《光电子成像技术》-9

9.1引

言能够把景物因温度和发射率不同产生的红外辐射空间分布转换成视频图像的技术，统称为红外成像技术(简称为热成像技术)。其产品形式包括热成像仪(简称热像仪)、前视红外系统、红外行扫描仪、红外扫描成像辐射计、红外多(高)光谱扫描仪、红外成像侦察告警仪和红外电视等。下一页返回9.1引

言根据黑体及灰体辐射定律，景物的红外面辐射度正比于其绝对温度的4次方和其辐射率的1次方。因此，只要物体的温度高于绝对零度，或景物中各目标或细节的辐射率不相同，它们都会向外界辐射各种波长的电磁波，并形成一定的红外辐射对比度空间分布。红外热成像技术正是能够把景物的这种红外辐射分布转变为可见光图像或可供处理的电子信息的技术。上一页下一页返回9.1引

言自然界背景温度在300K左右，典型的红外目标，如人员、车辆的温度比背景温度高出几度到几十度，它们的峰值辐射波长位于8～12μm波段内；而对于飞机喷口及导弹尾焰等，温度高达几百到上千度，其辐射峰值在3～5μm范围内，这两个波段正好位于两个大气透过率窗口内(中红外3～5μm和远红外8～12μm)。以上目标/大气特性正是红外热成像技术赖以工作的物理前提。上一页下一页返回9.1引

言红外成像系统通常由光学系统、调制器或光学机械扫描器、红外探测器和制冷机(器)、信号处理系统、图像信号输出显示器或记录装置等组成。红外探测器的结构形式分单元探测器、线阵探测器和面阵探测器三大类(详见第三章)，与此相关联的红外成像系统光机结构可分为三大类：单元探测器用的二维光机扫描结构(简称光机扫描结构)、线阵探测器用的推扫光机结构，以及焦平面凝视型光机结构。早期的红外前视装置大都采用二维光机扫描成像方式；星载或机载红外遥感系统多采用大线阵探测器推扫成像方式。随着多元红外探测器和焦平面技术的发展，光机扫描机构被不断简化，以至被红外焦平面列阵的所谓“凝视”系统所取代。上一页下一页返回9.1引

言红外热成像技术在军事和国民经济其他各领域里，具有广泛应用价值。军事战略应用：洲际弹道导弹的探测、识别和跟踪，高能束拦截武器的瞄准，拦截导弹的制导和大气层内外核爆炸的探测等。军事战术应用：侦察、观瞄、火控、跟踪、制导等，如枪(炮)用红外夜间瞄准具和机载、舰载前视红外系统等。工业应用：炉壁、炉料热分布、铁水、钢水液面检测，石油管漏油/漏热检查、高压供电元器件检查及集成电路热故障分析等。上一页下一页返回9.1引

言科研应用：对研究对象和过程的热分析，如飞机和航天器工作状态热分布测定和航空航天模型风洞试验热分析等。医疗应用：对癌症和各种病变的普查和早期诊断，以及中医穴位诊断等。其他应用：森林防火、空海救援、污染监测和资源勘探等。红外热成像技术涉及目标及背景辐射特性、大气传输、红外光学系统、红外探测器、信号处理等内容，其中目标及背景辐射特性、大气传输已在第二章有详细论述，红外光学系统详见第六章，红外探测器详见第三章。本章主要介绍线扫描红外系统、前视红外系统、焦平面列阵红外系统和搜索跟踪红外系统的工作原理和技术特点。上一页下一页返回9.1引

言本章要点：红外成像系统一般原理及分类常见红外成像系统图像制导红外成像系统热成像系统总体性能评价上一页返回9.2红外成像技术基本原理红外成像系统通常由光学系统、调制器或光学机械扫描器、红外探测器和制冷机(器)、信号处理系统、输出图像信号显示器或记录装置等组成。图9-1是一个单元探测器红外热成像系统工作原理示意图。其中扫描机构包括水平扫描器(行扫)和垂直扫描器(场扫)；景物目标的红外辐射强度二维空间分布，经物镜成像后被扫描机构从左到右(行扫)、从上到下(场扫)扫描到探测器上，探测器将所接收各时空点上的红外辐射强度转化为电信号，经放大和处理，最后显示为可见光图像。下一页返回9.2红外成像技术基本原理对于线阵列红外探测器，可省掉其中的一维扫描器，例如，在遥感红外成像系统中，通常用大线阵探测器承担其中的一维扫描(行扫)，而借用飞行器的飞行方向作另一维扫描(场扫)，共同完成对地面景物二维红外辐射强度分布的扫描；对于面阵红外焦平面(FPA)探测器，则可完全省掉光机扫描机构，成为凝视型红外热成像系统。因此，热成像仪的工作模式可分为光学机械扫描热像仪和焦平面热像仪(电子学自扫描方式)；而按照是否制冷，可将红外成像系统分为制冷型热像仪和非制冷热像仪，目前非制冷热像仪均采用焦平面工作模式。上一页下一页返回9.2红外成像技术基本原理红外成像系统的工作机制基于以下3个领域的理论和实验成果，它们也是人们进行红外成像系统总体性能评价和设计的前提：(1)热成像系统主要依靠景物自身的红外辐射(亦称热辐射)来成像。由热辐射定律可知，景物的红外面辐射度(P)与其绝对温度(T)的4次方和其辐射率(ε)的1次方成正比，即P＝σεT4(9-1)因此，只要物体的温度高于绝对零度，或景物中各目标或细节的温度及辐射率有差别，它们都会向外界辐射电磁波，并形成红外辐射对比度空间分布。这种景物及细节的热辐射亮度的对比度正是红外成像系统的图像信息源。上一页下一页返回9.2红外成像技术基本原理(2)地球大气层对辐射的传播施加了较大的限制，但存在两个大气透过窗口———中波红外3～5μm和长波红外8～12μm，它们分别对应于空中高温目标(飞机喷口、导弹尾焰等，几百到上千度)和地面常温目标(人员、车辆的温度比常温高出几度至几十度)所辐射的峰值波段。(3)为满足以上应用需求，围绕红外探测器、红外光学系统、扫描器和电子处理等基础技术的发展和更新换代，提供了强有力的物质和技术支撑。上一页返回9.3红外成像系统的特性参数9.3.1红外光学机械系统性能参数(1)光学系统通光孔径D0

