不同视场地基红外成像设备定标方法及时机分析

邹前进，张恒伟，王 东，刘小虎，田壮壮

不同视场地基红外成像设备定标方法及时机分析

邹前进，张恒伟，王 东，刘小虎，田壮壮

（63891部队，河南 洛阳 471003）

目标红外辐射特性可用于目标特征识别，如何有效获取目标红外辐射特性，对目标预警、侦察及隐身效果评估等意义重大。针对当前外场实装地基红外成像设备定标参数获取难题，对近距离扩展面源定标法、平行光管定标法、远距离扩展面源定标法等3种方法进行了分析，采用上述3种方法对不同视场外场红外成像设备进行了定标实验研究，获得了不同方法下响应参数。针对远距离扩展面源定标法定标结果随距离变化情况，设计了不同调焦状态和工作时长下制冷热像仪定标实验。实验结果显示红外成像设备的离焦状态、工作时长对制冷型红外成像设备响应参数影响较小。外场定标误差主要来源于环境杂散辐射、大气透过率及路径辐射计算。外场条件下应采用近距离直接扩展点源定标方法对地基红外成像设备不同航次择机定标；同时扩展面源定标法定标距离一般不超过10m，响应参数误差此时相对近距离定标约5%左右。

地基红外成像设备；响应参数；离焦；工作时长

0 引言

红外辐射特性是目标自身固有特征之一，掌握目标红外辐射特性可支撑目标的特征识别，最终实现远距离目标识别，从而在实战中占据有利态势[1-3]。在信息化需求下，红外辐射数据可以结合相关数据库技术，建立典型目标及背景的红外辐射特性数据库，并对典型目标的红外辐射规律性进行分析，可用于目标预警、目标侦察识别及目标隐身效果评估等领域，并提供基础数据[1-4]，因此对多种条件下的目标红外辐射特性测试需求巨大，需尽可能利用外场条件进行目标红外辐射特性测试；在一些试验或训练中无法使用专用红外辐射特性测量设备。外场红外成像设备一般不是专用的红外辐射特性测量设备，因此何时及采用何种方法对其进行定标，是当前结合外场红外成像设备实装目标辐射特性测试面临的难题。

利用实际外场设备进行目标红外辐射测量的精度不但与设备自身性能相关，还与外场环境、辐射定标方法、定标时机等因素有关。地基红外成像设备在对目标进行探测前或后，需要对设备进行定标以确定其响应参数，但常面临以下问题：外场设备探测距离较远，定标时对黑体非理想成像，产生离焦模糊；受限于设备结构，设备升高或旋转式工作等因素，定标时很难完全贴近设备光学系统；实际使用时，定标时机较少。但红外成像设备响应参数定标方法对提高红外辐射测量精度十分重要，本文将研究不同定标方法和定标时间下设备响应参数变化，为红外成像设备的外场应用提供支撑[5-8]。

本文分别采用近距离扩展面源定标法、远距离扩展面源法和平行光管定标法对地基红外成像设备响应参数进行了测试，并通过分析和试验验证了近距离扩展面源定标法、远距离扩展面源法在外场适用性及地基红外成像设备最佳定标时机。

1 定标方法分析及响应参数测试

1.1 定标方法分析

红外成像设备的成像过程为：目标/背景红外辐射经大气以及光学系统传输后，会聚到红外探测器，其探测器输出的数字图像灰度与到达探测器的辐射亮度存在线性关系。辐射定标目的是获取设备响应参数，一般包括响应率和响应偏置等，从而获得目标辐射与图像灰度之间定量关系[7-9]。

1.1.1 近距离扩展面源定标法

近距离扩展面源定标法是当前地基红外成像设备较为常见的定标方法之一。一般是利用发射率高，均匀性好的大面源黑体作为定标源，通常将面源黑体紧贴红外成像设备的入瞳，一般用于可将面源黑体紧贴红外成像设备的情况，定标原理如图1所示。

图1 近距离扩展面源定标法

分别设置黑体为两个或多个温度，计算不同温度下黑体辐射量与其图像灰度关系，可以获得红外成像设备响应参数，计算公式如下式(1)所示[8,10]，可以看出红外成像设备图像灰度与到达探测器的红外辐射通量存在线性关系。

式中：为黑体图像灰度；为探测器线性增益；为量子转化效率；int为积分时间；为普朗克常量；为光速；为探测器接收到的辐射通量；为波段内的响应偏置，包括暗电流、系统的杂散辐射以及反射周围环境辐射等因素引起的偏置。

到达红外探测器的红外辐射通量一般由下式计算：

式中：opt为光学系统透过率；为探测器面积；为光学系统入瞳的口径；为光学系统的焦距；e为黑体辐射亮度；为入射光线与探测器法线之间夹角。

对于用于远距离测试的地基红外成像设备，视场角多为几度，较小（即cos≈1），不同探测器辐射通量可看作与入射方向无关定量，即单个像元所接受到的辐射通量与入射的辐射亮度e成线性关系。因此红外成像设备图像灰度与到达探测器的红外辐射亮度近似存在线性关系，如式(3)所示。红外图像灰度值与黑体不同温度下辐射量值联立获得方程组，利用MATLAB等软件对上述方程组拟合分析可得到红外成像设备波段响应参数。

