基于紅外測量圖像的高速飛行目標等效輻射溫度計算方法

祿曉飛，盛 捷，趙 慧

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基于紅外測量圖像的高速飛行目標等效輻射溫度計算方法

祿曉飛，盛 捷，趙 慧

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

高速飛行目標的測量溫度對研究其熱防護性能有著極其重要的意義，分析了高速飛行目標紅外輻射成像的特點，指出了高速飛行目標紅外成像較為模糊的3個原因：1）紅外光學系統(tǒng)本身使得能量擴散，由點擴散函數表示；2）目標拖尾；3）大氣抖動，這使得靜止或低速目標輻射測溫算法已經不再適用。提出了一種有效計算高速飛行目標輻射溫度的方法，首先通過圖像分割從紅外圖像中把飛行目標和背景區(qū)域提取出來，再通過標定數據計算目標輻射強度，同時扣除背景能量以及考慮大氣透過率，再根據目標的視在面積和發(fā)射率計算目標的等效輻射亮度，最后通過查表得到目標的等效輻射溫度。

紅外成像；高速飛行目標；輻射強度；紅外等效溫度

0 引言

目前高速飛行器已成為國防力量的重要組成部分，對其進行紅外輻射測溫，一方面可考核其熱防護設計指標；一方面考核其突破對方防御體系的能力。例如高超聲速飛行器研發(fā)過程中遇到的一大技術難題叫“熱障”，它是飛行器飛行時由于激波和粘性的作用，其周圍空氣溫度急劇升高（可達幾千攝氏度），形成嚴酷的氣動加熱環(huán)境，使一般飛行器結構無法承受而形成的。本文分析了紅外凝視輻射系統(tǒng)測量高速飛行目標的特點，指出了靜止或低速目標輻射測溫方法不適用于高速飛行目標等效溫度計算，提出了一種有效的基于紅外圖像計算高速飛行目標輻射溫度的方法[1-3]。

1 靜止或低速目標亮溫計算方法

1.1 標定

在進行紅外輻射測量之前需要對紅外輻射測量設備進行標定，建立系統(tǒng)響應和輻射能量的關系，目前常用平行光管小面源黑體標定方法，如圖1所示，小面源黑體與望遠鏡焦平面形成共軛像對，小面源黑體發(fā)出的光經平行光管形成覆蓋望遠鏡口徑、視場的各方向平行光，面源黑體的面積足夠大，確保平行光管出射光各方向充滿測量系統(tǒng)的全視場（光電傳感器的所有像元）[4-7]。

此時到達望遠鏡入瞳面的各波段等效輻亮度就是對應探測波段內平行光管所透過的黑體輻射等效輻亮度與平行光管的自身輻射（含雜散輻射）之和，其具體值可根據下式計算：

在測量系統(tǒng)口徑、探測器、焦距已確定的條件下，一旦測量確定了平行光管的透過率與熱輻射，則根據(1)式對測量系統(tǒng)進行定標。

設定黑體的溫度i，紅外測量設備的波段，積分時間、衰減片利用紅外測量系統(tǒng)（短波、中波、長波）對黑體經過平行光管出射的能量進行測量，調整進行輻射定標測量，建立輻射輸入（像面）與系統(tǒng)響應（DN）的關系。注意這個入瞳處輻亮度考慮了系統(tǒng)本身的光譜響應在里頭：

為了計算輻射溫度，建立溫度-光譜輻亮度查找表，見表1。

1.2 輻射測量

由于紅外輻射測溫并不是直接測量的，紅外探測器接收的輻射能量不但包括目標自身的輻射，還包括目標對周圍環(huán)境（太陽、地球）輻射的反射輻射，上述輻射經過大氣衰減后才到達探測器，另外大氣本身的透射輻射以及紅外輻射測量設備內部的輻射都會摻與其中。