和焦距f’。通光孔径D0

和焦距f’是热像仪光学系统的两个基本参数，它们是决定热像仪性能和体积的关键因素，多数情况下用相对口径或F数表示。为提高热灵敏度，一般需要采用较大的相对口径；同时为实现远距离目标的探测，希望加大光学系统的焦距，这些都将增大热像仪的体积和质量。下一页返回9.3红外成像系统的特性参数

(2)瞬时视场ω。瞬时视场ω是光学系统和扫描器不动时，系统瞬间(对应探测器一个单元像素)所能观察到的空间范围。ω可以表征系统的空间分辨力，对于采用焦平面探测器的热像仪，可直接用角分辨力表征系统的空间分辨力。若探测器单元像素尺寸为a×b的矩形，则α＝a/f’，β＝b/f’称为瞬时视场的平面角，单位常用mrad，并有ω＝αβ。(3)总视场角Ω。总视场角Ω决定系统观察的景物空间范围。若A、B分别为相互垂直方向的视场平面角，则Ω＝A×B。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数

(4)帧时Tf和帧速F•。帧时Tf

是系统产生一帧完整的热图像所需的时间，单位为s，帧速F•(也称为帧频)是系统在一秒钟内产生图像的帧数，单位为s－1，F•＝1/Tf。(5)扫描效率ηsc。扫描器扫描的空间范围比视场中景物所张的空间角大时，对景物面元扫描一次所需时间与扫描器实际扫描一次所需的总时间之比即为ηsc。以ηH，ηV分别表示水平和垂直扫描效率，则ηsc＝ηH•ηV。(6)驻留时间τd。或称累积时间。驻留时间τd

是瞬时视场扫过探测器所经历的时间，通常要求τd

必须大于探测器的响应时间常数，以提高探测器的信噪比。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数9.3.2红外探测器主要性能参数(1)探测器的响应率R。探测器响应率R被定义为探测器输出电压V与相应输入辐射通量P之比，即R＝V/P，单位：V/W；(2)噪声等效功率NEP。任何探测器的输出信号中总是伴随着噪声。噪声等效功率(NEP)被定义为与噪声输出相等的输出信号大小，即NEP＝Vn/R＝P/(V/Vn)，单位为W。这里，Vn代表噪声电压。可见，响应度R愈高，NEP愈小。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数

(3)探测灵敏度D*。D*与NEP成反比，但由于NEP还与探测器的面积A及放大器的带宽Δf有关，所以，经归一化后的探测灵敏度的单位为cm•Hz1/2/W，D*的表达式可写为

(4)探测器响应波段及工作温度。选择不同的材料和结构，可以使探测器工作于所需要的响应波段内，为了降低噪声，提高灵敏度，探测器常需工作于低温下。一些红外探测器的特性参数见表9-1。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数9.3.3红外热像仪总体性能参数热灵敏度和空间分辨力是热像仪的两个重要性能参数。对不同空间频率的目标，热灵敏度并不相同。热像仪的综合性能可用噪声等效温差、最小可分辨温差、最小可探测温差等参数来评价。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数1噪声等效温差(NETD)输出信号值等于噪声均方根值(或信噪比等于1)时的目标和背景的温度差，被定义为热像仪的噪声等效温差，用NETD表示。进行NETD测试时，设均匀温度为TT，尺寸为w×w的方形目标处在均匀温度为TB(TT＞B)的背景中，假定目标和背景都为黑体。为提高测试精度，一般使目标与背景的温度差ΔT大到使系统输出的峰值信号电压Vs远大于均方根噪声电压Vn时，这时NETD的计算公式为NETD＝ΔT/(Vs/Vn)(9-3)上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数在工程实践中，常用以下公式估算热像仪的NETD

式中：λ，D*———λ，D*在系统工作波段中波长的平均值(μm)和探测率的平均值(cmHz1/2/W)；上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数f和D0———物镜的焦距和口径(mm)；AD———探测器面积(cm2)；Δf———基准滤波器的等效噪声带宽(Hz)；τa

和τ0———大气和物镜的透过率(%)；ε———目标辐射率。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数2最小可分辨温差(PRTD)前面所指的NETD，没有考虑显示器和人眼观察等因素，特别是没有把系统的温度分辨力与空间分辨能力联系起来。即如果要求分辨目标的更小的细节(空间分辨率愈高)时，需要较高的目标细节温差。所以，在评价热像仪的对景物细节温差分辨能力时，还应考虑“景物—热像仪—观察者”构成的整体系统。为了评价热像仪对不同空间频率的目标进行直接观察时的系统热灵敏度，需要引入最小可分辨温差即MRTD的概念。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数MRTD被定义为：在给定的空间频率下，眼睛能从显示屏上分辨出测试板条纹图像时的条带与背景之间的最小温差。图9-2是热像仪MRTD和MTF与空间频率NT(lp/mm)关系示意图。测试板条纹图由一系列宽度尺寸不同、而长宽比为7∶1的四个条纹构成。在测试中可以发现：当目标条纹与背景的温差一定时，可分辨的空间频率NT

