CN107894284A - 一种结合探测效能的红外相机波段比较方法 - Google Patents
一种结合探测效能的红外相机波段比较方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种结合探测效能的天基红外相机波段比较方法。方法的实现包括以下步骤：一、对目标辐射特性和大气背景辐射特性进行仿真；二、结合实际采用的光学***和探测器参数进行目标与背景电子数计算；三、结合探测器性能进行探测干扰电子数计算；四、计算不同波段下的探测效能参数，作为波段选择的参考依据。本发明为承担特定任务的天基红外探测***波段选择提供了***的方法，该方法不仅紧密贴合工程实践，并且评估指标可量化，为天基红外探测***波段的设计提供参考依据。
Description
技术领域
本发明属于红外探测领域，涉及一种结合探测器性能和目标背景特性的红外相机波段比较方法，应用于红外探测器设计中的波段的选择设计。
背景技术
在探测***设计的过程中，波段选择对于探测性能有极大的影响，一定程度上决定着探测***能否及时发现目标，并且对目标实现持续跟踪。合适的探测波段应该在抑制背景的基础上突出探测目标，其中的影响因素包含目标背景辐射能量、大气影响、成像光学***和探测器影响。目前探测器波段选择方面没有权威的模型和统一的评定标准，通常所采用的方法为在参考国外相同功能卫星波段的基础上对于波段的大气透过率、目标发射率和背景发射率进行分析，结合分析结果做出探测波段的选择。目前常用方法有两个缺点，一是在波段分析过程中仅考虑了目标背景特性，没有考虑在具体的工程实现中所采用的探测器的性能；二是在考虑影响因素的时候只是分布考虑了各个因素的影响作用，而没有将影响因素结合起来综合分析。本发明解决了这两个问题，建立了结合目标背景特性和探测器性能的探测效能计算模型，为波段选择提供综合的、定量化的参考依据。
发明内容
本发明的目的是建立考虑目标背景影响和探测器性能影响的探测效能模型，弥补现有方法未考虑工程实现以及影响因素间相互作用的缺点，为红外探测***波段设计提供一种定量化的比较方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
1、探测目标与背景仿真
首先对目标辐射特性进行仿真，通过查询文献资料或实际测量获得目标的温度和发射率，利用普朗克定律对其光谱辐射强度进行计算仿真，得到It(λ)；
背景的仿真利用Modtran的计算结果，输入下界面温度、反射率、观察高度、背景高度、太阳天顶角，输出不同波长下大气透过率τa(λ)、背景辐亮度Lbk(λ)、大气路径辐亮度Lph(λ)、多次散射辐亮度Lscat(λ)；
2、计算目标与背景的信号电子数
目标电子数计算方法如下：某波段Δλ下目标像元的产生的电子数St(Δλ)为
其中，λ1，λ2为波段起止波长，tint为积分时间，η为探测器平均量子效率，h为普朗克常量，c为光速，φtarget_pixel(Δλ)为某波段Δλ下目标像元接收到的总能量
式中φtarget(λ)为点目标辐射进入相机入瞳并到达像元上的光谱辐射通量，φback_target(λ)为目标像元中背景的光谱辐射通量，φfk_target(λ)为目标位置到观测点处的大气引起的光谱辐射通量，分别进行计算，方法如下：
点目标辐射进入相机入瞳并到达像元上的光谱辐射通量φtarget(λ)为
R＝H-h
τ0为光学***透过率，τa(λ)为大气光谱透过率，AD为入瞳面积，R为观测距离，H为观测点高度，h为目标高度，n为目标在焦平面上所成像元数；目标像元中背景的光谱辐射通量φback_target(λ)为：
As＝Nd2
其中，At为目标在焦平面上成像的面积大小，As为焦平面上所有像元总面积，ΩIFOV为瞬时视场立体角，Atarget为目标面积，N为像元总数，d为像元中心距，f为焦距，FF为探测器填充因子；目标位置到观测点处的大气引起的光谱辐射通量φfk_target(λ)为
背景电子数计算方法如下：某波段Δλ下背景在探测器上产生的电子数Sb(Δλ)为
其中，φback(Δλ)为某波段Δλ下背景辐射通量
φback(λ)为背景在单个像元上引入的光谱辐射通量
φback(λ)＝Lbk(λ)τoADΩIFOV
3、计算探测干扰电子数
杂波在该波段产生的电子数σz(Δλ)为
其中，Φzb(Δλ)为杂波的辐射通量，计算方法如下：
Φzb(Δλ)＝(φph(Δλ)+φback(Δλ)+φscat(Δλ))×10％
式中φph(Δλ)为大气路径辐射通量，φscat(Δλ)为多次散射辐射通量。
4、计算探测效能参数
将以上结果带入计算探测效能参数SNRP
其中，σs、σd、σr分别为仪器背景噪声、暗电流噪声和读出噪声，可以通过针对具体探测器的估算或者查询相关资料获得；SNRP值越大代表目标越容易被发现，当前波段越适合用于此目标的探测；
对于承担M种目标探测任务的探测器波段选择，则计算平均探测效能参数
其中，SNRP′1、SNRP′2、…SNRP′M分别为M种目标的归一化探测效能参数；值越大代表当前波段越适合用于这M种目标的探测。
附图说明
图1为结合探测效能的红外相机波段比较方法步骤图；
图2为仿真的目标光谱示意图；
图3为仿真的经大气衰减后背景光谱示意图；
图4为两波段的探测效能参数对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
下面以某飞行器目标跟踪波段选择为例说明方法的具体实施方式。考虑进行对比选择的两个长波波段分别为8～12μm和8～10μm。
1、目标与背景仿真
某目标在飞行过程中温度随着时间推移逐渐降低，取典型工作状态温度约为590K，发射率约为1，利用普朗克公式进行仿真，结果如图2所示。
由于海背景是探测的主要背景，背景仿真则选取海背景进行计算。根据资料全球海面平均温度约为290K，发射率0.9左右，利用大气传输模型Modtran进行仿真计算，得到海背景经大气辐射传输衰减后的目标光谱辐亮度，如图3所示。除此之外，Modtran还输出了其他影响因素的计算结果，其中包含大气透过率τa(λ)、大气辐射辐亮度Lph(λ)、和多次散射辐亮度Lscat(λ)。
2、计算信号电子数
首先要明确在该波段选择采用的探测器的参数，包括入瞳直径AD、光学***平均透过率τo、焦距f、像元中心距d、积分时间tint、探测器填充因子FF、探测器量子效率η，然后对信号电子数进行计算。由目标的辐射强度可以计算得到目标到达目标像元的光谱辐射通量
由背景光谱辐亮度可以计算得到背景在目标像元的光谱辐射通量
As＝Nd2
同理计算目标位置到观测点处的大气引起的光谱辐射通量为
得到目标像元的光谱辐射通量
φtarget_pixel(λ)＝φtarget(λ)+φback_target(λ)+φfk_target(λ)
积分后则可以计算得到目标像元的电子数
由背景辐亮度计算得到背景像元辐射通量
φback(λ)＝Lbk(λ)τo(λ)ADΩIFOV
积分后则可以计算得到背景像元的电子数
3、探测干扰电子数计算
杂波考虑地表辐射扰动，多次散射扰动和大气辐射扰动，根据Modtran的计算结果分别求得这三项辐射通量，取其幅通量的10％作为杂波扰动，杂波产生的辐射通量估算为
Φzb(Δλ)＝(φph(Δλ)+φback(Δλ)+φscat(Δλ))×10％
