不同視場地基紅外成像設備定標方法及時機分析

鄒前進，張恒偉，王 東，劉小虎，田壯壯

不同視場地基紅外成像設備定標方法及時機分析

鄒前進，張恒偉，王 東，劉小虎，田壯壯

（63891部隊，河南 洛陽 471003）

目標紅外輻射特性可用于目標特征識別，如何有效獲取目標紅外輻射特性，對目標預警、偵察及隱身效果評估等意義重大。針對當前外場實裝地基紅外成像設備定標參數獲取難題，對近距離擴展面源定標法、平行光管定標法、遠距離擴展面源定標法等3種方法進行了分析，采用上述3種方法對不同視場外場紅外成像設備進行了定標實驗研究，獲得了不同方法下響應參數。針對遠距離擴展面源定標法定標結果隨距離變化情況，設計了不同調焦狀態和工作時長下制冷熱像儀定標實驗。實驗結果顯示紅外成像設備的離焦狀態、工作時長對制冷型紅外成像設備響應參數影響較小。外場定標誤差主要來源于環境雜散輻射、大氣透過率及路徑輻射計算。外場條件下應采用近距離直接擴展點源定標方法對地基紅外成像設備不同航次擇機定標；同時擴展面源定標法定標距離一般不超過10m，響應參數誤差此時相對近距離定標約5%左右。

地基紅外成像設備；響應參數；離焦；工作時長

0 引言

紅外輻射特性是目標自身固有特征之一，掌握目標紅外輻射特性可支撐目標的特征識別，最終實現遠距離目標識別，從而在實戰中占據有利態勢[1-3]。在信息化需求下，紅外輻射數據可以結合相關數據庫技術，建立典型目標及背景的紅外輻射特性數據庫，并對典型目標的紅外輻射規律性進行分析，可用于目標預警、目標偵察識別及目標隱身效果評估等領域，并提供基礎數據[1-4]，因此對多種條件下的目標紅外輻射特性測試需求巨大，需盡可能利用外場條件進行目標紅外輻射特性測試；在一些試驗或訓練中無法使用專用紅外輻射特性測量設備。外場紅外成像設備一般不是專用的紅外輻射特性測量設備，因此何時及采用何種方法對其進行定標，是當前結合外場紅外成像設備實裝目標輻射特性測試面臨的難題。

利用實際外場設備進行目標紅外輻射測量的精度不但與設備自身性能相關，還與外場環境、輻射定標方法、定標時機等因素有關。地基紅外成像設備在對目標進行探測前或后，需要對設備進行定標以確定其響應參數，但常面臨以下問題：外場設備探測距離較遠，定標時對黑體非理想成像，產生離焦模糊；受限于設備結構，設備升高或旋轉式工作等因素，定標時很難完全貼近設備光學系統；實際使用時，定標時機較少。但紅外成像設備響應參數定標方法對提高紅外輻射測量精度十分重要，本文將研究不同定標方法和定標時間下設備響應參數變化，為紅外成像設備的外場應用提供支撐[5-8]。

本文分別采用近距離擴展面源定標法、遠距離擴展面源法和平行光管定標法對地基紅外成像設備響應參數進行了測試，并通過分析和試驗驗證了近距離擴展面源定標法、遠距離擴展面源法在外場適用性及地基紅外成像設備最佳定標時機。

1 定標方法分析及響應參數測試

1.1 定標方法分析

紅外成像設備的成像過程為：目標/背景紅外輻射經大氣以及光學系統傳輸后，會聚到紅外探測器，其探測器輸出的數字圖像灰度與到達探測器的輻射亮度存在線性關系。輻射定標目的是獲取設備響應參數，一般包括響應率和響應偏置等，從而獲得目標輻射與圖像灰度之間定量關系[7-9]。

1.1.1 近距離擴展面源定標法

近距離擴展面源定標法是當前地基紅外成像設備較為常見的定標方法之一。一般是利用發射率高，均勻性好的大面源黑體作為定標源，通常將面源黑體緊貼紅外成像設備的入瞳，一般用于可將面源黑體緊貼紅外成像設備的情況，定標原理如圖1所示。

圖1 近距離擴展面源定標法

分別設置黑體為兩個或多個溫度，計算不同溫度下黑體輻射量與其圖像灰度關系，可以獲得紅外成像設備響應參數，計算公式如下式(1)所示[8,10]，可以看出紅外成像設備圖像灰度與到達探測器的紅外輻射通量存在線性關系。

