利用大气修正因子提高目标红外辐射特性测量精度

郭立红，郭汉洲,2*,杨词银，李　宁

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)



利用大气修正因子提高目标红外辐射特性测量精度

郭立红1，郭汉洲1,2*,杨词银1，李宁1

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)

提出了利用大气修正因子修正大气透过率来提高测量目标红外辐射特性精度的方法。建立了目标红外辐射特性测量模型，给出了基于大气修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将短距离大气透过率实测结果和MODTRAN模拟计算的大气透过率之比定义为基础大气修正因子，然后依据长距离与短距离的不同数量关系得到增强大气修正因子，最后利用该因子对MODTRAN计算的长距离大气透过率进行修正并进行目标的辐射反演，从而获得目标辐射特性。 对中波红外摄像机进行了定标，利用中波红外摄像机和面源黑体开展了目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明，利用大气修正因子修正大气透过率的目标辐射测量方法得到的目标辐射特性测量精度在8%左右， 高于传统的利用MODTRAN计算方法得到的20%的测量精度。得到的结果显示本文方法较传统方法较大程度地提高了目标辐射特性测量精度。

大气修正因子；大气透过率；红外摄像机；红外辐射特性测量；测量精度

*Correspondingauthor,E-mail:guohanzhou1@163.com

1　引　言

目标红外辐射特性测量可以提供目标辐射温度、辐射亮度、辐射强度和辐射谱特征等重要参数，从而为设备的目标探测与识别能力分析提供依据，所以是设计、论证、武器系统研制的重要环节[1]。无论是敌方目标的红外侦查和跟踪制导，还是我方目标的红外隐身和仿真，都需要目标红外辐射特性作为依据[2]，因此，测量和研究目标红外辐射特性是一项既基础又重要的工作[3-4]。

目标红外辐射特性的获取方法主要有仿真计算和实际测量。前者不受实验环境和成本的限制，得到了广泛应用，但是其有效性和准确性无法得到验证，只能作为辅助手段；后者是直接获取目标真实红外辐射特性的唯一手段，也是本文使用的测量方法[5]。

目标红外辐射特性的测量步骤如下：

(1)进行红外辐射特性测量系统的辐射定标，目的是确定红外辐射特性测量系统的辐射响应度；

(2)利用红外辐射特性测量系统测量目标，得到目标辐射特性数据，并获得当前大气环境的大气透过率和大气程辐射；

(3)根据辐射响应度、大气透过率和大气程辐射等数据反演计算得到被测量目标的红外辐射特性数据。

其中，大气透过率和大气程辐射是先通过大气观测设备得到一些大气参数，然后输入大气辐射传输计算软件计算得到的，精度一般为20%左右，不过气象条件比较恶劣的情况下测量精度会下降10%左右，由此导致目标红外辐射特性的测量精度在20%～30%左右[6]。

本文将短距离实际测量的大气透过率和大气辐射传输计算软件计算的大气透过率之比定义为基础大气修正因子，依据长距离与短距离的不同数量关系改变基础大气修正因子得到增强大气修正因子，借此修正长距离的大气辐射传输计算软件计算的大气透过率，提高大气透过率的测量精度。然后利用长距离修正后的大气透过率校正目标的红外辐射特性测量数据，提高目标辐射特性的测量精度。

2　目标红外辐射特性测量模型

在测量目标红外辐射特性时，要考虑到测量系统和被测目标之间的大气影响。大气中的分子和气溶胶粒子等对来自目标的红外辐射进行散射和吸收，同时大气自身辐射也会与目标辐射相叠加。因此，目标的红外辐射测量模型为[7]：

DN=α[τaLt+Lpath]+DN0,

(1)

式中:DN为红外摄像机的测量输出值，α为红外摄像机的辐亮度响应度，τa为被测目标和红外摄像机之间的大气透过率，Lt为被测目标的辐亮度，Lpath为被测目标与红外摄像机之间的大气程辐射，DN0是由红外摄像机自身热辐射和背景辐射等因素引起的偏置值。

