紅外物理及技術(shù)參考答案解析

.-7所謂隱身飛機(jī),就是利用各種技術(shù)減弱雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息,使敵方探測(cè)系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)的飛機(jī)。目前,飛機(jī)隱身的方法主要有以下三個(gè)方面：一是減小飛機(jī)的雷達(dá)反射面,從技術(shù)角度講,其主要措施有設(shè)計(jì)合理的飛機(jī)外型、使用吸波材料、主動(dòng)對(duì)消、被動(dòng)對(duì)消等；二是降低紅外輻射,主要是對(duì)飛機(jī)上容易產(chǎn)生紅外輻射的部位采取隔熱、降溫等措施；三是運(yùn)用隱蔽色降低肉眼可視度。4-8由于3-5μm紅外波段具有低發(fā)射率,耐高溫的特點(diǎn),在飛機(jī)尾焰中加入碳顆粒,可以實(shí)現(xiàn)光譜轉(zhuǎn)換〔就是采用在窗口波段發(fā)射率低而在其他大氣吸收波段發(fā)射率高的材料。第5章5-1〔1多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫：當(dāng)采用超過(guò)兩個(gè)波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量溫度時(shí),這種輻射測(cè)量方法被稱(chēng)作多波長(zhǎng)測(cè)溫?！?比色測(cè)溫：指根據(jù)物體在兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)下的輻射能量密度之比來(lái)確定物體的溫度。5-2〔1分光；棱鏡；光柵?！?光學(xué)系統(tǒng)；光譜元件；探測(cè)器；電子部件。〔3半球發(fā)射率；光譜發(fā)射率?！?色散型；傅里葉變換型紅外分光。5-3當(dāng)來(lái)自輻射源的輻射束穿過(guò)入射狹縫后,經(jīng)拋物面的準(zhǔn)直反射鏡反射變成平行光束投射到平面反射鏡,再被反射進(jìn)入色散棱鏡,然后被分解為不同折射角的單色平行光束,經(jīng)另一拋物面反射鏡反射,并聚焦于出射狹縫輸出。色散棱鏡與平面反射鏡的組合,稱(chēng)為瓦茨伏爾士〔Wadsworth色散系統(tǒng)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)該系統(tǒng),可在出射狹縫后面獲得不同波長(zhǎng)的單色光束。5-4雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng)在光路的安排上,要求斬光器放在樣品槽之前通過(guò)樣品的光束為間斷的脈沖光束,而雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng)無(wú)此要求；在參比光路上,雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng)不使用光學(xué)衰減器,而是用斬光器將參比光束變?yōu)殚g斷的脈沖光束。5-5〔1全輻射溫度、亮溫度恒小于物體表面的真實(shí)溫度。〔2對(duì)于發(fā)射率較小的物體,全輻射測(cè)溫和亮溫度測(cè)溫相對(duì)誤差都較大。對(duì)于發(fā)射率較高的材料,3種測(cè)溫法均適宜。〔3全輻射測(cè)溫和亮溫度測(cè)溫都必須知道被測(cè)物體發(fā)射率的絕對(duì)值。而雙波長(zhǎng)輻射測(cè)溫則只要知道兩個(gè)波長(zhǎng)處光譜發(fā)射率之比值。5-6解：由公式,又知R最大為,紅外線波長(zhǎng)為,取其平均值為,得數(shù)值孔徑：5-7解：〔1已知,則由公式得分辨率為：〔25-8解：由分辨率公式得：5-9解：已知,則由公式得分辨率為：則由分辨率公式得：5-10解：利用色散曲線的柯西公式,由于波長(zhǎng)變化范圍不大,只取前兩項(xiàng),即：,代入得：鈉光譜線,三棱鏡在這個(gè)波長(zhǎng)附近的色分辨率本領(lǐng),由棱鏡色散公式和得：5-11對(duì)光柵有如下要求：〔1閃耀波長(zhǎng),閃耀波長(zhǎng)為光柵最大衍射效率點(diǎn),因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)需要波長(zhǎng)附近；〔2光柵刻線,光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率,刻線多光譜分辨率高,刻線少光譜覆蓋范圍寬,兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇；〔3光柵效率,光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高,信號(hào)損失愈小。為提高此效率,除提高光柵制作工藝外,還采用特殊鍍膜,提高反射效率。5-12在能夠直接進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的裝置中,必須將輻射能量或被吸收的輻射通量與一種定量的能量或者其它形式的功率作比較。