表1 溫度-波段輻亮度查找表

如圖2所示，為物體的發(fā)射率；為大氣的透射率；obj為被測物體黑體輻射能量，被紅外輻射測量設備接收obj；sur為環(huán)境輻射能量，被紅外輻射測量設備接收(1－)sur；atm為大氣程輻射能量，被紅外輻射測量設備接收(1－)atm。

因此在進行溫度反演的時候，需要把雜散能量（大氣程輻射能量、環(huán)境輻射能量、輻射測量設備熱輻射和噪聲）扣除，并考慮大氣對飛行目標輻射能量的吸收作用[8-9]。

1.3 溫度反演過程

1）扣除背景

圖1 平行光管＋小面源黑體標定光路圖

Fig.1 Light path of calibration with collimator and small surface blackbody

圖2 飛行目標紅外輻射測量接收能量圖

由于飛行目標距離紅外輻射測量設備較遠，紅外測量圖像可分為目標區(qū)域和背景區(qū)域。與目標區(qū)域相比，背景區(qū)域的能量主要由大氣程輻射能量和紅外輻射測量設備本身的熱輻射和熱噪聲產生。

2）環(huán)境輻射能量扣除

目前關于太陽、地球熱輻射的研究很多，通過數學模型和氣象參數、飛行目標的外形和姿態(tài)可計算當前時刻從飛行目標反射出的太陽、地球輻射亮度。對于在夜空中的飛行目標，可不考慮太陽、地球的輻射能量。

3）大氣吸收

常用的大氣透過率計算軟件為LOWTRAN和MODTRAN，根據氣象參數計算大氣的光譜吸收曲線a()。

令：

在較窄的波段范圍內，可認為L(,)變化很小，近似為常數，因此：

4）溫度反演

這樣對于已知紅外輻射測量設備響應曲線()，可以獨立計算大氣透過率，而不考慮飛行目標的溫度。因此在得到紅外輻射測量設備響應DN后，根據下式計算波段輻射亮度：

根據表1得出對應的目標溫度，在根據普朗克公式求出黑體輻亮度：

2 高速飛行目標紅外成像特點

對于遠程高速飛行目標來講，上述計算靜止或低速飛行目標亮溫的方法是不適用的，這是由于目標的能量被分散，紅外成像無法反映目標真實大小。這主要由3種因素造成：①光學系統(tǒng)本身模糊成像；②飛行目標與紅外輻射測量設備的相對運動；③大氣抖動[10-11]。

2.1 光學系統(tǒng)模糊成像

由于紅外測量設備的光學成像系統(tǒng)存在模糊效應，紅外焦平面探測器也會抖動，這使得點目標在紅外焦平面的響應能量擴散到鄰近的若干像素點，通常用點擴散函數PSF（Point Spread Function）來描述這種模糊成像效果。

設點目標具有單位輻射能量幅度，(x,y)為其在焦平面坐標系下的坐標值，則焦平面坐標系上任一位置(,)處的輻射能量為：

上式即為點目標擴散函數PSF，其中PSF是由于點擴散函數的標準方差，描述能量擴散的范圍大小。

當目標落于探測元中心時，該像元所捕獲到的目標能量占整個輻射能量的百分比EOD（Energy on Detect）為：

2.2 目標拖尾

在實際成像過程中，由于飛行目標高速運動，紅外測量設備無法準確跟蹤飛行目標，這使得在積分時間內目標在焦平面上不是一個位置，而是滑過一段距離，這種現象稱為目標拖尾（target smearing）。如圖3中(x,y)到(x￠,y￠)的連線，當紅外測量設備和飛行目標沒有相對運動時，不考慮點擴散函數，只會成像為一個點。然而由于目標拖尾現象，成像為一條直線，這使得測量得到的紅外目標不但模糊，還會降低捕獲概率。

圖3 高速飛行目標成像的拖尾現象

2.3 大氣湍流

對于地基紅外測量系統(tǒng)，大氣湍流使得目標成像模糊，光能分散。大氣湍流運動導致大氣溫度和密度的隨機變化，從而導致大氣折射率發(fā)生隨機變化；折射率的變化進一步導致在其中傳輸光波的場量發(fā)生隨機起伏，由此引起大氣中傳輸光束性能的急劇惡化。