较低(即尺寸较大)的图案要比空间频率较高者更清晰。或以相同的清晰程度来分辨尺寸不同的样条图案时，分辨NT较高的图案所要求的温差相应较大。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数将一个光强呈正弦分布的一维目标输入到一个非相干的光学成像系统，若系统的放大倍率为1，则输出仍然是同频率的正弦图像，只是对比度降低和相位发生移动，而这种降低和位移的大小，都是空间频率NT的函数，可分别用T(NT)和θ(NT)表示，它们分别对应系统的调制传递函数(MTF)和相位传递函数(PTF)。其复函数表达式为H(NT)＝Hc(NT)＋jHs(NT)＝T(NT)exp［jθ(NT)］(9-5)上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数即光学传递函数(OTF)。PTF不影响像的清晰度，只影响景深各物面所成像面相对于最佳像面的光程差(高差)。OTF是定量描述系统空间分辨力和成像清晰度的重要参数。用MTF来确定整个系统的性能时，可将系统各部件的效果联系起来。给定了NT，整个系统的MTF可由各部件的MTF相乘而得，整个系统的PTF则可由各部件的PTF求和而得。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数考虑光学系统、探测器、电子学系统、显示器和人眼的MTF并分别记为Ho、Hd、Hc、Hm和He，则系统总的MTF为

H(NT)的模T(NT)即为总的MTF。上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数3最小可探测温差(PDTD)MDTD定义为：在单独的目标与背景之间，能用热像仪看到目标的最小温差。使用单个正方形或圆形目标测量MDTD，其线度要比系统瞬时视场小得多，可视为点源目标。MDTD表征了系统探测不可分解的点源目标的能力。MDTD与MRTD的区别在于：测量MDTD用的是正方形目标、且只有一个，只要温差足够大，不论目标大小如何，总可以被探测到。不存在如四杆靶图案在NT→NTC时那样，不管多大温差都无法分辨的问题。当方形目标的线宽度B与测试MRTD用的一条杆的宽度相等时，即NT＝1/2B，MDTD与MRTD的关系为上一页下一页返回9.3红外成像系统的特性参数