另外,對(duì)于低精度的輻射計(jì)一般不采用參考黑體,而是用涂黑或高發(fā)射率的調(diào)制盤(pán),以調(diào)制盤(pán)的葉片作為參考輻射源；對(duì)于商業(yè)用的輻射計(jì),通常采用在可見(jiàn)光和紅外波段內(nèi)有均勻光譜響應(yīng)的熱電或熱阻探測(cè)器；對(duì)于軍用輻射計(jì),為了對(duì)軍用目標(biāo)有大的作用距離和快速的目標(biāo)光輻射采樣頻率,一般采用在較窄光譜波段范圍內(nèi)有高靈敏度的光子探測(cè)器。5-13為了不引入雜光,提高測(cè)量靈敏度,滿(mǎn)足全波段測(cè)試的要求,應(yīng)在輻射源與入射狹縫間加入一個(gè)光柵元件,原因在于光柵具有衍射作用,從出射狹縫出來(lái)的光線為單色光。第6章6-1〔1標(biāo)準(zhǔn)大氣：是用以描述理想的中緯度狀況的物理量,即在太陽(yáng)黑子最多和最少活動(dòng)范圍內(nèi)的大氣年平均狀態(tài)。世界氣象組織〔WMO關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)大氣的定義是：所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣就是能夠粗略地反映周年,中緯度狀況的,得到國(guó)際上承認(rèn)的假想大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。它的典型用途是做壓力高度計(jì)校準(zhǔn),飛機(jī)性能計(jì)算,飛機(jī)和火箭設(shè)計(jì),彈道制表和氣象制圖的基礎(chǔ),假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢(shì)發(fā)生關(guān)系的理想氣體定律和流體靜力學(xué)方程?！?波蓋爾定律：輻射通過(guò)介質(zhì)的消光作用與入射輻射能量、衰減介質(zhì)密度和所經(jīng)過(guò)的路徑成正比,如下式：該式稱(chēng)為波蓋耳〔Bougner定律。式中,為光程上單位截面中的介質(zhì)質(zhì)量；為介質(zhì)的光學(xué)厚度。〔3大氣窗口：除可見(jiàn)光范圍外,在、、、、、、等波段有較大的透射比,猶如輻射透射的窗口,稱(chēng)為"大氣窗口"?！?多次散射：當(dāng)散射粒子間距是粒子半徑的數(shù)倍時(shí),可認(rèn)為每個(gè)粒子都是獨(dú)立于其它粒子的散射。在大多數(shù)大氣條件下,這種獨(dú)立散射條件基本成立。這是建立波蓋耳定律的前提條件。該條件假定粒子只暴露在入射輻射下,即為一次散射,多次重復(fù)為多次散射?！?大氣的傳遞函數(shù):反映大氣消光使目標(biāo)與背景的對(duì)比度下降的程度,如下式：式中,為地平天空亮度與背景亮度之比。由此可見(jiàn),是和的函數(shù),與目標(biāo)亮度無(wú)關(guān),即只與目標(biāo)與探測(cè)器之間的大氣狀態(tài)有關(guān)。6-2〔1干結(jié)大氣；水蒸氣；其它懸浮的固體；液體粒子?！?長(zhǎng)距離的探測(cè)；遙測(cè)；短距離?！?愛(ài)爾撒司模式；統(tǒng)計(jì)模式；隨機(jī)模式；準(zhǔn)隨機(jī)模式?！?目標(biāo)與背景的對(duì)比度隨。〔5大氣透過(guò)率；熱輻射亮度；帶散射的輻亮度；太陽(yáng)直射照度。6-3常見(jiàn)的方法是將大氣劃分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱成層和散逸層五個(gè)層次。對(duì)流層對(duì)人類(lèi)活影響最大,天氣過(guò)程主要發(fā)生在這一層,其厚度不到地球半徑的2‰,卻集中了約的大氣質(zhì)量和以上的水汽。對(duì)流層溫度變化較大,在地面至高的范圍內(nèi)稱(chēng)為貼地層,晝夜溫度變化可達(dá)以上,貼地層以上至高度的邊界層內(nèi)常出現(xiàn)逆溫。就整個(gè)對(duì)流層而言,溫度是隨高度的增加而遞減的,平均遞減率為。溫度遞減率變?yōu)榱慊驗(yàn)樨?fù)之處稱(chēng)為對(duì)流層頂,對(duì)流層的高度在中緯度區(qū)平均為。平流層位于大約范圍內(nèi),集中了左右的大氣質(zhì)量,水汽已相當(dāng)少,而臭氧含量最為豐富。平流層的溫度變化與對(duì)流層相反,溫度遞減率變?yōu)榱慊蛘帪槠搅鲗禹?。這種溫度結(jié)構(gòu)的空氣十分穩(wěn)定,氣溶膠比較豐富。中間層為平流層頂至范圍,在該范圍內(nèi)溫度隨高度的增加而迅速下降,以上則保持不變或遞增。由于中間層的溫度結(jié)構(gòu)與對(duì)流層相似,故有第二對(duì)流層之稱(chēng)。熱成層又稱(chēng)為電離層或暖層。其范圍自中間層頂至,該層大氣的溫度隨高度的增加而迅速上升,直到高度時(shí),溫度可接近于左右。該層的大氣由于受強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外輻射和宇宙射線的照射,使空氣形成了好幾個(gè)電離層,這使短波無(wú)線電的遠(yuǎn)距離傳輸成為可能。散逸層為熱成層以上的大氣層統(tǒng)稱(chēng)為散逸層,近代人造衛(wèi)星的探測(cè)結(jié)果表明,大氣的上界可以擴(kuò)展到處。大氣是由多種元素和化合物混合而成,大致可分為干潔大氣、水蒸氣以及其它懸浮的固體和液體粒子。6-4垂直分布是指由于重力作用,大氣氣溶膠粒子的濃度隨高度按指數(shù)形式衰減。