式中：為黑體圖像灰度；為探測器線性增益；為量子轉化效率；int為積分時間；為普朗克常量；為光速；為探測器接收到的輻射通量；為波段內的響應偏置，包括暗電流、系統的雜散輻射以及反射周圍環境輻射等因素引起的偏置。

到達紅外探測器的紅外輻射通量一般由下式計算：

式中：opt為光學系統透過率；為探測器面積；為光學系統入瞳的口徑；為光學系統的焦距；e為黑體輻射亮度；為入射光線與探測器法線之間夾角。

對于用于遠距離測試的地基紅外成像設備，視場角多為幾度，較小（即cos≈1），不同探測器輻射通量可看作與入射方向無關定量，即單個像元所接受到的輻射通量與入射的輻射亮度e成線性關系。因此紅外成像設備圖像灰度與到達探測器的紅外輻射亮度近似存在線性關系，如式(3)所示。紅外圖像灰度值與黑體不同溫度下輻射量值聯立獲得方程組，利用MATLAB等軟件對上述方程組擬合分析可得到紅外成像設備波段響應參數。

＝e＋(3)

式中：為紅外成像設備波段響應率。

1.1.2 遠距離擴展面源法

遠距離擴展面源法是將面源黑體放置在距離紅外成像設備入瞳一定距離處，獲得紅外成像設備響應參數，一般用于紅外成像設備較高或周掃式紅外成像設備等外場定標情況。由于外場地基紅外成像設備測試對象多為遠距離目標，一般不具備調焦功能；同時黑體面積有限，不能放置太遠，僅限于幾十米以內，設備成非清晰像，定標的原理如圖2所示。

圖2 遠距離擴展面源定標法

當定標用黑體輻射面積無窮大時，遠距離擴展面源定標法單個像元的輻射通量與近距離擴展面源定標法一致；但受限于黑體面積及非理想成像影響，需要考慮光學系統對黑體的彌散；考慮本文定標距離約幾十米內一般可不考慮大氣傳輸影響[10]，并考慮大氣傳輸計算精度多在15%～20%[11-13]，因此在不考慮路徑輻射情況下，各像元的輻射通量為近距離擴展面源定標法輻射通量與路徑透過率及彌散因子的乘積，一般無法直接計算獲得。

1.1.3 平行光管定標法

另外一種較為常見的定標方法是平行光管定標法。一般將黑體置于大口徑平行光管的像面處，實現對黑體均勻擴束，可實現對紅外成像設備定標，一般用于室內定標情況。與近距離擴展源定標不同，該方法在本質上是對黑體出射光實現理想成像。平行光管定標對紅外成像設備定標的原理如圖3所示。

圖3 平行光管定標法

由于平行光管模擬的是無窮遠目標，與上述標準擴展源輻射定標法類似，則探測器各個像元上的輻射通量如下式所示。

式中：opt為平行光管透過率；col為平行光管焦距，一般遠大于成像設備的焦距。

由于大口徑平行光管焦距一般遠大于紅外成像設備焦距，因此單個像元所接受到的輻射通量與入射的輻射亮度也成線性關系；理論上，修正光學系統透過率后兩種定標結果一致。

1.2 紅外成像設備響應參數測試

對地基紅外成像設備響應參數進行了測試，波段范圍3.7～4.8mm，光學系統為透射式，制冷方式為斯特林制冷，探測器規模為640×512，圖像幀頻為50Hz。測試中定標黑體為以色列CI的SR800黑體，輻射面大小約為178mm×178mm，輻射面發射率為0.97±0.01，使用溫度范圍0℃～90℃，溫度精度為±0.02℃（@＜100℃）。分別將溫度設定為5℃～40℃（間隔5℃），結合普朗克公式和黑體表面發射率可以獲得不同溫度下黑體輻射亮度。定標數據處理過程如下：取不同溫度對應圖像中心的部分區域的灰度平均；利用普朗克公式計算不同溫度對應的輻射亮度；對數據剔除異常點后，結合式(3)進行擬合分析，得到地基紅外成像設備響應參數。

1）近距離擴展面源定標法結果

近距離定標結果如圖4所示，設備大視場響應參數值約為1056，值約為21002。設備小視場響應參數值約為780，值約為24540，對灰度異常點增加點剔除后響應參數值約為704，值約為25345；分析圖像發現，由于黑體輻射面積無法完全覆蓋紅外成像設備入瞳，受限于設備結構，黑體無法完全貼合光學系統，操作等晃動導致出現高溫點數據偏大。