式中：T(NT)———系统总的MTF；I(x，y)———归一化为单位振幅的方波形目标物函数O(x，y)的像函数I(x，y)的平均值。上一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点9.4.1光学机械扫描热像仪为提高热灵敏度、分辨力和扩大视场，一般采用光机扫描的机械运动，来实现对景物空间的分解和探测器小视场与系统大视场的匹配。扫描的方式根据探测器和系统功能的不同，有物方扫描和像方扫描之分。物方扫描是将扫描系统置于光学系统之前，直接对景物进行扫描。因来自景物的辐射是平行光，也称为平行光扫描。像方扫描是扫描系统置于光学系统和探测器之间，对像方光束扫描。因为像方光束是会聚光，故也称为会聚光束扫描。下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点早期使用的单元探测器，由于其探测率、响应率和响应速度有限，使系统的热灵敏度不高。为提高信噪比，常将多个探测器并联或串联起来使用，形成了“并扫”或“串扫”两种基本模式。在“并扫”中，多元线列探测器同时探测相应景物像素的热辐射，主要优点是降低帧速、减小信号处理电子学的带宽。在“串扫”中，多元线列探测器是分别顺序探测同一景物像素的热辐射，之后将所有探测元的信号进行延时积分处理。主要优点是图像的均匀性好。采用n元“并扫”或“串扫”，都可使系统信噪比提高n1/2倍。下面将分别介绍常见的几种光机扫描热像仪结构及其技术特点。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点1典型光机扫描结构热像仪如图9-3所示。其中扫描系统是热像仪的重要部件，一般情况下为减小体积质量，扫描系统都位于红外望远系统的后面。扫描系统的作用是分解图像，使较小的探测器能够完成对较大尺寸像面的探测(这里使用的是SPRITE探测器)。扫描系统可以实现行扫描和帧扫描。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点望远镜出射的红外辐射进入扫描器后首先经行扫描镜(六面体转镜)以19500r/min的转速进行水平扫描，经过第一折转镜反射，由曲面反射镜第一次成像，并经第二折转镜反射，光束到达帧扫描反射镜，帧扫描反射镜以50Hz的频率做±10°的摆动，完成了对入射辐射的垂直扫描，最后由探测器透镜(包括正、负透镜)二次成像，将红外辐射聚焦于SPRITE探测器上，产生的信号经前置放大和缓冲后进入电子处理单元，输出信号至显示器，六面体转镜和帧扫描反射镜的转速控制在恰好产生625行标准电视信号。采用光机扫描系统的热像仪一般体积重量较大，对扫描反射镜的控制精度有较高的要求。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点此外，由于有运动部件，光机扫描热像仪的瞄准轴在外界应力的作用下(如震动冲击或环境温度变化)容易产生走动，需要在设计时采取措施，使其瞄准轴的走动限定在系统允许的范围内。2像方扫描结构热像仪图9-4是一种像方扫描热像仪的典型结构示意图。这里的扫描元件是由单晶锗(Ge)制作的不等倾角六面体转镜，转镜的上下端面黏接有旋转轴，其3对折射表面相对于旋转轴具有不同的夹角。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点当转镜旋转时，物镜所成的像将在像面内水平方向移动，当转镜继续旋转至另一对折射表面时，由于其相对于转轴的夹角发生了变化，像面将在垂直方向发生移动。这里采用的是32元探测器，因此图中的扫描机构能够得到6带共192条扫描线。除此之外，也有采用一维扫描(一般是行扫描)成像的热像仪，例如，采用288×4探测器的热像仪，也有人把此类热像仪归入焦平面热像仪。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点3红外搜索跟踪系统红外搜索跟踪系统(InfraredSearchandTrackSystems)通常是将物空间扫描和像空间扫描结合起来的另一种方式的扫描成像系统，其工作原理如图9-5所示。目标的红外辐射通过窗口和头部反射镜进入红外光学系统，由内部红外物镜聚焦，供红外探测器接收，并将红外信号转化为电信号。头部反射镜由驱动电机驱动作周视或扇形扫描，实现探测器在物空间的搜索扫描。俯仰执行机构驱动头部反射镜完成高低方向的搜索扫描，信号处理电路对来自探测器的输出进行解算处理，获得进入扫描空间目标的方位及俯仰角度，同时可以输出扫描区域的图像。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点在发现、判断出有关注的目标后，系统将转入跟踪工作模式。此时系统将通过驱动红外光学系统内部的扫描反射镜，在像空间作水平扫描，探测器输出的信号经处理电路处理产生数字视频信号，通过取差器，获得目标相对于基准线的方位、俯仰角偏差量。伺服系统根据角偏差量驱动方位转台及俯仰执行机构，使像空间扫描传感器瞄准线始终指向目标，实现对目标的自动跟踪。与一般热成像系统相比，红外搜索跟踪系统具有以下特点：上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点(1)视场大。热成像仪的视场受到器件尺寸和扫描机构的限制，一般不会很大。而红外搜索跟踪系统水平搜索视场可达360°、垂直视场可达90°。(2)帧时长。为避免图像闪烁以适应人眼观察的需要，热像仪帧频与标准电视接近。而红外搜索跟踪系统的信息是由计算机进行处理，且由于视场大，其帧时根据使命不同，一般为1～10s。(3)像素数量大。在数据率相同情况下，红外搜索跟踪系统的像素数量为热像仪的10～100倍。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点(4)信号处理的方式不同。热像仪提供的是实时视频图像，而红外搜索跟踪系统需由计算机进行数据分析处理，以便从杂波(虚警)信号中区分出可疑目标，供操作人员对其进行跟踪。红外搜索跟踪系统大多采用列阵式红外探测器，如法国Sofradir的480×6LWIRCMOS等，也可以采用焦平面探测器和步进式扫描来实现。4几种高水平制冷型光机扫描热像仪性能列表(表9-2)5美国夜视与光电管理局热像仪性能列表(表9-3)上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点9.4.2焦平面热像仪焦平面热像仪也称为固体电子学自扫描方式热像仪，其工作原理类似于固体成像器件CCD或CMOS的电视摄像机。所谓二维焦平面列阵(FPA)，是指视场内的景物同时被成像在FPA上，FPA的探测元与观察的景物空间像素一一对应，直接实现对景物空间的分解，所分解的景物像素数量就是FPA探测元的数量。FPA同时接收景物各像素的热辐射，用电子学自扫描方式，将FPA各探测元的信号读出、变成一维时序信号，经处理后的信号送至显示器即可得到景物的热图像。因无光机扫描机构，故把这种热成像系统也称为凝视型热成像系统。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点按工作模式，FPA可分为扫描型和凝视型。扫描型如288×4或480×6HgCdTe制冷型探测器，凝视型如320×240或640×512HgCdTe制冷型探测器等。采用FPA的热像仪在灵敏度、分辨率以及简化结构方面都有较大改善，是目前热像仪发展的方向。但也带来一些特殊问题，如需要采用补偿列阵响应率不均匀性的措施，即非均匀性校正。非均匀性被定义为FPA在同一均匀辐射时各探测元输出的不一致性，或称为固有空间噪声(OriginalSpatialNoise)。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点一般采用温度参考源对非均匀性进行校正。对于扫描型探测器，参考源用于景场复位和响应率差异校正；对于凝视型探测器，参考源用于校正直流分量和响应率差异。在2000年以前，由于技术成熟、可靠性较高，使得性能良好的光机扫描热像仪在应用中占主要地位。随着凝视型探测器的成熟和性能的提高，目前热像仪已广泛采用了4N系列或凝视型焦平面探测器。从目前的发展趋势看，焦平面热像仪最终将在热像仪中占主导地位。国内目前已经能够生产288×4及576×4长波探测器。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点当前市场高水平的日本IR－5120型凝视热像仪已成功用于夜间船舶导航、飞机着陆、目标搜索、热源探测、监视和遥感等领域，其性能见表9-4上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点9.4.3非制冷热象仪(UFPA)如图9-6所示，非制冷热象仪也属于焦平面热像仪，UFPA目前多工作在长波红外波段，其核心器件都采用测辐射热计和热电探测器，它的工作机理是根据材料的电阻或介电常数的热敏效应，即辐射引起温升改变，导致材料电阻发生变化，利用这种探测热辐射而研制的探测器被称为测辐射热计(Bolometer)，这类探测器包括电阻式和电容式。电阻式测辐射热计吸收红外辐射引起温度改变，导致它的电阻发生变化，在电路中就有电信号输出。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点电容式探测器是利用材料的介电常数与温度的关系来探测热辐射。由于工艺等因素的限制，测辐射热计以电阻式为主。目前用热敏电阻材料氧化钒(VOx)制作的微测辐射热计焦平面探测器获得了较广泛的应用。此外热释电探测器也是非制冷红外探测器的重要分支，具有优异热释电性能并已获应用的大部分是铁电体晶体材料，如钽酸锂(LiTiO3)、铌酸锶钡(SBN)、硫酸三甘肽(TGS)和聚合物(PVDF)材料等。随后又发展了更为优越、易于制备和控制的铁电氧化物陶瓷材料，如碱性锆酸铅陶瓷(PZ)、钛酸锶钡(BST)和更新的PbSc1/2Ta1/2O3(PST)等。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点热释电探测器响应速度比其他热探测器快，所以在红外探测器中占有重要地位。由于面阵规模大(已有320×240和640×480面阵)，噪声等效温差小于0.1K，尤其引人注目的是可在室温下工作而无须制冷，而且成本较低，使用维护方便，可靠性好，同时光谱响应与波长无关，使得非制冷热象仪成为夜视技术领域新的热点。但与制冷型红外探测器相比，非制冷红外探测器灵敏度低且响应速度较慢。上一页下一页返回9.4红外成像系统典型结构和技术特点为克服非制冷红外探测器灵敏度低且响应速度较慢的弊端，非制冷热像仪一般采用大相对口径的光学系统，以提高像面辐照度。目前常见的非制冷热像仪光学系统的相对口径在1/1～1/1.5，有些热像仪甚至达1/0.8。图9-6为用于飞机导航的非制冷热像仪，其中尼龙套筒的作用是高低温情况下实现像面自动补偿。非制冷热像仪已经在监控、测温以及部分军用领域获得了应用。几种常见的高水平非制冷焦平面热像仪的性能见表9-5。上一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点在现有的制导导引头技术中，有点源(非成像)制导和成像制导两种机制；在成像制导中，又以红外成像制导占据主流。这是因为：(1)能提供目标二维图像，可实现“发射后不管”；(2)比可见光成像具有较好的全天时、全天候作战能力；(3)比微波制导具有更强的抗干扰能力；(4)系统的温度动态范围较大，空间分辨率较高(优于0.2～0.3mrad)；下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点(5)灵敏度较高(NETD≤0.05℃～0.1℃)，适于攻击远距离目标和弱小目标；(6)导引头可实现模块化。本节将简要说明红外成像制导的工作原理、典型光机结构和技术特点。上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点9.5.1成像跟踪制导系统组成及工作原理图9-7是一个成像跟踪制导系统的原理方框图。其中：(1)摄像机提供目标红外图像视频信号；(2)预处理器对图像信号做去噪、图像校正、数据压缩、图像增强与补偿等处理，以改善图像质量或减少运算量；上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点