尺度分布是指由于不同尺度〔大小的粒子對(duì)不同波長(zhǎng)光波的散射不同,因此應(yīng)知道氣溶膠粒子尺度分布。6-5輻射在大氣中傳輸主要有吸收和散射。產(chǎn)生原因?yàn)椋捍髿庵形仗?yáng)輻射的主要成分是氧氣、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等,對(duì)長(zhǎng)波輻射的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧。不同氣體對(duì)不同波段輻射的吸收作用也不同。這種性質(zhì)稱(chēng)為大氣對(duì)輻射能的選擇吸收。散射作用的強(qiáng)弱取決于入射電磁波的波長(zhǎng)及散射質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)和大小。特殊地,當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí),稱(chēng)為分子散射或瑞利散射,散射系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方成反比,主要是空氣分子的散射。當(dāng)粒子尺度可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)稱(chēng)為米氏散射散射系數(shù)是波長(zhǎng)和粒子半徑的一個(gè)復(fù)雜函數(shù)。6-6MODTRAN共包含4種運(yùn)行模式,具體包括大氣透過(guò)率、熱輻射亮度、帶散射的輻亮度及太陽(yáng)直射照度運(yùn)行模式。大氣透過(guò)率的運(yùn)行模式〔可計(jì)算路徑的總透過(guò)率以及氣體分子帶吸收、連續(xù)吸收、氣溶膠吸收等分量的路徑透過(guò)率。熱輻射亮度運(yùn)行模式〔可計(jì)算路徑大氣輻射的輻亮度和路徑的總透過(guò)率,由于大氣輻射主要在熱紅外波段,故稱(chēng)為大氣熱輻射。熱輻射亮度模式的路徑輻亮度只考慮路徑大氣和地面的熱輻射,帶散射的輻亮度運(yùn)行模式〔的路徑輻亮度不僅考慮了路徑大氣和地面的熱輻射,還增加了路徑外輻射源〔如太陽(yáng)、月、地球等產(chǎn)生的大氣散射輻亮度和地面反射輻亮度。太陽(yáng)直射照度運(yùn)行模式〔可進(jìn)行大氣層外太陽(yáng)正入射的光譜輻照度、太陽(yáng)透過(guò)大氣到達(dá)觀察點(diǎn)的光譜輻照度及路徑透過(guò)率等的計(jì)算。注意,這里的大氣層外太陽(yáng)照度或觀察點(diǎn)太陽(yáng)照度約定為正入射照。6-7：解：〔1當(dāng)時(shí)對(duì)來(lái)說(shuō)：由,查表得飽和水蒸氣含量,則：水平：斜程：〔：因此,時(shí)的光譜透射比為：水平：斜程：對(duì)來(lái)說(shuō)：水平：,斜程：,則當(dāng)時(shí),總吸收的光譜透射比為：水平：斜程：〔2當(dāng)由上面結(jié)果可得：對(duì)來(lái)說(shuō)：水平：斜程：對(duì)來(lái)說(shuō)：水平：斜程：則當(dāng)時(shí),總吸收的光譜透射比為：水平：斜程：6-8解：〔1在晴天下,由公式：帶入,x=3km,可求得：=0.46再由對(duì)比度公式：,帶入=0.3,=,得：=0.090〔2同理可得,在陰天條件下：=0.096,=0.088。6-9〔1當(dāng)波長(zhǎng)為時(shí),,故取,,。根據(jù)透射率公式可得：這里只取兩個(gè)組元的吸收,即水蒸氣和二氧化碳吸收的透射率,所以有。的飽和水蒸氣密度為,絕對(duì)濕度：所以,全路程的可凝結(jié)水的毫米數(shù)為：可凝結(jié)毫米數(shù)為50mm時(shí)的水蒸氣透射率：=0.548路程長(zhǎng)度為10km時(shí)二氧化碳的透射率：=0.995由以上可得出：=0.5480.995=0.545因此：當(dāng)波長(zhǎng)為時(shí),根據(jù)透射率公式可得：可凝結(jié)水的毫米數(shù)為50mm時(shí)=0.508,路程長(zhǎng)度為10km時(shí)=1。所以：=0.508可求得：6-10解：輸入文件：HY1太陽(yáng)散射輻亮度〔全波段.ltn。輸入?yún)?shù)：太陽(yáng)天頂角為0°。中緯度、夏天,23公里能見(jiàn)度,海水溫度300K,反射率0.03。輸出的全波段路徑輻亮度和總透過(guò)率曲線分別如圖〔a和〔b所示。中波、長(zhǎng)波波段的路徑輻亮度是海面和路徑大氣的熱輻射輻亮度之和大氣散射、海面反射均可忽略?！瞐輻亮度曲線〔b總透過(guò)率曲線第7章7-1紅外熱成像的過(guò)程包括獲取景象的紅外輻射、把紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),再用處理后的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示器,產(chǎn)生可供人眼觀察的圖像。7-2通常紅外成像系統(tǒng)包括五個(gè)主要的子系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)和掃描器,探測(cè)器和探測(cè)器電子線路,數(shù)字化子系統(tǒng)圖像處理子系統(tǒng)和圖像重建子系統(tǒng)。