根据式(1)进行辐射反演得到目标的辐亮度为：

(2)

式中:α和DN0是通过红外摄像机的辐射定标获得的系统参数值;大气透过率τa和大气程辐射Lpath是利用大气观测设备测量大气参数，然后输入到大气辐射传输计算软件中计算得到的。

根据式(2)可知，目标辐亮度Lt的反演精度取决于红外摄像机的测量输出值DN、红外摄像机偏置值DN0、红外摄像机辐亮度响应度α、大气程辐射Lpath以及大气透过率τa的不确定度。根据前人在相关方面的研究和总结，不确定度分析如下：

(1)红外摄像机的测量输出值DN的不确定度优于1%；

(2)红外摄像机偏置值DN0在常温下的不确定度为2%左右；

(3)红外摄像机辐亮度响应度α的不确定度一般可控制在5%左右；

(4)大气程辐射Lpath以及大气透过率τa的不确定度主要取决于大气参数的测量精度，一般在20%左右。

由以上分析可知，目标红外辐射的测量精度在22%左右，影响最大的因素为大气程辐射Lpath以及大气透过率τa。

3　利用大气修正因子的红外辐射特性测量方法

在距离红外摄像机R0处设置一个黑体。将黑体分别设置在低工作温度TL和高工作温度TH，利用红外摄像机分别测量两种温度下的黑体，得到测量输出值DNL和DNH[8]：

DNL=α[τR0LL+LR0]+DN0,

(3)

DNH=α[τR0LH+LR0]+DN0,

(4)

其中：α为红外摄像机的辐亮度响应度，τRa为被测黑体和红外摄像机之间的大气透过率，LL和LH分别为低工作温度TL和高工作温度TH下的黑体辐亮度，LR0为被测黑体与红外摄像机之间的大气程辐射，DN0是由红外摄像机自身热辐射和背景辐射等因素引起的偏置值。

根据式(3)和式(4)计算得到实际测量的大气透过率为：

(5)

(6)

根据式(6)进一步得到增强大气修正因子CH：

CH=0.99[log2(RH/R0)+0.5]×C0,

(7)

其中：RH为被测目标与红外摄像机之间的距离，[ ]表示取整。

在测量距离为RH的目标时，先用大气辐射传输计算软件计算出当前大气环境条件下距离RH的理论大气透过率τRH，再乘以增强大气修正因子，得到修正后的大气透过率τRH：

(8)

由此利用式(2)进行辐射反演得到目标的辐亮度。根据式(5)，短距离实际测量的大气透过率τR0的测量精度取决于红外摄像机辐亮度响应度α、红外摄像机测量高温黑体的输出值DNH和测量低温黑体的输出值DNL、高温黑体辐亮度LH和低温黑体辐亮度LL的不确定度，具体分析如下：

(1)红外摄像机辐亮度响应度的不确定度一般可控制在5%左右；

(2)红外摄像机的测量输出值DN的不确定度优于1%；

(3)黑体辐亮度LL和LH的不确定度一般可控制在2%左右。

由此可知，短距离实际测量大气透过率的测量精度在5.9%左右。

根据式(6)、式(7)和式(8)，长距离修正后的大气透过率τRH的测量精度取决于距离R0的实际测量大气透过率和理论大气透过率τR0、距离RH的理论大气透过率τRH，黑体和红外摄像机之间的距离R0、被测目标与红外摄像机之间的距离RH的不确定度，具体分析如下：

(1)实际测量大气透过率τR0的不确定度在5.9%左右；

(2)距离R0和RH的测量精度分别在1%左右；

(3)理论大气透过率τR0和τRH的不确定度取决于距离R0,RH以及大气辐射传输计算软件的计算精度。综合可知，不确定度分别在3.2%左右。

由此可知，长距离修正后的大气透过率的测量精度在7.6%左右。

根据式(2)，利用长距离修正后的大气透过率对目标进行辐射反演的精度在17.7%左右，优于传统的大气透过率辐射反演的精度。

4　外场测量实验

4.1红外摄像机辐射定标

本文选取中波红外摄像机作为红外辐射特性测量系统。测量之前需要先对中波红外摄像机进行辐射定标，确定红外摄像机的辐射响应度。采用ISDC IRl50 面源黑体作为辐射定标的标准辐射源。红外摄像机辐射定标模型如下[9-10]：