＝e＋(3)

式中：为红外成像设备波段响应率。

1.1.2 远距离扩展面源法

远距离扩展面源法是将面源黑体放置在距离红外成像设备入瞳一定距离处，获得红外成像设备响应参数，一般用于红外成像设备较高或周扫式红外成像设备等外场定标情况。由于外场地基红外成像设备测试对象多为远距离目标，一般不具备调焦功能；同时黑体面积有限，不能放置太远，仅限于几十米以内，设备成非清晰像，定标的原理如图2所示。

图2 远距离扩展面源定标法

当定标用黑体辐射面积无穷大时，远距离扩展面源定标法单个像元的辐射通量与近距离扩展面源定标法一致；但受限于黑体面积及非理想成像影响，需要考虑光学系统对黑体的弥散；考虑本文定标距离约几十米内一般可不考虑大气传输影响[10]，并考虑大气传输计算精度多在15%～20%[11-13]，因此在不考虑路径辐射情况下，各像元的辐射通量为近距离扩展面源定标法辐射通量与路径透过率及弥散因子的乘积，一般无法直接计算获得。

1.1.3 平行光管定标法

另外一种较为常见的定标方法是平行光管定标法。一般将黑体置于大口径平行光管的像面处，实现对黑体均匀扩束，可实现对红外成像设备定标，一般用于室内定标情况。与近距离扩展源定标不同，该方法在本质上是对黑体出射光实现理想成像。平行光管定标对红外成像设备定标的原理如图3所示。

图3 平行光管定标法

由于平行光管模拟的是无穷远目标，与上述标准扩展源辐射定标法类似，则探测器各个像元上的辐射通量如下式所示。

式中：opt为平行光管透过率；col为平行光管焦距，一般远大于成像设备的焦距。

由于大口径平行光管焦距一般远大于红外成像设备焦距，因此单个像元所接受到的辐射通量与入射的辐射亮度也成线性关系；理论上，修正光学系统透过率后两种定标结果一致。

1.2 红外成像设备响应参数测试

对地基红外成像设备响应参数进行了测试，波段范围3.7～4.8mm，光学系统为透射式，制冷方式为斯特林制冷，探测器规模为640×512，图像帧频为50Hz。测试中定标黑体为以色列CI的SR800黑体，辐射面大小约为178mm×178mm，辐射面发射率为0.97±0.01，使用温度范围0℃～90℃，温度精度为±0.02℃（@＜100℃）。分别将温度设定为5℃～40℃（间隔5℃），结合普朗克公式和黑体表面发射率可以获得不同温度下黑体辐射亮度。定标数据处理过程如下：取不同温度对应图像中心的部分区域的灰度平均；利用普朗克公式计算不同温度对应的辐射亮度；对数据剔除异常点后，结合式(3)进行拟合分析，得到地基红外成像设备响应参数。

1）近距离扩展面源定标法结果

近距离定标结果如图4所示，设备大视场响应参数值约为1056，值约为21002。设备小视场响应参数值约为780，值约为24540，对灰度异常点增加点剔除后响应参数值约为704，值约为25345；分析图像发现，由于黑体辐射面积无法完全覆盖红外成像设备入瞳，受限于设备结构，黑体无法完全贴合光学系统，操作等晃动导致出现高温点数据偏大。

图4 近距离扩展面源定标法定标结果

2）远距离扩展面源定标法定标结果

红外成像设备远距离扩展面源定标结果如图5所示。设备大视场10m、20m、40m、60m响应参数约为：998、976、940、920；响应参数约为21774、21954、22214、22464。小视场响应参数约为687、673、658、646；响应参数为25493、25569、25682、25802。

图5 远距离扩展面源定标法定标结果

3）平行光管定标法结果

平行光管焦距约为3m，出口直径约为400mm，全波段透过率约为0.95。结合公式(3)和(4)，修正平行光管透过率后，定标结果如图6所示。设备大视场响应参数值约为1044，值约为26834；小视场响应参数值约为695，值约为25392。

图6 平行光管定标结果

2 定标结果分析及验证

根据定标方法分析可知，当设备探测目标距离较远，本身对定标黑体非理想成像，产生离焦模糊；同时由于远距离情况下黑体未充满视场，特别是本文中当定标距离大于40m后成像像素规模小于6×6，背景辐射以杂散辐射的形式进入视场，将影响最终定标结果[11-12]。在不考虑其他影响因素的条件下，分析红外成像设备下离焦对最终响应参数的影响。由图2及牛顿成像公式可得离焦量引起的弥散斑如下式所示：