7-4〔1透射式光學(xué)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)擋光、球面鏡加工容易、通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)各種像差容易消除,但該類(lèi)系統(tǒng)的光量損失較大、裝配和調(diào)整較困難。〔2反射式光學(xué)系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)對(duì)材料要求不高、重量輕、成本低、光量損失小、不存在色差；但中心有擋光、軸外像差大,難以滿(mǎn)足大視場(chǎng)大孔徑成像的需要?！?折反射組合式光學(xué)系統(tǒng)。用球面鏡取代非球面鏡,并用補(bǔ)償透鏡來(lái)校正球面反射鏡的像差,可以獲得好的像質(zhì)。但是該類(lèi)系統(tǒng)的體積較大、成本較高、加工難度也較大。7-5〔1光子紅外探測(cè)器。易于準(zhǔn)備、材料穩(wěn)定。設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)工藝復(fù)雜,對(duì)分界面敏感?！?熱紅外探測(cè)器。輕便、可靠、成本低、室溫工作。響應(yīng)頻率低、響應(yīng)速度慢〔ms量級(jí)。7-6〔1響應(yīng)率或叫做響應(yīng)度；〔2噪聲等效功率；〔3探測(cè)率；〔4光譜響應(yīng)；〔5響應(yīng)時(shí)間；〔6頻率響應(yīng)。7-7以下分別為一點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正、三點(diǎn)校正、五點(diǎn)校正的探測(cè)器輸出曲線。7-8制冷型紅外探測(cè)器體積大、功耗大、價(jià)格高和可靠性不足；非制冷紅外焦平面探測(cè)器功耗低,尺寸小,成本低。7-9〔a該系統(tǒng)的=〔b系統(tǒng)的視場(chǎng)角FOV：是用感光面〔矩形的對(duì)角線的長(zhǎng)度為"底",鏡頭的焦距為高,組成的等腰三角形,頂角就是視場(chǎng)角：1.414<512*50+511*25>=54.26mm〔c有效采樣頻率,因?yàn)槟慰固仡l率=。7-10解：探測(cè)器的光敏面積,則入射到探測(cè)器的輻射功率：可得：歸一化探測(cè)率：第8章8-1熱成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)主要包括調(diào)制傳遞函數(shù)、噪聲等效溫差、最小可分辨溫差、作用距離。調(diào)制傳遞函數(shù)：是可以衡量熱成像系統(tǒng)如實(shí)再現(xiàn)場(chǎng)景的程度,它是具有不同時(shí)空頻率特性的各組成部分共同作用的結(jié)果。噪聲等效溫差：溫度為的均勻方形黑體目標(biāo),處在溫度為的均勻黑體背景中,熱像儀對(duì)此目標(biāo)進(jìn)行觀察,當(dāng)系統(tǒng)輸出的信噪比為時(shí),黑體目標(biāo)和黑體背景的溫差就作為噪聲等效溫差。最小可分辨溫差：對(duì)具有某一空間頻率的四個(gè)條帶〔高寬比為7:1目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)黑體圖案,由觀察者在顯示屏上作無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的觀察。當(dāng)目標(biāo)與背景之間的溫差從零逐漸增大到觀察者確認(rèn)能分辨〔50%的概率出四個(gè)條帶的目標(biāo)圖案為止,此時(shí)目標(biāo)與背景之間的溫差稱(chēng)為該空間的最小可分辨溫差。作用距離：是在規(guī)定的氣象條件下對(duì)特定目標(biāo)觀察、識(shí)別和認(rèn)清時(shí)的觀察距離、識(shí)別距離和認(rèn)清距離。8-2對(duì)于掃描型熱成像系統(tǒng),它的噪聲分布在各個(gè)分系統(tǒng)中,由于掃描的作用,可以用時(shí)間性噪聲來(lái)表示；應(yīng)用噪聲功率譜,把系統(tǒng)噪聲等效為一個(gè)噪聲源,插入探測(cè)器后,一般用測(cè)量NETD時(shí)的基準(zhǔn)參考電子濾波器模擬一代熱成像系統(tǒng)的探測(cè)器后續(xù)系統(tǒng)的濾波效果。最后可以使用NETD與系統(tǒng)噪聲的帶寬來(lái)求出系統(tǒng)噪聲。對(duì)凝視型熱成像系統(tǒng)而言,二代NETD測(cè)量點(diǎn)往往被典型地設(shè)在視頻信號(hào)輸出口,系統(tǒng)顯示之前,NETD已不足掃描系統(tǒng)噪聲。首先,NETD的測(cè)量和計(jì)算都要求一個(gè)基準(zhǔn)參考濾波器,以之來(lái)模擬后續(xù)的系統(tǒng)信號(hào)處理電路,而事實(shí)上,二代熱成像系統(tǒng)的信號(hào)處理往往已出現(xiàn)在NETD的測(cè)量點(diǎn)之前；其次,從信號(hào)處理不均勻和焦平面不均勻性出來(lái)后的噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲有重大貢獻(xiàn),甚至占據(jù)主要地位,而NETD顯然不能描述這些噪聲。8-3紅外熱成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電路和顯示器等四個(gè)組成部分決定。