DN=α·L+DN0,

(9)

式中：DN为红外摄像机的测量输出值，α为待定标的红外摄像机的辐亮度响应度，L是面源黑体在红外摄像机测量波段(3.7～4.8 μm)内的辐亮度，DN0是由红外摄像机自身热辐射和背景辐射等因素引起的偏置值。黑体的辐亮度通过普朗克公式计算[11-13]，即：

(10)

式中:λ1,λ2为红外摄像机的测量波段，ε为黑体发射率，T为黑体工作温度，c1和c2分别为第一、第二辐射常数[14]。c1,c2分别为：

c1=3.741 771 790(46)×10-16，

c2=1.438 777 36(83)×10-2.

表1、表2分别给出了中波红外摄像机和ISDC IRl50面源黑体的技术参数。

表1　中波红外摄像机的技术参数

表2　ISDC IRl50面源黑体的技术参数

通过改变面源黑体的温度，得到不同的黑体辐亮度值L，中波红外摄像机测量面源黑体得到不同的测量输出值DN。设定积分时间为2.5 ms。图1是中波红外摄像机的辐射定标结果，横坐标代表面源黑体的辐亮度L，纵坐标代表红外摄像机测量输出值DN。

图1　中波红外摄像机的辐射定标结果Fig.1　Result of radiation calibration of medium wave infrared camera

根据式(9)，利用最小二乘法对中波红外摄像机的辐射定标结果进行线性拟合，得到中波红外摄像机的辐亮度响应关系为：

DN=2 372×L+2 425.

(11)

4.2目标红外辐射特性测量实验

为了验证本文方法在实际测量中的可行性，利用前文已经标定好的中波红外摄像机对目标进行红外辐射特性测量实验。首先，将参考辐射源ISDC IRl50 面源黑体放置在距离中波红外摄像机200 m处进行测量，以获得大气透过率。中波红外摄像机的积分时间为2.5 ms，面源黑体的温度分别设置在45 ℃和60 ℃，对应的辐亮度分别为LL和LH，红外摄像机对面源黑体的测量输出值分别为DNL和DNH。表3给出了200 m处面源黑体的中波红外摄像机测量结果。图2是200 m处中波红外摄像机得到的面源黑体图像。

表3　200 m处面源黑体的中波红外摄像机测量结果

图2　200 m处中波红外摄像机得到的面源黑体图像 Fig.2　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at 200 m

根据式(5)和式(11)，由表3的数据可以得到200 m处实际的大气透过率为：

(12)

实验期间的大气坏境温度为-4 ℃，相对湿度为40%，长春地区海拔210 m，能见度为10 km。根据以上大气参数，利用大气辐射传输计算软件MODTRAN计算理论大气透过率为：

(13)

根据式(6)得到基础大气修正因子为：

(14)

根据式(7)获得距离分别为391 m和810 m的增强大气修正因子为：

C391=0.99[log2(391/200)+0.5]×0.893=0.884,

(15)

C810=0.99[log2(810/200)+0.5]×0.893=0.875.

(16)

利用大气辐射传输计算软件MODTRAN计算距离为391 m和810 m的大气透过率τRH和大气程辐射LRH。之后根据式(8)计算得到修正后的大气透过率τRH。表4给出了各测量距离下利用MODTRAN计算得到的大气透过率和修正后的大气透过率。

表4　各测量距离下利用MODTRAN计算的大气透过率和修正后的大气透过率

将面源黑体作为被测目标分别放置在391 m和810 m处，对黑体设置不同的温度，利用中波红外摄像机测量目标黑体，得到红外摄像机的测量输出值。根据式(2)，利用大气辐射传输计算软件MODTRAN计算的大气透过率对目标黑体进行辐射反演，得到辐亮度图3为长距离下中波红外摄像机得到的目标黑体图像。表5给出了利用MODTRAN计算的大气透过率的目标辐亮度反演结果。根据式(2)，利用修正后的大气透过率对目标黑体进行辐射反演，得到辐亮度值Lt。表6给出了长距离利用修正后的大气透过率进行目标辐亮度反演的结果。

