第卷第期红外于激光技术
年月
红外成象导引头作用距离估算
陈光余
航天工业总公司第三研究院八三五八所天津
文摘本文叙述具有自动目标识别功能的红外成象导引头的作用
距离佑
算
这种佑算方法既不同于非成象点源系统也不同于一般热象仪成象
红外导
引头的作用距离是一个有待研究的参数然而与此有关的主要问题仍然是系统
的灵敏度石了大气传输和从随机噪声中识别目标所需的信噪比在湿热的大气环境条件下水分子的吸收是决定大气传输的支配因素系统工作信噪比与探测概率和虚警率相关本文提出了定义成象红外导引头虚警的一种假设并
以此为依据推出一套估算作用距离的公式最后给出了计算成象红外导引头作用
距离的示例
主题词红外成象导引头作用距离探测概率虚警
厦川
万石了刀一收稿日期年月
日
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健一
引言
用最小可分辨温差或盯来描述一个红外成象器的热灵敏度
是最常用
的方法这种方法是靠人眼在成象器终端的视频显示屏上对一个已知空间频率的标准靶条
图的人工判定来完成的人眼的主观视觉判定参与了这一检测过程热象仪的作用距离可以通过用上述方法测得的该热象仪的调制传递函数曲线结合被测目标的几何尺寸和热象
仪在某个给定的调制传递函数值例如取下的空间分辨率来确定即
典办一’“
上式中积分表示在垂直于观测方向上的目标投影面积尹和分别表示热象仪对该目标分
解的总象元数和二维角分辨率
为了简化我们假定目标形状为矩形并把上式写成二维形式
弓二月士牛占
入
式中目标面积为一一两个方向的目标象元数占占,一一截、象仪在两个方向的空间分辨率
一一读热象仪至目标的距离
鉴定热象仪的上述方法须有以下条件目标标准靶条的形
状为
二
判定是由人眼做出的主观判定
判定信噪比一般在一之间
显然这些条件对成象导引头都是不适用的首先导引头没有人参与识别过程而机器的识别要求实时在速度上可以做得比人工快得多两者相差约倍但在智能上
却难以
赶上人脑因而需要高得多的判定信噪比而且速度越快要求信噪比越高多种图象预处理方法可以用来提高图象的信噪比但必须以牺牲处理速度为代价例如一次帧相关
的运算意味着要耽误一的时间人脑在判定图象的过程中实际上是进行了包括时
间积分和空间积分在内的多种处理方法而判定时间达秒级这就是此种方法不适用
于
成
象导引头的原因实时识别的处理过程实际上只能在成象传感器输出图象的原始信噪比条件下进行只有那些延时时间很小的处理方法可以在识别过程中采用为了简化本文将不计及这些处理方法对提高系统信噪比的贡献
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net红外与激光技术第卷第期成象导引头的作用距离假如成象传感器能提供足够高的信噪比使得导引头能以必要的空间分辨率探测到
目
标的全部表面则可以按公式的关系计算成象器的作用距离
一斤王口
对于两个方向具有相同分辨率的简单情况取。。。气咨一。公式简化为
例,设,’一‘卢。一,。一代人公式得出作用距离一‘不考虑大气传输的损失和信噪比按公式计算出的结果是系统的最大作用距离
相对于背景温度为△了的目标产生的信噪比等于△了刀式中一一谁巨离等于的路径的大气传输实验室内热象仪的可由下式计算
〔’〕
万百丁一
二
胡,,
若已知△了和刃石了值要求作用距离必须算出工作信噪比和大气传输系数的函数表达式
大气吸收系数
大气传输由多种因素决定假如我们把一切因素都考虑进去则根本不可能找到
的解析表达式在这种情况下一般是用图解积分和逐步近似法来求大气传输系数的但是在湿热的大气环境条件下水分子的吸收占主导地位它与大气传输的关系
可
以
简单地写成一一
式中一单位路径长度的水分子的吸收系数其值取决于大气温度和相对湿度
表列出了在饱和湿度下水分子吸收系数同气温的关系这种关系绘成的曲线如图所示
表水分子吸收系数与温度的关
系
,,叨
乃
把公式代入公式消去得
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一
二“
衰减系数
上式表明作用距离的讨算归结为求值月
成象系统的探测概率和虚警率
在非成象红外导引头设计中我们曾定义过系统的虚警率
〔〕气温
℃
尸军。图衰减系数与气温的关系曲线
式中军和。一曰言息处理电路的带宽和系统的平均虚警时间对于有零均值的宽带白色噪声其振幅分布为高斯分布系统的虚警率为
尸。一,一念一一’
式中一一按噪声均方根值刻度的闽值探测概率为一,一
念丁
‘
一’
,·、
“
‘
,
式中一一可言号超阂峰值对应公式和给定的尸。和尸。概率的系统工作信噪比等于夕一在非成象系统中认为一个信号脉冲超过阑值的事件为探测同样一个噪声脉冲超过阂值的事件为虚警显然这两种定义对成象系统都是不正确的在成象系统中要在目标区内探测到足够多的象元信号才能算探测相反部分象元不是一个出现噪声脉冲并不构成虚警事件除噪声脉冲数以外还有它们出现的空间位置是否同目标对应的位置相符才能判定是否为虚警后一个条件更为复杂作为初步探讨
我们将只研究噪声脉冲数与系统虚警的关系关于虚警的第一种定义是在给定的平均虚警时间。内共出现。”。个噪声脉冲的事件为系统虚警根据这一定义并考虑到
系统由。个独立的探测器通道组成把关于虚警率的公式推广到成象系统
军。叮
其中视频带宽军等于
亡、彭
。护
叮把公式代人公式得尸二丁喜
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式中脚。”。几一冲贞总象元数帧频叮、。一一扫
描效率并扫的探测器元
数
本文提出关于虚警的另一种定义即设在具有个象元的目标区内有一半
以上的
象元出现噪声脉冲则认为该区域内出现了虚警并定义虚警率为
尸。二
尹牛
‘
我们引用一组数据来比较上述两种定义的差别设。”。”,
。一。一分别代人公式和得虚警率和对应的阑值如下
一一夕一
显然第一种定义较严格本文选用第二种定义作为系统虚警的判据由个扫描通道组成的目标区的探测概率为尸一尸了
式中尸一单个通道的探测概率
若要求尸。二则尸二由公式求得阑上信号电平
一
作用距离计算
示例
公式给出了只考虑大气水分子吸收的作用距离算式若考虑其他大气因素对传输的影响可以引人一个修正系数‘把公式改写成
计设△了
表列出了工作于两个波段的红外成象导引头作用距离和有关参数的计算结果中假定两个导引头光学系统的参数相同目标区相对于背景的温差△了不小于除
水分子吸收外的其他大气因素下二工作信噪比如前计算的结果取在给定的温度范围内中波导引头的灵敏度明显优于长波导引头当气温降到℃以下
时长波的作用距离很快增大并超过中波但是由于受到由公式所规定的目标最小临界尺寸的限制有效作用距离不能继续增加因为这时虽然被探测到的象元仍有足够的信噪比但总象元数没有达到识别所需的最低数目这种情况可用图的曲线来说明提高导引头的空间分辨率可以在低温时增大作用距离但这将使系统的热灵敏度下降从而在高温环境下更难以工作
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