8-4空間頻率為的目標(biāo)與背景的實(shí)際溫差經(jīng)過(guò)大氣傳輸,到達(dá)熱成像系統(tǒng)時(shí)仍大于；同時(shí)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角應(yīng)大于或等于觀察水平所要求的最小張角。視距估算的傳統(tǒng)表達(dá)式如下：式中為目標(biāo)的特征空間頻率；為目標(biāo)到系統(tǒng)的距離；為到達(dá)熱成像系統(tǒng)時(shí)目標(biāo)與背景的溫差,它是距離和空間頻率的函數(shù)；為按Johnson準(zhǔn)則所要求的目標(biāo)等效條帶數(shù)；為目標(biāo)高度；為目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)所成的張角。8-5視距估算的修正因素有大氣傳輸衰減、觀察水平的確定和目標(biāo)形狀的影響。其中大氣傳輸衰減影響著熱成像系統(tǒng)的視距,不同大氣條件所產(chǎn)生的衰減有很大的差別。觀察水平是將系統(tǒng)性能與人眼視覺(jué)相結(jié)合的一種視覺(jué)劃分方法,需通過(guò)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)來(lái)完成。實(shí)驗(yàn)室性能參量的測(cè)試圖案是長(zhǎng)寬比為7:1的4條帶目標(biāo),而實(shí)際目標(biāo)的等效條帶圖案的長(zhǎng)寬比一般不滿(mǎn)足上述條件,因此,在視距估算時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬比做出修正。8-6紅外熱成像系統(tǒng)特性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)由黑體系統(tǒng)、紅外輻射準(zhǔn)直反射系統(tǒng)、被測(cè)試的紅外熱成像系統(tǒng)、監(jiān)視器和PC構(gòu)成。8-7平面黑體輻射源可以工作于兩種模式。一種是靜態(tài)模式,即平面黑體輻射源可以精確穩(wěn)定在一個(gè)固定的溫度；另一種是跟蹤模式,即借助于圓盤(pán)上的溫度傳感器,平面黑體輻射源可以準(zhǔn)確監(jiān)視和跟蹤其前面靶標(biāo)的溫度,并與之保持穩(wěn)定的溫差。8-8MTF測(cè)試采用課文中圖8-16〔b或〔c所示的靶標(biāo)。由于靶標(biāo)和黑體溫度是均勻的,且存在截然不同的溫差,則行像素對(duì)目標(biāo)圖案的響應(yīng)就構(gòu)成了邊界擴(kuò)散函數(shù)<ESF>。采用課文中圖8-5給出的MTF測(cè)試圖案。我們知道,邊界擴(kuò)散函數(shù)的微分就是線擴(kuò)散函數(shù)<LSF>。對(duì)LSF做離散傅里葉變換就可以獲得成像系統(tǒng)的MTF。考慮到離散數(shù)據(jù)已經(jīng)包含隨機(jī)噪聲、采樣噪聲,而數(shù)字微分將會(huì)增大這些噪聲,這將導(dǎo)致MTF的失真,特別是在高頻部分。為了避免噪聲產(chǎn)生的影響,可以采用函數(shù)擬合法來(lái)擬合邊界擴(kuò)散函數(shù)。擬合函數(shù)是多個(gè)費(fèi)米函數(shù)累加的形式,它的表達(dá)式為：①選擇費(fèi)米函數(shù)是因?yàn)樗cESF有類(lèi)似的形狀,產(chǎn)生的擬合誤差較小。Tzannes的研究表明,當(dāng)取3時(shí),已具有很好的擬合度。對(duì)微分可以得到LSF的表達(dá)式：②依照最小均方誤差準(zhǔn)則,可以計(jì)算出方程①的未知參數(shù),代入方程②即可獲得LSF。這不僅避免了數(shù)字微分引入更大噪聲,而且可以對(duì)數(shù)據(jù)重采樣,以獲得更高的分辨率。已知LSF,我們可以通過(guò)離散傅里葉變換獲得紅外成像系統(tǒng)的MTF。8-9由于熱成像系統(tǒng)的波長(zhǎng)范圍較寬,而且接收的景物輻射是非相干的,其光學(xué)系統(tǒng)可以認(rèn)為是衍射限制光學(xué)系統(tǒng)。衍射限制的光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)取決于其波長(zhǎng)和孔徑。對(duì)于常見(jiàn)的圓形孔徑,衍射限制下的調(diào)制傳遞函數(shù)為：式中,為截止頻率,它由波長(zhǎng)和數(shù)決定,。除了衍射作用以外,成像過(guò)程還會(huì)受到光學(xué)系統(tǒng)像差的影響。由像差引起的彌散圓能量分布為高斯函數(shù),具有圓對(duì)稱(chēng)形式,其標(biāo)準(zhǔn)偏差為,其調(diào)制傳遞函數(shù)為：綜合以上兩個(gè)因素可得光學(xué)系統(tǒng)總的調(diào)制傳遞函數(shù)：8-10作用距離包含兩種計(jì)算模型：點(diǎn)目標(biāo)模型和擴(kuò)展源模型。當(dāng)目標(biāo)成像不足以充滿(mǎn)一個(gè)像素時(shí)就可以把目標(biāo)看成是點(diǎn)目標(biāo)。理論上只要目標(biāo)到達(dá)系統(tǒng)的輻射能量大于系統(tǒng)的探測(cè)閾值,系統(tǒng)就有響應(yīng),就可以探測(cè)出目標(biāo)。