(3)特征提取是从场景灰度图像中提取目标的形体特征(面积、周长、圆度、高宽比等)或灰度矩(形心及高阶矩、不变矩等)，以供目标识别与跟踪之用；特征选择的目的是从上述特征中挑选有用的特征来做进一步运算，以压缩特征维数和简化计算工作量；(4)目标分类是为了识别目标，通常用统计识别法，根据形状予以判定；(5)跟踪处理器完成有关跟踪模式、跟踪状态估计及滤波预测等运算，输出目标误差信；上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点

(6)伺服机构把目标的误差信号变为相应的控制信号，实施对目标的跟踪制导。目前，关于以上提到的成像跟踪制导原理及算法主要有：■波门跟踪制导原理(边缘跟踪、矩形跟踪、面积平衡跟踪等)；■相关跟踪制导原理(归一化直接相关测度、方差归一化相关测度、均值相关测度、拉普拉斯滤波相关测度及二值相关测度等)；■实用匹配跟踪算法(快速傅里叶算法、序贯相似性差值算法逐级灰度相关算法、变分辨率相关算法、子母样板匹配算法等)。上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点9.5.2红外成像跟踪制导系统典型结构和技术特点1美国多元面阵成像制导导弹“幼畜”AGP－65D这是美国第一代红外制导导弹的典型代表。其光机扫描结构见图9-8：导引头采用20面内反射镜做光机扫描，4×4元HgCdTe液氮制冷小面阵探测器(串并扫体制)，导引头装在外框架陀螺仪上，陀螺转子与反射镜转鼓固成一体，达到稳定和扫描双重目的；三个转轴上分装有位置传感器；进动力矩由装于座架上的力矩电动机，通过推杆分别加至外环和与内环固接的吊环上。上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点AGM－65D导引头的战术技术水平：光学系统焦距f’＝178，通光孔径φ100视场2.5°×2.5°空间分辨率0.28mrad帧频30帧/s(隔行2∶1，即转速60r/s)探测器4×4元光导型HgCdTe单元尺寸50μm×50μm工作波段8～12μm探测率D*1.2×1010cm•Hz1/2•W－1MRTD(1.7Hz/mrad)1.4℃NETD0.2℃上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点视频输出：与电视兼容作用距离(对3m×4m坦克)探测5～6km；识别1.8km同属第一代红外导引头的导弹还有美国近程空－空导弹ASRAAM、挪威“企鹅”MK－2系统反舰导弹、德国“布萨德”反坦克导弹等。2美国凝视成像制导导弹“海尔法”(Hellfire)如图9-9所示，该导弹采用32×32、64×64或128×128“铟砷锑/硅”红外焦平面器件实现凝视成像制导原理：上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点目标的中红外(3～5μm)辐射经由整流罩和卡式光学系统，聚焦于混合焦平面阵列上(InAsSb探测器/硅CCD多路调制器)，输出信号经信号处理器做非均匀性(背景抑制)和交流非均匀性(自动响应控制)响应补偿；经校准的视频信号同时送给扫描转换器(做电视显示)和微处理机多模跟踪器(经过预处理和相应的跟踪处理变为随动控制信号)。“海尔法”的装载直升机备有先进的前视红外装置，用于搜索目标并保证导弹发射时目标位于导引头视场内。导弹发射后，运用多模跟踪功能连续跟踪目标；在末段，多模相关跟踪算法计算目标图像区域内的灰度梯度，以选择最佳攻击点。上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点“海尔法”导弹的现有型号为AGM－114A，其战术技术性能如下：导引头直径：φ177.8；