3 高速目標溫度計算方法

3.1 計算方法

1）計算背景輻射亮度

2）計算背景輻射亮度

式中：DN為背景區(qū)域第個像素的響應，K和B是第個像素的標定參數，。

3）計算目標輻射強度

令表示紅外輻射測量設備與飛行目標的距離，由下式計算目標輻射強度：

式中：DN為目標第個像素的響應；K和B是第個像素的標定參數。

4）計算目標輻射溫度

令fly表示飛行目標對于紅外設備的視在面積，由下式計算目標等效黑體輻射亮度：

L＝fly/(fly) (12)

再根據等效黑體輻射亮度尋找溫度。

3.2 算例

考慮如下場景：地基紅外輻射測量設備布設在水泥場坪上，高程為1km，紅外測量波段為3～5mm。動態(tài)跟蹤測量前，采用大口徑平行光管（間接擴展源方法）對地基紅外輻射測量設備進行標定，標準黑體溫度區(qū)間分為低溫段和高溫段，在低溫段每隔5℃記錄一次輸出圖像，在高溫段每隔20℃記錄一次輸出圖像。計算黑體的輻射能量，同時考慮平行光管的透過率和黑體的發(fā)射率，對紅外輻射測量設備焦平面探測器的每一個像素進行標定，計算響應度K和底電平B。

假設飛行目標以10的速度飛行，與地基紅外輻射測量設備的距離＝500km，設備仰角30°。根據幾何光學，飛行目標成像不到一個像素，但是由于大氣抖動、設備的模糊作用以及目標拖尾，飛行器實際在焦平面上中心的20個像素上有能量輸出。通過目標提取算法獲得這20個像素的灰度輸出DN，＝1,…, 20，選擇緊鄰飛行目標的40個像素為背景，進行雜散能量扣除，灰度序列記為G，＝1,…, 40。

因此根據式(10)、(11)分別計算目標和背景的輻射亮度，再進行距離修正得到目標的輻射強度為208W/sr，假設從紅外輻射測量設備觀測飛行目標，其面積為1m2，發(fā)射率為0.8，得到目標的等效輻射亮度為260W/(sr×m2)，通過查找亮度表格，計算得到目標的等效溫度為300K。

4 結論

本文首先給出通過紅外測量數據計算靜止目標和低速飛行目標輻射溫度的方法，然后指出由于高速飛行目標成像模糊，無法通過直接測量到的輻射亮度計算輻射溫度，必須根據輻射強度、目標面積以及發(fā)射率計算目標的輻射亮度，通過查找亮度-溫度對應表格得到飛行目標的等效輻射溫度。

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An Effective Method of Computing Temperature of High-speed Flying Target Based on Infrared Imaging

LU Xiao-fei，SHENG Jie，ZHAO Hui

(,732750,)

The apparent temperature of high-speed flying target is an important parameter to check the heat protection system. This paper analyzes the characteristics of high-speed flying target measured by earth-based staring infrared imaging system, and finds out three facts making the measured images blur. The first is phenomenon of spreading energy which is described by Point Spread Function, the second is phenomenon of target smearing, and the third is atmospheric agitation and turbulence. Thus the method dealt with static or low-speed target isn’t adapt to high-speed flying aircraft, and this paper proposes an effective method computing temperature of high-speed flying aircraft with infrared image. The first step is segmenting the infrared image to obtain sections of flying aircraft and background, the second step is computing the emission intensity of flying aircraft with parameters of calibration and atmospheric transmittance, and the third step is computing the luminance of target with visible area and emissivity of aircraft, finally the apparent temperature is found by looking up the luminance-temperature table.

infrared imaging，high-speed flying target，infrared intensity，infrared equivalent temperature

TN21

A

1001-8891(2015)11-0976-05

2015-03-15；

2015-05-11.

祿曉飛，博士，主要從事紅外輻射特性研究。E-mail：luxf08@163.com。