而事實(shí)上,對(duì)目標(biāo)探測(cè)的主要目的就是獲取目標(biāo)的確切信息,比如說(shuō)目標(biāo)的類(lèi)型、型號(hào)等,因此點(diǎn)目標(biāo)模型并沒(méi)有實(shí)際的意義。此時(shí)要把目標(biāo)看成是擴(kuò)展源目標(biāo)來(lái)研究。在研究紅外成像系統(tǒng)對(duì)這類(lèi)目標(biāo)的作用距離時(shí),不能僅僅考慮目標(biāo)的輻射能量,而且還要考慮目標(biāo)的大小和形狀對(duì)視距估算的影響。第9章9-1對(duì)于橫波,通過(guò)波的傳播方向且包含振動(dòng)矢量的那個(gè)平面顯然和不包含振動(dòng)矢量的任何平面有區(qū)別,這說(shuō)明波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较驔](méi)有對(duì)稱(chēng)性。振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)性稱(chēng)為偏振。9-2線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光。9-3從自然光獲得偏振光的方法有以下四種：〔1利用反射和折射；〔2利用二向色性；〔3利用晶體的雙折射；〔4利用散射。9-6紅外波段的目標(biāo)反射及自身輻射電磁波的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生由自身特性所決定的偏振特性。紅外偏振成像就是利用目標(biāo)的紅外偏振特性進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別。對(duì)于任意目標(biāo),只要從一個(gè)光滑表面反射或者輻射時(shí),從一定的觀測(cè)角度來(lái)看,紅外輻射就會(huì)產(chǎn)生線偏振光。第10章10-1仿真模型：仿真模型是被仿真對(duì)象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。但并不是所有對(duì)象都能建立物理模型。為此首先要建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,然后將它轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的形式,即仿真模型。具體地說(shuō),對(duì)于模擬計(jì)算機(jī)應(yīng)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排題圖；對(duì)于數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)換成源程序。數(shù)學(xué)仿真：是以數(shù)學(xué)方程式相似為基礎(chǔ)的仿真方法,它是用數(shù)學(xué)式來(lái)表示被仿真的對(duì)象。在紅外仿真中數(shù)學(xué)仿真的內(nèi)容主要包括目標(biāo)的紅外輻射特征模型、背景的紅外輻射特征模型、目標(biāo)與背景的合成模型以及大氣傳輸特性模型等。半實(shí)物仿真：將控制器〔實(shí)物與在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的控制對(duì)象的仿真模型〔見(jiàn)數(shù)學(xué)仿真聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)。在這種試驗(yàn)中,控制器的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來(lái),因此它是一種更接近實(shí)際的仿真試驗(yàn)技術(shù)。10-2根據(jù)不同目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)和工作原理以及是否有內(nèi)部熱源等特點(diǎn),考慮其與周?chē)尘暗哪芰拷粨Q關(guān)系〔導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、太陽(yáng)輻射、大氣輻射等,建立描述目標(biāo)溫度分布的數(shù)學(xué)模型,求解目標(biāo)的溫度場(chǎng),并根據(jù)目標(biāo)表面材料的紅外輻射特征參數(shù),計(jì)算目標(biāo)的紅外輻射特征。目標(biāo)相關(guān)參數(shù)目標(biāo)相關(guān)參數(shù)目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)環(huán)境參數(shù)目標(biāo)溫度計(jì)算模型目標(biāo)表面材料紅外輻射特征目標(biāo)自身紅外輻射目標(biāo)表面材料紅外反射特征環(huán)境紅外輻射目標(biāo)紅外輻射特征10-3根據(jù)背景的類(lèi)型,如自然地表、水面、雪地、叢林等,考慮其與周?chē)h(huán)境的能量交換關(guān)系,建立背景的溫度分布計(jì)算模型,利用背景表面的紅外輻射特征數(shù)據(jù),建立背景的紅外輻射特性理論模型.