常平架稳定方式：俯仰方位速率陀螺稳定；常平架角度：＋/－200(俯仰、方位)；

光学孔径/焦距：φ88.9/208mm；总视场：0.50×0.50，10×10，20×20；

探测器像元数：32×32，64×64，128×128；上一页下一页返回9.5制导用红外成像系统典型结构和技术特点探测器单元尺寸：52×52μm视场中的探测灵敏度NETD：0.031℃～0.067℃探测与识别距离(概率95%)：6km/2km跟踪器类型：多模：对比、相关、活动目标跟踪速率：最大100/s上一页返回9.6热成像系统总体性能评价在第七章已详细概括了光电子成像系统的总体分析评价的理论和方法。本节将重点探讨评价红外热成像系统的目标辨识能力(探测、识别及辨认三个级别)的Johnson判则、对扩展源目标的作用距离和基于NETD和MDTD的点目标探测模型等。下一页返回9.6热成像系统总体性能评价9.6.1热像仪目标辨识Johnson判则和作用距离1热像仪目标辨识和Johnson判则观察者通过热像仪显示的灰度图像对目标的温度分布形貌特征进行辨识，热像仪的这种辨识能力分为探测、识别和辨认三个档次。所谓“探测”，是指意识到背景中有目标出现；“识别”是指能判断出目标的类别，如能识别是车辆，还是船只等；“辨认”是指能认清目标的特征，如认清是图9-10

热像仪物－像几何关系示意图某种型号的坦克。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价Johnson判则规定，当要求正确辨识的概率为50%以上时，则对目标的探测、识别和辨认所相应的横跨目标尺寸上可分辨的周期数n0分别为1lp/mm，4lp/mm，8lp/mm，即若目标尺寸为H(m)时，n0

分别对应于1/H，4/H和8/H；按照图9-10所示，则系统物－像尺寸间的几何关系为h＝(H/S)•F＝α•F(9-8)上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价于是，可以把Johnson判则具体化到：要求系统应能分辨的像面上目标特征面元尺寸及空间分辨率为：辨识级别

目标像尺寸(mm)空间分辨率NC(lp/mm)“探测”h1/h“识别”h/44/h“认清”h/88/h这里，Johnson判则中关于“横跨目标尺寸上应被分辨的周期数”n0，对于不同的目标其值不尽相同。美国陆军电光学和夜视实验室经过大量实验和统计，获得的n0值见数据表9-6。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价2成像系统作用距离的基本含义热成像系统的作用距离是指在一定的大气条件下，系统对某一实际目标可能发现、识别和辨认的最远距离，又称视距(文献中，有时叫“目标捕获距离”)。决定热成像系统视距的内在因素是系统本身的性能，外在因素主要是目标特性和大气条件。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价在热成像系统的许多应用领域、特别是军事领域中，总是希望系统具有尽可能远的作用距离。视距作为热成像系统的主要战术指标，对系统的设计具有指导性作用。热成像系统的视距可以通过特定条件下的野外试验来确认；也可以通过基于某些性能参数的理论模型进行分析，给出一个可信的视距预测。后者对提高设计水平、降低成本和缩短研制周期等具有重要意义。实现热成像系统视距估算的关键是建立适宜的估算模型，即利用已知的系统基本性能(实测或理论模拟结果)，通过理论分析、建模和计算机模拟，估算系统在各种观察条件下的作用距离。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价不同应用方式的热像仪作用距离的模型是有区别的，本节将介绍基于热成像系统静态性能的、针对扩展源目标和点目标的视距估算模型。热成像系统的其他应用方式(如跟踪、预警搜索等)除使用静态性能外，还可能涉及系统的动态性能。限于篇幅，本书不做具体介绍。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价9.6.2热成像系统的视距及其评价方法概述当辐射源(目标)的角尺寸超过系统的瞬时视场(或大于探测器一个像元对应的视场)时，1叫做扩展源。热成像系统所面临的目标大多是扩展源，如军事目标坦克、车辆、伪装物和军舰等。热像仪要能发现、识别和辨认它们的特征，必须有满意的图像细节分辨能力。因此，在评价热像仪的视距时，不仅要考虑目标辐射能的大小，还应考虑它们的几何尺寸和形状、辐射特性以及所规定的观察等级等因素，试验验证和建模分析应尽可能统筹考虑这些因素，以求获得一个使用方和研制方都满意的的预期成果。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价热成像系统的研制、试验和评价是一个比较大的系统工程，如图9-11所示，它涉及目标、大气、载体、热像仪、显示器和观察者六个大的子系统，以及它们的内部和外部共44个特性参数或制约因素。因此，要使分析既全面又准确是很复杂而又困难的。基于这一事实，国内外红外成像技术装备的用户(军方)与研制方之间，经过大量试验验证，并结合理论建模分析，形成了以下两种比较流行且普遍认同的评价热成像系统视距评价方法：一种是笔者称其为“极限加折扣评价法”；另一种方法是基于系统综合静态性能的MRTD(最小可分辨温差)法，简称“基于MRTD评价法”。以下将分别讨论这两种热像仪视距评价方法的出发点及应用范围。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价9.6.3热像仪视距“极限加折扣评价法”1基本思路和应用范围(1)按照被观察目标的尺寸、远近、活动范围、Johnson判则档次，利用物－像几何关系，确定热像仪的瞬时视场(或极限分角辨率)及其物镜焦距和探测器单元尺寸和阵列大小。(2)考虑到图9-9热成像系统多参数对以上视距极限值的衰减作用，设计时应留出一定余量(反之，打一定“折扣”)，即从严要求一定比例(例如，2倍的富余量，或50%的折扣)。这个数已被使用方及研制方共同接受，作为一个标准参考数。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

(3)这种方法简单易行，而且具有一定理论与实践相结合的指导意义。这是因为，要把上述系统内外部44个参数的影响一个一个定量地分析清楚是相当复杂的，而且难以由此及彼和推广。2极限加折扣评价法要点参见图9-8，设被捕获的目标是坦克和站立的人，其横向尺寸为W(m)，目标距离为R(m)；探测器单元尺寸为d(mm)，水平方向阵列单元数为Nd，物镜焦距为f(mm)。则根据上述思路和经验数据，可以分别给出热像仪的目标视距(探测、识别及辨认)性能估算公式如下：上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价①瞬时视场。