圖4 近距離擴展面源定標法定標結果

2）遠距離擴展面源定標法定標結果

紅外成像設備遠距離擴展面源定標結果如圖5所示。設備大視場10m、20m、40m、60m響應參數約為：998、976、940、920；響應參數約為21774、21954、22214、22464。小視場響應參數約為687、673、658、646；響應參數為25493、25569、25682、25802。

圖5 遠距離擴展面源定標法定標結果

3）平行光管定標法結果

平行光管焦距約為3m，出口直徑約為400mm，全波段透過率約為0.95。結合公式(3)和(4)，修正平行光管透過率后，定標結果如圖6所示。設備大視場響應參數值約為1044，值約為26834；小視場響應參數值約為695，值約為25392。

圖6 平行光管定標結果

2 定標結果分析及驗證

根據定標方法分析可知，當設備探測目標距離較遠，本身對定標黑體非理想成像，產生離焦模糊；同時由于遠距離情況下黑體未充滿視場，特別是本文中當定標距離大于40m后成像像素規模小于6×6，背景輻射以雜散輻射的形式進入視場，將影響最終定標結果[11-12]。在不考慮其他影響因素的條件下，分析紅外成像設備下離焦對最終響應參數的影響。由圖2及牛頓成像公式可得離焦量引起的彌散斑如下式所示：

式中：為彌散斑半徑；為紅外成像設備口徑；為離焦量；為紅外成像設備焦距；為黑體到達紅外成像設備距離。

理論上彌散斑內呈二維高斯分布，如下式所示：

式中：，為成像像素位置。

因此黑體可看作呈高斯分布無數點光源的集合。即模糊圖像的每一個像素點為清晰圖像的每一個像素點與點擴散函數做卷積。假設黑體成像于圖像中心處，設背景25℃為均勻，目標溫度為40℃。對5m和10m定標距離下黑體成像輻射進行了計算，如圖7所示。可知，隨著距離的增加，成像面積減小，目標的彌散程度也減小；目標彌散主要影響的是圖像的邊緣部分。如定標時距離控制在5～10m內，雖然彌散程度較大，但是黑體在探測器上的成像為面目標大于30×30個像素，定標選取黑體圖像中心3×3區域灰度平均，非清晰成像的彌散并不影響黑體本身到達探測器像面的紅外輻射，因此紅外成像設備的遠距離響應參數變化主要來自于環境輻射雜散。

圖7 5m and 10m離焦仿真結果示意圖

為驗證上述分析結果，設計了可調焦紅外熱像儀定標試驗。實驗時首先使得熱像儀對無窮遠目標成像，定標獲得熱像儀最大離焦狀態下響應參數；手動調整熱像儀離焦量，在不同調焦圈數情況下定標獲得不同離焦狀態下響應參數；調節光學系統確保面源黑體清晰成像，獲得清晰成像下響應參數。

熱像儀型號為ImageIR 8300，波段為3.7～4.8mm，光學系統為透射式，探測器為斯特林制冷，探測器規模為640×512，焦平面大小約為9.6mm×7.68mm，實驗積分時間為1.65ms。定標黑體與上文一致，定標距離設置為5m和10m，黑體溫度設置在10℃～40℃范圍內，以10℃為間隔，系統調焦情況由聚焦于無窮遠到黑體成清晰像，每個定標距離獲取4種調焦狀態，總共獲取32組數據，每組數據中含有100幀紅外圖像。5m和10m不同定標距離下不同調焦狀態的響應參數如表1所示。

表1 定標距離為5m和10m時響應參數結果

10m距離下不同離焦狀態下熱像儀實測紅外圖像如圖8所示。

圖8 10m定標距離不同離焦狀態的紅外圖像

由表1可以看出遠距離擴展面源定標方法下，不同的調焦狀態對響應參數影響不大，響應參數誤差小于1%。說明一定距離擴展面源定標下，不同的離焦狀態對響應參數影響不大，實驗數據和理論分析是一致的。

同時設計實驗，驗證了該熱像儀自身輻射對響應參數的影響。設置紅外熱像儀成像于無窮遠，熱像儀的工作時長為開機后為10min、40min、80min、110min；面源黑體溫度設置在10℃～40℃范圍內，以10℃為間隔，采用直接擴展源定標方法，獲取紅外熱像儀不同時間下響應參數。試驗共獲取了16組數據，每組數據中含有100幀紅外圖像，紅外熱像儀響應參數隨時間變化見圖9。