近紅外、中紅外等紅外圖像近紅外、中紅外等紅外圖像圖像處理隨機(jī)分布和分形方法地面背景的類(lèi)型和高程數(shù)據(jù)物性參數(shù)環(huán)境參數(shù)背景的溫度計(jì)算模型紅外輻射特征模型材料表面紅外輻射參數(shù)10-4將控制器〔實(shí)物與在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的控制對(duì)象的仿真模型〔見(jiàn)數(shù)學(xué)仿真聯(lián)接在一起進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)。在這種試驗(yàn)中,控制器的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來(lái),因此它是一種更接近實(shí)際的仿真試驗(yàn)技術(shù)。10-5首先建立地表紅外輻射模型然后利用地表紅外輻射模型計(jì)算得到24地表溫度均值曲線,假設(shè)24地表溫度標(biāo)準(zhǔn)差曲線為；然后由可見(jiàn)光圖像求出圖像的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差；再令；地表24溫度場(chǎng)；最后由溫度場(chǎng)得到紅外仿真圖像10-6目標(biāo)與背景的紅外輻射仿真步驟,主要利用GenesisMC和JRM材質(zhì)庫(kù),對(duì)目標(biāo)和背景紅外輻射特征進(jìn)行映射。以T72紅外特征為例,T72坦克主要熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)、履帶等。首先導(dǎo)入T72坦克的紋理,然后使用GenesisMC進(jìn)行熱源標(biāo)記和熱邊界識(shí)別。通過(guò)熱源賦予材質(zhì)、最終把材質(zhì)和熱特性信息存儲(chǔ)為MCM編碼的紋理圖片。建立好模型后,可以預(yù)覽建立的模型,并根據(jù)需要調(diào)整。10-7〔1MotionMTF：運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù),指物體與成像傳感器之間的運(yùn)動(dòng)造成成像信息的調(diào)制特性；〔2Aero-opticaleffects：氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng),當(dāng)光波在飛行器周?chē)鲌?chǎng)中傳輸時(shí),氣體介質(zhì)密度的變化會(huì)導(dǎo)致光波前發(fā)生畸變,從而對(duì)機(jī)載或其他運(yùn)動(dòng)載體的光學(xué)系統(tǒng)成像性能產(chǎn)生不利影響,這種作用稱(chēng)之為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)；〔3Transmittance/emittance：透射率/發(fā)射率。透射率是指光穿過(guò)透光介質(zhì)之后其出射光功率與入射光功率之比。發(fā)射率物體通過(guò)表面向外輻射的電磁能與同溫度的黑體在相同條件下所輻射的電磁能的比值；〔4iTF：信號(hào)傳遞函數(shù)。描述場(chǎng)景輻射量值到成像系統(tǒng)輸出信息的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程的一個(gè)函數(shù)；〔5DiffractionMTF：衍射調(diào)制傳遞函數(shù),指光學(xué)系統(tǒng)衍射造成的成像信號(hào)的調(diào)制特性；〔6DesignblurMTF：圖樣模糊的調(diào)制傳遞函數(shù)；〔7VibrationMTF：振動(dòng)的調(diào)制傳遞函數(shù)用來(lái)描述振動(dòng)造成的成像信號(hào)的調(diào)制特性。10-8〔1DetectorIFOVsampling：探測(cè)器瞬時(shí)視場(chǎng)采樣。每一個(gè)探測(cè)單元都對(duì)應(yīng)著一個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng),探測(cè)器通過(guò)每一個(gè)這樣的視場(chǎng)對(duì)空間進(jìn)行劃分并采樣；〔2DetectorMTF：探測(cè)去調(diào)制傳遞函數(shù),通常用來(lái)描述探測(cè)器的信號(hào)調(diào)制特性；〔3Detectorpitch：探測(cè)器像元間距；〔4Spectralresponse/efficiency：光譜響應(yīng)度/光譜響應(yīng)效率。指光陰極量子效率與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系；〔5Scanningeffects：掃描效率,在掃描成像中,有效的掃描時(shí)間與幀周期之比稱(chēng)為系統(tǒng)的掃描效率；〔6NET-calibrated<1/f>n&whilenoise：噪聲等效溫度與白噪聲,噪聲等效溫度一般指信號(hào)處理電路中把噪聲等效到一個(gè)溫度T的電阻熱噪聲,這時(shí)把該溫度稱(chēng)為噪聲等效溫度。白噪聲是指白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲；〔7Back-endfiltering：后置濾波器；〔8Detectornon-uniformity：探測(cè)器非均勻性。