离的分析[32]。该方法的缺陷在于没有考虑大气对辐射的影响、目标与背景的特性、人眼视觉等因素。为解决这一问题，R.A.Willson和F.A.Rosel于1972年提出了MRC模型[33]。早期的MRC仍然没有考虑人眼的视觉特性。直到1995年，Vollmerhausen等人通过在MRC模型中引入人眼视觉特性和阈值对比度对其进行改进[34]。国内从20世纪90年代开始利用MRC模型对可见光成像系统的性能进行研究，MRC技术的检测与应用在近些年才逐渐成熟起来。2009年，金伟其等人从MRC作用距离模型出发，对光电成像系统的作用距离预测方法进行了深入研究[32]。2011年，卜纪伟等人利用MRC模型对机载电视系统的作用距离进行了预测[35]。此外国内的王兵学根据红外搜索跟踪系统的作用距离模型，利用目标-背景信号差与探测器噪声比值，建立了可见光系统的点目标作用距离模型[36]。中国科学院的时魁等人也从目标与背景的对比度角度，分析了某机载短焦距电视的作用距离[37]。北京工业大学的张广申从目标在靶面的照度、压行数和对比度三个角度分析了电视系统的作用距离[38]。参考文献参考HolstGC.光电成像系统性能[M].第4版.阎吉祥俞信解天宝,等译.北京:国防工业出版社,2015.付强,史广维,张新.红外点目标作用距离数学建模与评估[J].红外与激光工程,2013,42(08):1991-1996.[3]李冬宁.空间目标光度测量方法研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2015.[4]吴大连.人造卫星与空间碎片的轨道和探测[M].中国科学技术出版社:北京,2012:1-5.[5]徐映霞.2015年全球航天器发射统计分析[J].国际太空,2016(02):2-8.[6]徐映霞.2016年全球航天器发射统计与分析[J].国际太空,2017(02):2-7.[7]付郁.2017年全球航天器发射统计与分析[J].国际太空,2018(02):4-8.[8]付郁.2018年全球航天器发射统计与分析[J].国际太空,2019(02):12-20.[9]付郁,刘思萌.2019年全球航天器发射统计与分析[J].国际太空,2020(02):11-15.[10]雷祥旭,桑吉章,李振伟.长春地基光电阵观测数据初步分析[J].测绘地理信息,2019,044(001):41-44.[11]祁先锋,郑娟.空间碎片观测技术研究[J].空间电子技术,2006(S1):5-8+42.[12]KervinPW,AfricanoJL,SydneyPF,etal.Smallsatellitecharacterizationtechnologiesappliedtoorbitaldebris[J].AdvancesinSpaceResearch,2005,35(7):1214-1225.[13]李淑军,高晓东,朱耆祥.带太阳能帆板的卫星光度特性分析[J].光电工程,2004(04):1-4+8.[14]余建慧,苏增立.天基观测目标卫星光度特性分析[J].飞行器测控学报,2006,25(1):52-56.[15]张伟,汪洪源,王治乐,等.空间目标可见光散射特性建模方法研究[J].光子学报,2008,37(12):2462-2467.[16]高昕,王建立,周泗忠,等.空间目标光度特性测量方法研究[J].光电工程,2007(03):42-45.[17]张建奇,王晓蕊.光电成像系统建模及性能评估理论[M].西安:电子科技大学出版社,2010.[18]王柯平.电视成像系统作用距离客观测评技术研究[D].西安工业大学,2019.[19]王连振,吴晗平,李旭辉,等.红外成像系统综合性能评价方法研究[J].红外技术,2015,37(01):57-62.[20]RatchesJA,LawsonWR.Nightvisionlaboratorystaticperformancemodelforthermalviewingsystems[D].U