表5　利用MODTRAN计算的大气透过率进行目标辐亮度反演的结果

图3　长距离下中波红外摄像机得到的目标黑体图像Fig.3　Image of black body captured by mid-wave infrared camera at a long distance

对比表5和表6可知，利用经过增强大气修正因子修正后的大气透过率对目标进行辐射反演的精度，优于利用MODTRAN计算的大气透过率对目标进行辐射反演的精度，反演精度由20%左右提高到8%左右。

表6　利用长距离修正后的大气透过率的目标辐亮度反演结果

5　结　论

本文利用中波红外摄像机和ISDC IRl50 面源黑体开展了目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明，与利用MODTRAN计算的大气透过率的目标辐射测量方法相比，本文利用经过增强大气修正因子修正后的大气透过率的目标辐射测量方法可将测量精度由20%左右提高到8%左右。

由于本文所进行的实验的大气环境为水平大气，且测试距离较近，所以该测量方法的适用环境为水平大气近距离情况。由于实验室拥有的最大面源黑体尺寸是300 mm×300 mm， 中波红外摄像机的单元探测器的瞬时视场最小是0.075 mrad×0.075 mrad，因而无法开展更远距离的目标辐射特性测量。今后将购置新的实验器材，并改善实验条件，开展更远距离的目标辐射特性测量实验，进一步验证本文提出方法的有效性。本文计算增强大气修正因子的模型较为简单，获得目标红外辐射特性的增强大气修正因子的精确度不高。今后将完善增强大气修正因子计算模型，采用二次或更高次曲线模型，获得更精确的增强大气修正因子，从而进一步提高目标红外辐射特性的测量精度。

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郭立红(1964-)，女，吉林舒兰人，研究员，博士生导师，1986年于长春光学机械学院获得学士学位，1998年、2003年于中科院长春光学精密机械与物理研究所分别获得硕士、博士学位，主要从事光电对抗装备的总体设计。E-mail:guolh@ciomp.ac.cn

郭汉洲(1990-)，男，吉林长春人，硕士研究生，2014年于长春理工大学获得学士学位，主要从事红外目标特性测量与辐射定标等方面的研究。E-mail:guohanzhou1@163.com

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Improvement of radiation measurement precision for target by using atmosphere-corrected coefficients

GUO Li-hong1, GUO Han-zhou1,2*,YANG Ci-yin1, Li Ning1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

A method to improve the infrared radiation measurement precision of a target based on correcting atmospheric transmittance by using an atmosphere-corrected coefficient was proposed. A measuring model of infrared radiation characteristics for the target was established, and the measuring method of the infrared radiation characteristics for the target was given. The method defines the ratio between the really-measured atmospheric transmittance at a short distance and the calculated one by using MODTRAN as an atmosphere-corrected coefficient. Then, it obtains the enhanced atmosphere-corrected coefficient according to the different quantitative relationships between the short distance and other distance. Finally, it uses the enhanced atmosphere-corrected coefficient to correct the long distance atmospheric transmittance and to invert the radiation of the target, so that to obtain the radiation characteristics of the target. A middle wavelength infrared camera was calibrated and the measuring experiment of the infrared radiation characteristics for the target was carried out by the middle wavelength infrared camera and a black body. The results show that the radiation measurement precision obtained by using MODTRAN is about 20% and that obtained by the proposed method is about 8%. It demonstrates that the radiation measurement precision has improved greatly as comparing with that of the conventional method.

atmosphere-corrected coefficient; atmospheric transmittance; infrared camera; infrared radiation measurement； measurement precision

2015-12-07；

2016-02-01.

国家自然科学基金资助项目(No.61205143)

1004-924X(2016)08-1871-07

TP732.2；TN215

A

10.3788/OPE.20162408.1871