杂波产生电子数为
探测器噪声与所选择采用的探测器性能相关，可以通过查阅相关资料获得或者实际测量得到。
4、探测效能对比分析
计算得到某一波段下探测效能参数
这里根据探测距离变化范围选择几个典型的探测距离进行SNRP计算分析，8～12μm波段和8～10μm波段的探测效能参数如图4所示。从图中可以看出在不同探测距离下，8～12μm的探测效能参数均高于8～10μm，8～12μm为两个波段中针对特定目标的优选探测波段。
Claims (1)
1.一种结合探测效能的红外相机波段比较方法，其特征在于方法步骤如下：
1)探测目标与背景仿真
首先对目标辐射特性进行仿真，通过查询文献资料或实际测量获得目标的温度和发射率，利用普朗克定律对其光谱辐射强度进行计算仿真，得到It(λ)；
背景的仿真利用Modtran的计算结果，输入下界面温度、反射率、观察高度、背景高度、太阳天顶角，输出不同波长下大气透过率τa(λ)、背景辐亮度Lbk(λ)、大气路径辐亮度Lph(λ)、多次散射辐亮度Lscat(λ)；
2)计算目标与背景的信号电子数
目标电子数计算方法如下：某波段Δλ下目标像元的产生的电子数St(Δλ)为
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其中，λ1，λ2为波段起止波长，tint为积分时间，η为探测器平均量子效率，h为普朗克常量，c为光速，φtarget_pixel(Δλ)为某波段Δλ下目标像元接收到的总能量:
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点目标辐射进入相机入瞳并到达像元上的光谱辐射通量φtarget(λ)为：
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背景电子数计算方法如下：某波段Δλ下背景在探测器上产生的电子数Sb(Δλ)为：
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φback(λ)＝Lbk(λ)τoADΩIFOV；
3)计算探测干扰电子数：
杂波在该波段产生的电子数σz(Δλ)为：
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<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，Φzb(Δλ)为杂波的辐射通量，计算方法如下：
Φzb(Δλ)＝(φph(Δλ)+φback(Δλ)+φscat(Δλ))×10％
<mrow>
<msub>
<mi>&phi;</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</msubsup>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>h</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&Omega;</mi>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mi>F</mi>
<mi>O</mi>
<mi>V</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>d</mi>
<mi>&lambda;</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>&phi;</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>c</mi>
<mi>a</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</msubsup>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>c</mi>
<mi>a</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&Omega;</mi>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mi>F</mi>
<mi>O</mi>
<mi>V</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>d</mi>
<mi>&lambda;</mi>
</mrow>
式中φph(Δλ)为大气路径辐射通量，φscat(Δλ)为多次散射辐射通量；
4)计算探测效能参数
将以上结果带入计算探测效能参数SNRP
<mrow>
<mi>S</mi>
<mi>N</mi>
<mi>R</mi>
<mi>P</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<msqrt>
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&lambda;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>&sigma;</mi>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>&sigma;</mi>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
</mrow>
其中，σs、σd、σr分别为仪器背景噪声、暗电流噪声和读出噪声，可以通过针对具体探测器的估算或者查询相关资料获得；SNRP值越大代表目标越容易被发现，当前波段越适合用于此目标的探测；
对于承担M种目标探测任务的探测器波段选择，则计算平均探测效能参数
<mrow>
<mover>
<mrow>
<mi>S</mi>
<mi>N</mi>
<mi>R</mi>
<mi>P</mi>
</mrow>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>SNRP</mi>
<mn>1</mn>
<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>SNRP</mi>
<mn>2</mn>
<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<mo>...</mo>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>SNRP</mi>
<mi>M</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>/</mo>
<mi>M</mi>
</mrow>
其中，SNRP1′、SNRP2′、…SNRP′M分别为M种目标的归一化探测效能参数；值越大代表当前波段越适合用于这M种目标的探测。
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