式中：α———目标捕获档次(探测、识别及辨认)系数，档次越高，α越小，从表9-9取值。β———其他物理限制因素衰减(“折扣”)因子，如前所述，β＝0.5。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价②视场。FOV＝iFOV•Nd(9-10)③物镜焦距。

上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价3计算结果①原始数据：■军用PEI系统所面对的目标通常为坦克和人。美国陆军夜视实验室(NVL)定义的坦克和人的标准尺寸为：目标

宽(m)高(m)临界尺寸(m)坦克2.32.32.3人0.51.80.9上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价■探测器数据—美国HIRE，HughesInfraredEquipment一代和二代红外阵列式探测器HIRE1stgen.418×418；HIRE2ndgen.575×575—可见光CCD，640×480②计算结果(对坦克见表9-7；对站立人见表9-8)。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价9.6.4热像仪视距“基于MRTD评价法”1基本思路和应用范围(1)目标与背景以及目标细节之间的温差空间分布ΔT0(x，y)是热像仪赖以分辨的信息源。该信息源将受到大气介质、物镜光机扫描机构、探测器、显示器和人眼等多个环节的能量衰减、MTF衰减和信噪比衰减的共同影响，导致热像仪的实际视距比上述极限视距有一定程度的缩短。因此，定量或半定量地研究这些因素的影响，建立相应的物理模型，分清主次，优化取舍，并给出合理的预期和切合实际的实施方案，对于指导热像仪系统的研究、设计和生产，具有重要现实意义。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

(2)“MRTD评价法”建立在前面介绍的最小可分辨温差MRTD的定义以及MTF(N)及MRTD(N)与空间频率N的关系上(见图9-2)。实验室利用目标等效条带图案(热分划板)测量MRTD(N)，即利用一组总宽度为目标临界尺寸，长度在垂直于临界尺寸方向上横跨目标、视在温差ΔT与目标相同的线条图案来代替目标。这里目标临界尺寸通常取为目标的最小投影尺寸；上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价“视在温差”指固有温差ΔT0(x，y)，经过上述一系列环节衰减后，从监视器上提供给人眼观察的温差ΔT(x，y)，由于传递过程中逐级附加噪声的关系，使MRTD还与空间频率N有关，频率愈高，所需的MRTD愈高，当视在温差低于所需细节对应的分辨空间频率N时，即认定为无法分辨目标。视距判定过程如图9-12所示。由此给出的热像仪视距判别条件之一是

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(3)热像仪视距判别的另一条件是系统的张角应大于或等于观察等级所要求的最小视角(最小分辨角)Δθ

式中：ΔT———经大气衰减后，目标与背景的视在温差(℃)；ΔT0———目标与背景的实际等效温差(℃)；上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价τa(R)———R距离上的平均大气透射比；H———目标高度(m)；ne———不同观察等级要求时的目标等效条带数(半周期数)；R———目标的距离(km)。满足式(9-12)和式(9-13)要求的最大距离Rmax即为热成像系统对扩展源目标的视距。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价2热像仪视距影响因素及其修正将上述在一定假定条件下推出的式(9-12)和式(9-13)应用于具体热像仪及其具体环境时，需对若干影响因素做适当修正。(1)观察等级确定因素的修正。观察等级是将系统性能与人眼视觉相结合的一种视觉能力划分方法，它需要通过视觉心理实验来完成。国外做了大量的实验和分析工作，目前比较公认的是约翰逊根据实验提出的Johnson准则，把目标的观察同等效条带图案的观察联系起来，把视觉观察分探测(发现)、分类(定向)、识别和辨认四个档次，档次越高，要求的条带数越高。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价通常，系统的随机噪声限制其发现性能，系统的放大率限制其分类性能，调制传递函数限制其识别性能，扫描光栅限制其辨认性能。观察等级对视距的影响是很大的，在分析和估算热成像系统视距时应明确观察等级，例如发现距离、识别距离和辨认距离等。另一方面，由于上述观察等级所需条带数n0

是在50%的概率下得到的，当需要在其他概率下做视距估算时，相应的要对条带数进行修正。利用概率积分拟合及Johnson准则，可将条带数ne与探测概率pd的关系表示为上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

式中：n0———Johnson准则中50%概率时的条带数；σ———随观察等级而定的系数。等级越高，σ取值越大。实践证明合理的σ取值分别是：0.310078(定向)；0.387597(发现)；0.775194(识别)和2.015504(辨认)。视距估算时，可根据要求的观察等级和探测概率迭代求解式(9-14)，确定所需的条带数。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

(2)目标/背景温差因素的修正。在视距估算模型中，模型化目标是用一个相对背景温差为ΔT0

的均匀矩形目标代替真实目标。矩形目标的大小选择使其面积等于实际目标在观察方向的投影面积，目标温差ΔT0则通过对整个信息区的温差用面积加权平均而得到，即目标平均温度TTA为TTA＝ΣAiTi/A(9-15)式中：Ai———信息区面积元；Ti———对应Ai面积元的温度；A———目标总面积，A＝ΣAi。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价于是，目标相对背景温度TB的平均温差ΔT0

为ΔT0＝TTA－TB(9-16)尽管作了这种简化，但人工统计处理和输入这些特征量仍相当复杂。若采用计算机处理，为使软件具有较好的通用性或适用范围，所采用的软件将会是很复杂的。因此，在实际性能评估模型软件中，并没有完全采用上述方法，而是根据实验结果的经验和模型模拟的结果，拟合一些常用目标的温差。表9-6给出了典型目标夏季野外的平均温差值。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