圖9 不同時長下響應參數變化示意圖

在實驗室環境溫度變化較小的條件下，制冷型紅外熱像儀的定標響應參數隨工作時間變化小于0.2%。因此，定標誤差主要受限于環境雜散輻射、不同距離下大氣透過率及路徑輻射的精確計算，應盡量避免。

綜上，紅外成像設備的響應參數與設備所處環境溫度、光學系統溫度、面源黑體、定標方法和背景輻射等存在一定關系。在利用外場紅外成像設備進行目標特性測試時，一般盡可能對每個航次均進行定標。對同一航次紅外成像設備進行定標時，環境溫度基本不變，設備光學系統溫度、探測器溫度等基本一致，單航次定標結果主要與背景輻射有關，應盡量降低背景輻射影響。

考慮實際情況在外場應盡可能采用近距離直接擴展點源定標方法對地基紅外成像設備進行定標；同時建議考慮高于環境溫度段進行定標，以減少背景輻射在最終到達紅外探測器輻射比例，提高定標精度。受限于地基紅外成像設備結構，無法利用直接擴展點源方法時，可采用遠距離擴展面源定標法，需要輻射面較大的面源黑體，距離一般不應超過10m，此時響應率誤差較近距離定標一般可控制在5%以內。對于平行光管定標法，其數據穩定，一致性好，但當前國內無可在外場使用的定標用平行光管，平行光管定標結果可作為外場定標結果的參考值。

3 結論

對不同視場地基紅外成像設備定標方法進行了試驗研究和分析。試驗表明：在外場盡可能使用近距離擴展面源定標法獲取設備響應參數；對于制冷型紅外成像設備，在同一航次采用測量前還是測量后定標差異較小，應根據實際情況確定。當受限于外場設備結構，升降式或周掃式等紅外成像設備不適用近距離擴展面源定標法時，可在成像像素規模大于30×30時，采用遠距離擴展面源定標法，定標距離盡可能靠近成像設備，并盡量采用高溫段對設備進行定標；紅外成像設備在赴外前應進行不同溫度下室內平行光管定標，以獲得設備在不同溫度的響應參數參考值，“內場實驗室定標＋外場復核”的方法開展可有效提高紅外成像設備定標響應參數可信度，為外場條件目標紅外輻射特性測試提供支撐。研究結果外場地基紅外成像設備目標紅外輻射特性測試、定標應用及技術改造，以及相關紅外目標特性測量系統定標設備研制具有一定參考意義。

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Analysis of Calibration Method and Occasion of Ground-based Infrared Imaging Equipments with Different FOVs

ZOU Qianjin，ZHANG Hengwei，WANG Dong，LIU Xiaohu，TIAN Zhuangzhuang

(No. 63891 Troops of PLA, Luoyang 471003, China)

We can use the infrared radiation characteristics of a target for target recognition. Data on infrared radiation characteristics obtained by out-field infrared imaging equipment is significant in evaluating early warning, reconnaissance, and stealth effects. It is difficult to obtain the response coefficients of out-field infrared imaging equipment. We introduced and compared radiometric calibration methods using a collimator and an extended-area blackbody. We conducted experiments using different calibration methods and then provided response coefficients of the out-field infrared imaging equipment. The long-distance radiometric calibration results showed different response coefficients at different distances. An infrared imaging system conducted calibration experiments with different working times and fusions. The radiometric out-of-focus calibration results showed that diffusion is not the main factor influencing calibration. Calibration experiments for different working times also showed that the response coefficients remained unchanged. The factors affecting the radiometric calibration of the out-field infrared imaging equipment are environmental radiation, path radiation, and path transmission. Short-distance radiometric calibration using an extended-area blackbody is necessary to obtain the response coefficients of the out-field infrared imaging equipment. If the radiometric calibration distance is less than 10 m, the error between the short- and long-distance radiometric calibrations is approximately 5%. This research helps out-field radiometric calibration of ground-based infrared imaging equipment and designs a radiometric calibration–measuring system.

ground-based infrared imaging equipment, response coefficient, diffusion, working time

P422

A

1001-8891(2023)11-1236-06

2022-06-10；

2022-07-20.

鄒前進（1982-），男，碩士，高級工程師，從事光電對抗方面研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com。