探測(cè)器非均勻性指在相同光照度的情況下,不同探測(cè)器單元的響應(yīng)電壓不同。通常需要非均勻性校正；〔9NUC：非均勻性校正,指通過(guò)一定的算法使得對(duì)于相同的光照度所有的像元輸出趨于一致；〔10Dead-pixels：盲元,通常是指探測(cè)器當(dāng)中一些自生產(chǎn)出來(lái)就不能使用的單元。10-9〔1Pre-amplifier：前置放大通常用于對(duì)信號(hào)初步處理；〔2AC-coupling：交流耦合,就是通過(guò)隔直電容耦合,去掉了直流分量；〔3BoostelexOTF：提舉電路的調(diào)制傳遞函數(shù),表征提舉電路的調(diào)制特性；〔4DisplayMTF：顯示設(shè)備的調(diào)制傳遞函數(shù),表征顯示設(shè)備的信號(hào)調(diào)制特性；〔5AGC/Gain-Level：自動(dòng)增益/自動(dòng)增益水平。一般指自動(dòng)調(diào)解放大器的增益倍數(shù)；〔6Real-timedisplay：實(shí)時(shí)顯示。采集來(lái)的圖像信息立刻進(jìn)行顯示。10-10首先由目標(biāo)紅外輻射模型和背景紅外輻射模型共同構(gòu)建目標(biāo)與背景合成模型。再由大氣傳輸模型,紅外探測(cè)器參數(shù)與目標(biāo)與背景合成模型共同組建系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的紅外圖像序列。目標(biāo)紅外目標(biāo)紅外輻射模型背景紅外輻射模型目標(biāo)與背景合成模型大氣傳輸模型紅外探測(cè)器參數(shù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的紅外圖像序列第十一章11-1〔1盲元是指IRFPA中的響應(yīng)過(guò)高或過(guò)低的像素;隨機(jī)共振是指非線性系統(tǒng)、弱的周期信號(hào)和適量的噪聲三者在一定條件下協(xié)作時(shí),噪聲通過(guò)非線性系統(tǒng)對(duì)信號(hào)起積極作用的現(xiàn)象；〔2隨機(jī)共振是指非線性系統(tǒng)、弱的周期信號(hào)和適量的噪聲三者在一定條件下協(xié)作時(shí),噪聲通過(guò)非線性系統(tǒng)對(duì)信號(hào)起積極作用的現(xiàn)象。11-2紅外圖像具有以下特點(diǎn)：〔1紅外熱圖像表征景物的溫度分布是灰度圖像,沒(méi)有立體感,對(duì)人眼而言,分辨率低；〔2由于受景物熱平衡、波長(zhǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)、大氣衰減等因素的影響,紅外圖像空間相關(guān)性強(qiáng)、對(duì)比度低、視覺(jué)效果模糊；〔3熱成像系統(tǒng)的探測(cè)能力和空間分辨率低于可見(jiàn)光CCD陣列,使得紅外圖像的清晰度低于可見(jiàn)光圖像；〔4外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和熱成像系統(tǒng)的不完善,給紅外圖像帶來(lái)多種多樣的噪聲,比如熱噪聲、散粒噪聲、噪聲、光子電子漲落噪聲等；11-3從信號(hào)傳遞的過(guò)程來(lái)看,首先是探測(cè)器像素響應(yīng)率的不一致性,紅外焦平面陣列由成千上萬(wàn)個(gè)像素組成,由于各個(gè)像素的響應(yīng)參數(shù)不盡相同,造成即使在均勻輸入的情況下,各個(gè)像素的響應(yīng)也不一致,這是導(dǎo)致紅外焦平面陣列非均勻性的主要因素；其次是讀出電路自身以及讀出電路和探測(cè)器的耦合因素等。11-4非均勻性校正的方法有很多,基本可以分為兩類(lèi)：基于參照源和基于場(chǎng)景的校正技術(shù)。國(guó)外的大量研究工作集中于基于場(chǎng)景的非均勻性校正技術(shù),并提出了多種基于場(chǎng)景的非均勻性校正方法。目前比較實(shí)用的還是兩點(diǎn)法和擴(kuò)展兩點(diǎn)法。非均勻性校正就是使相同輻射條件下的探測(cè)器的響應(yīng)曲線重合于一條曲線,為此設(shè)定一條標(biāo)準(zhǔn)曲線,將各探測(cè)元的響應(yīng)曲線分別做旋轉(zhuǎn)和平移變換,最終使探測(cè)元的響應(yīng)曲線完全重合。11-5紅外圖像的常見(jiàn)噪聲模型有：高斯噪聲,瑞利噪聲,伽馬<愛(ài)爾蘭>噪聲,指數(shù)分布噪聲,均勻分布噪聲,脈沖噪聲<椒鹽噪聲>等。11-6本方法的關(guān)鍵在于通過(guò)多次隨機(jī)共振從被背景噪聲淹沒(méi)的紅外圖像中"揀"出有用的弱信號(hào),而發(fā)生隨機(jī)共振需要有合適的噪聲。所以,面臨的問(wèn)題是添加何種類(lèi)型的噪聲、如何獲得合適的噪聲強(qiáng)度。添加噪聲。第次噪聲添加得：式中,,,、分別是圖像的均值和方差。是噪聲函數(shù)：對(duì)進(jìn)行二值化得到：其中。經(jīng)過(guò)次計(jì)算后,再求出最后的隨機(jī)共振結(jié)果：11-7用matlab編寫(xiě)程序,實(shí)現(xiàn)紅外圖像的直方圖均衡、自適應(yīng)分段線性變換、小波變換等