(3)目标热辐射系数差异因素的修正。由于温差还与目标辐射系数差异有关，在将实际目标/背景简化为灰体来处理时，可定义一个“等效温差”ΔTe

其中

上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价式中：ξT、ξB———目标和背景的辐射系数(辐射比)；TB———背景温度；ΔT0＝TT－TB———目标与背景的温差；Pλ(TB)———温度为TB时目标的辐射出射度。这样，借助ΔTe，便把由于灰体温差和辐射系数差所产生的辐射功率差值等效为黑体在温差ΔTe时的情况。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价

(4)实际背景温度因素的修正。热像仪的MRTD实验室测定时，取环境温度TL＝300K(室温)为条件，而使用时的背景温度TB未必为300K，为此，须引入修正因子KbKb＝WT(TL)/WT(TB)≈(TB/TL)2(9-19)对MRTD修正后，有MRTDB＝Kb•MRTD(9-20)式中：WT(TL)、WT(TB)参照(9-18)式定义。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(5)目标形状因素的修正。实验室性能参量MRTD

的标准测试图案是高宽比为7∶1的四条带目标，而实际目标的等效条带图案的形状一般不满足这一条件；考虑到视角效果与眼睛的空间累积效应相关，条带愈长，视感信噪比愈高，于是将MRTD

修正为

上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价式中：KS是实际目标等效条带图案的单条带高宽比。式中的根号是由于视觉信噪比与条带高宽比的平方根成比例。可见当KS＝7时，MRTDS＝MRTD，而且，KS愈大，MRTDS愈小，如人们看一条高压电线，要比看一根同样粗细的绳子清楚得多、远得多。参考图9-10，假定目标的高宽比(H∶W)为α，Jonhson判则条带数为ne，则X方向和Y方向之单条带的“高宽比”KS分别为X方向KS＝2neα(9-22a)Y方向KS＝2ne/α(9-22b)上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(6)系统实际信噪比因素的修正。实验表明，在最佳观察距离处，极限信噪比(Vs/Vn)max在一个较宽的空间L范围内大体为一常数2.8，因此，实践中常取(Vs/Vn)max＝2.8作为视觉阈值信噪比。但是，人眼通过热像仪观察目标时，若大气条件很好，视频图像的信噪比可能很高，此时视距主要受限于系统的空间分辨力；反之，若大气衰减严重，目标信息损失很大，则视距主要受限于实际得到的信噪比。实际信噪比不等于上述(Vs/Vn)max时，要对极限空间分辨力进行修正。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(7)其他因素的修正。若目标与背景温差很大，则要考虑辐射与温差间非线性关系；当目标与热像仪不在一个水平面内时，要考虑大气的斜程等。3热像仪扩展源目标视距估算流程(1)按照目标温度TT及其辐射系数ξT、背景温度TB及其辐射系数ξB，计算等效温差ΔTe［式(9-17)］。(2)假定视距为R1，计算相应的大气透过率τa(R1)，估算到达热像仪时的表观温差ΔT＝ΔTe•τa(R1)。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(3)按照要求的观察等级和概率计算对应的等效条带对数ne，结合目标的形状，计算形状修正因子KS［式(9-21)和式(9-22)］，进而按式(9-21)把系统的MRTD修正为MRTDS。(4)以表观温差ΔT从MRTD(N)曲线上，查找相应的空间频率N0，进而换算成空间分辨角θ0。(5)用比值ΔT/NETD，计算相应的信噪比Vs/Vn。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(6)以(Vs/Vn)＝(SNR)修正θ0，得到实际需要的分辨角。这要依据SNR与θ的关系曲线。(O.Neill以一艘船轮廓为目标画等效条带图案，通过实验得到SNR与视角探测所需的角分辨率曲线如图9-13所示，可供视距估算参考)。由此曲线以SNR找到θ/θ0，进而得到θ。(7)由θ计算单条带对应的宽度δ，进而得相应的像方极限尺寸Δ’＝2neδ(9-23)上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价(8)按目标实际极限尺寸Δ、物镜焦距f，计算可以观察的距离R’1R’1＝f•Δ/Δ’(9-2)(9)假定ΔR1=|R’1－R1|不大于允差ΔR，则视距为R1；否则，以R’1

取代前述R1，重复以上过程。为了控制逼近精度，可以调节允差ΔR的大小。以上迭代计算借助专用软件在计算机上进行。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价9.6.5热像仪对点源目标视距之估算当热成像系统探测很远距离的目标(如卫星、导弹等)时，这类目标在系统焦平面上的像很小，以致目标的张角小于或等于系统的瞬时视场，这时称目标为点目标。显然，点目标是一个相对概念，并非目标的实际尺寸就一定很小。在点目标探测情况下，目标细节已不可能探测，但从能量的观点看，只要信号足够大就能够探测到，即要求信噪比达到探测阈值。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价目前，对点目标的视距估算方法有很多种，其间的区别主要是考虑因素的多少。下面主要介绍基于NETD的方法和基于MDTD的方法。1点源目标探测的NETD’在噪声等效温差在NETD的推导中，要求目标的角尺寸W超过系统瞬时视场(α和β)的若干倍，但在点目标探测时，目标像不能充满系统的单个分辨元，因此，必须对NETD进行修正。上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价设目标对系统的实际张角为α’和β’，且α’＜α，β’＜β，而目标只须在α’×β’范围内有辐射贡献，注意到场景面元信噪比与面积平方根成比例这一事实，导致噪声等效温差增大，故此时应把热像仪的NETD修正为NETD’＝(αβ/α’β’)•NETD(9-25)上一页下一页返回9.6热成像系统总体性能评价2目标/背景固有温差ΔT0随大气传播距离R的衰减设目标和背景为辐射系数ξ相同的灰体，其辐射亮度可按照普朗克黑(灰)体辐射方程(第三章)表示为