式中：为弥散斑半径；为红外成像设备口径；为离焦量；为红外成像设备焦距；为黑体到达红外成像设备距离。

理论上弥散斑内呈二维高斯分布，如下式所示：

式中：，为成像像素位置。

因此黑体可看作呈高斯分布无数点光源的集合。即模糊图像的每一个像素点为清晰图像的每一个像素点与点扩散函数做卷积。假设黑体成像于图像中心处，设背景25℃为均匀，目标温度为40℃。对5m和10m定标距离下黑体成像辐射进行了计算，如图7所示。可知，随着距离的增加，成像面积减小，目标的弥散程度也减小；目标弥散主要影响的是图像的边缘部分。如定标时距离控制在5～10m内，虽然弥散程度较大，但是黑体在探测器上的成像为面目标大于30×30个像素，定标选取黑体图像中心3×3区域灰度平均，非清晰成像的弥散并不影响黑体本身到达探测器像面的红外辐射，因此红外成像设备的远距离响应参数变化主要来自于环境辐射杂散。

图7 5m and 10m离焦仿真结果示意图

为验证上述分析结果，设计了可调焦红外热像仪定标试验。实验时首先使得热像仪对无穷远目标成像，定标获得热像仪最大离焦状态下响应参数；手动调整热像仪离焦量，在不同调焦圈数情况下定标获得不同离焦状态下响应参数；调节光学系统确保面源黑体清晰成像，获得清晰成像下响应参数。

热像仪型号为ImageIR 8300，波段为3.7～4.8mm，光学系统为透射式，探测器为斯特林制冷，探测器规模为640×512，焦平面大小约为9.6mm×7.68mm，实验积分时间为1.65ms。定标黑体与上文一致，定标距离设置为5m和10m，黑体温度设置在10℃～40℃范围内，以10℃为间隔，系统调焦情况由聚焦于无穷远到黑体成清晰像，每个定标距离获取4种调焦状态，总共获取32组数据，每组数据中含有100帧红外图像。5m和10m不同定标距离下不同调焦状态的响应参数如表1所示。

表1 定标距离为5m和10m时响应参数结果

10m距离下不同离焦状态下热像仪实测红外图像如图8所示。

图8 10m定标距离不同离焦状态的红外图像

由表1可以看出远距离扩展面源定标方法下，不同的调焦状态对响应参数影响不大，响应参数误差小于1%。说明一定距离扩展面源定标下，不同的离焦状态对响应参数影响不大，实验数据和理论分析是一致的。

同时设计实验，验证了该热像仪自身辐射对响应参数的影响。设置红外热像仪成像于无穷远，热像仪的工作时长为开机后为10min、40min、80min、110min；面源黑体温度设置在10℃～40℃范围内，以10℃为间隔，采用直接扩展源定标方法，获取红外热像仪不同时间下响应参数。试验共获取了16组数据，每组数据中含有100帧红外图像，红外热像仪响应参数随时间变化见图9。

图9 不同时长下响应参数变化示意图

在实验室环境温度变化较小的条件下，制冷型红外热像仪的定标响应参数随工作时间变化小于0.2%。因此，定标误差主要受限于环境杂散辐射、不同距离下大气透过率及路径辐射的精确计算，应尽量避免。

综上，红外成像设备的响应参数与设备所处环境温度、光学系统温度、面源黑体、定标方法和背景辐射等存在一定关系。在利用外场红外成像设备进行目标特性测试时，一般尽可能对每个航次均进行定标。对同一航次红外成像设备进行定标时，环境温度基本不变，设备光学系统温度、探测器温度等基本一致，单航次定标结果主要与背景辐射有关，应尽量降低背景辐射影响。

考虑实际情况在外场应尽可能采用近距离直接扩展点源定标方法对地基红外成像设备进行定标；同时建议考虑高于环境温度段进行定标，以减少背景辐射在最终到达红外探测器辐射比例，提高定标精度。受限于地基红外成像设备结构，无法利用直接扩展点源方法时，可采用远距离扩展面源定标法，需要辐射面较大的面源黑体，距离一般不应超过10m，此时响应率误差较近距离定标一般可控制在5%以内。对于平行光管定标法，其数据稳定，一致性好，但当前国内无可在外场使用的定标用平行光管，平行光管定标结果可作为外场定标结果的参考值。

3 结论

对不同视场地基红外成像设备定标方法进行了试验研究和分析。试验表明：在外场尽可能使用近距离扩展面源定标法获取设备响应参数；对于制冷型红外成像设备，在同一航次采用测量前还是测量后定标差异较小，应根据实际情况确定。当受限于外场设备结构，升降式或周扫式等红外成像设备不适用近距离扩展面源定标法时，可在成像像素规模大于30×30时，采用远距离扩展面源定标法，定标距离尽可能靠近成像设备，并尽量采用高温段对设备进行定标；红外成像设备在赴外前应进行不同温度下室内平行光管定标，以获得设备在不同温度的响应参数参考值，“内场实验室定标＋外场复核”的方法开展可有效提高红外成像设备定标响应参数可信度，为外场条件目标红外辐射特性测试提供支撑。研究结果外场地基红外成像设备目标红外辐射特性测试、定标应用及技术改造，以及相关红外目标特性测量系统定标设备研制具有一定参考意义。

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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.

邹前进（1982-），男，硕士，高级工程师，从事光电对抗方面研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com。