地面装备红外辐射测量不确定度分析研究

2021-08-16刘增灿张群兴罗中华邓爱明张天才

装备环境工程 2021年7期

刘增灿，张群兴，罗中华，邓爱明，张天才

（1.西南技术工程技术研究所，重庆 400039；2.驻重庆地区第七军代室，重庆 400070）

红外辐射是武器装备的重要目标特征之一，是探测识别及制导打击目标所采用的重要模式之一。红外辐射特性的精确测量是装备红外隐身伪装性能评价的重要前提。地面装备红外辐射特性的测试评估主要采用红外热像仪采集目标的红外热像，通过提取红外图像中目标与背景辐射温度、辐射亮度、辐射强度等特征参量，统计目标与背景辐射温差、温度对比度等特征数据，评价其红外隐身效果，分析不同伪装措施优劣。由于受大气衰减、设备性能、目标运动等各种因素的影响，不可避免地对红外辐射特性的准确测量带来误差，使得目标红外成像质量下降，反演的红外辐射强度/温度数值不准确，严重影响地面装备红外隐身伪装效果的可靠评价[1-2]。

张伟等[3-4]分析了用红外热像仪进行精确测温的条件，探讨了环境、大气和热像仪本身对测量精度的影响，提出了目标发射率与大气影响修正及热像仪自身辐射补偿措施。王建军[5]等提出了内、外标定相结合的标定方法，区别于传统的标定方法，不再把测量系统当作“黑盒子”，而是对其内部分解进行分步标定，通过理论推导给出了内外标定方法计算公式。杨国庆等[6]提出了一种提高远距离目标红外辐射测量精度的非线性大气修正（NLAC）方法，该方法利用近距离标准，参考源测量（NRSRM）来计算实时环境中不同位置的实际大气透过率和程辐射，相应条件下的理论大气透过率和程辐射也可以从大气辐射传输软件中获得。郭立红[7]提出了利用大气修正因子修正大气透过率来提高测量目标红外辐射特性精度的方法。目前很多作者从不同特定角度分析了影响红外辐射测量精度的重点关注因素，提出了相应的提高辐射测量精度的措施方法，很少对红外辐射测量不确定度进行系统、全面的分析计算研究，尤其缺乏复杂环境下的动态红外辐射测量不确定度研究。

本文基于热像仪辐射特性测量与定标原理，分析了地面装备动静态红外辐射特性测量不确定度影响因素，采用校准黑体与被测目标等距离同视场同步标定测量方法，实现了对室外场热像仪示值的标定，系统建立了辐射温度误差与不确定度因子分析方法，为地面装备红外辐射特性精确测量与红外隐身伪装性能的准确评估提供了一种技术途径。

1 原理与模型

1.1 红外辐射测量原理

红外辐射特性测量研究一般采用红外热像仪采集目标红外热像，基于图像处理软件及辅助测量参数，并经理论换算获取目标的红外辐射亮度、辐射温度等特性数据。红外热像仪的探测器是光电转换器件，一般由锑化铟或碲镉汞材料制成，用于将接收到的红外热辐射能量转换为电信号，经过放大、整形、模数转换后，成为数字信号，在显示器上通过图像显示出来。图像中每一个点的灰度值与被测物体上该点发出并到达光电转换器件的辐射能量相对应，从红外热像仪的图像上读出被测物体表面上每一个点的辐射温度值。红外热像仪测温根据接收被测物体表面发射的辐射以及提供的目标、环境、设备参数等信息，通过建立的数学模型及标定结果来确定其温度值。

红外辐射原理如图1所示。图1中ε为地物的发射率；τa为大气的透射率；Tobj为被测物体温度；Tsur为环境温度；Tatm为大气温度；被测物体的辐射能为ετaWobj；地物环境的反射辐射能为(1－ε)τaWsur；大气辐射能为(1－τa)Watm。作用于热像仪的辐照度为[8-9]：

图1 红外辐射原理Fig.1 Schematic diagram of infrared radiation principle

式中：To为被测目标表面的温度，K；aλ为外界辐射的光谱吸收率；Tu为环境大气温度，K；εa为大气的光谱发射率；Ta为测量的大气温度，K。

根据热像仪的接收能量与响应电压的关系，依据普朗克辐射定律，经理论推导得到基于热像仪获得的目标红外辐射表观温度值为：

式中：n、k'为与热像仪工作波段相关的常数。一般根据传感器工作波段、系统响应系数等参数，经过实验室标定确定。对于HgCdTe(8~13) μm探测器，n值为4.09；对于HgCdTe(6~9) μm探测器，n值为5.33；对于InSb(2~5) μm探测器，n值为8.68。

一般基于红外热像测量进行红外伪装隐身性能评价，主要途径是根据热像仪呈现的热像图中目标轮廓、与周围环境的图像对比度或者是被测目标与背景环境的表观温度、表观温度差的不同，用于定性或者定量评估目标的红外伪装性能优劣。红外辐射特性参数的准确性直接影响目标红外隐身伪装性能的评估。

在室外开展红外目标特性测试过程中，能够比较容易地获取目标测试距离、大气温度、环境温度、大气湿度等参数。目标表面的发射率可以参考被测目标表面红外隐身材料的实验室数据获取，但不同试验环境下的大气透过率参数难以通过常规手段获得，且该数据与测试距离、大气湿度均相关，并与测试距离呈非线性关系。为了尽可能降低大气透过率参数准确性对温度测试的影响，常采用等距离同视场同步定标方式，即将面源黑体与被测目标放置在相同距离和方位处，在完成热像仪其他参数设置的基础上，通过调整热像仪内部的大气透过率参数，使热像图中黑体的表观温度尽可能与面源黑体的实际温度一致，从而实现对室外场热像仪示值的标定[10]。

1.2 红外辐射测量不确定度模型

由热像仪测温测量和定标原理可知，影响动态目标红外辐射特性测量不确定度的因素很多，包括大气透过率误差引入的不确定度、被测目标表面发射率误差引入的不确定度、环境温度测量误差引入的不确定度、大气温度误差引入的不确定度、测试距离误差引入的不确定度、热像仪稳定性引入的不确定度、标定黑体不确定度引入的不确定度和动目标运动散焦图像混叠所引入的不确定度等。以上因素的相关参数不准确时，均会影响红外辐射温度的测量精度，在不同的波段，影响程度不一致[11-16]。

红外热像仪示值误差校准的数学模型如式（3）所示：

式中：Δti为在第i个校准点，被校红外热像仪的示值误差，℃；tri为在第i个校准点，被校红外热像仪的示值，℃；toi为在第i个校准点，黑体辐射源的温度示值，℃。

对红外热像仪校准结果不确定度有影响的量为被校红外热像仪的示值tri和黑体辐射源的示值toi，这2个量彼此独立。因此，其合成不确定度为：

式中：utτai为由大气透过率误差引入的温度示值标准不确定度分量；uriε为由目标发射率误差引入的温度示值标准不确定度分量；urui为由环境温度误差引入的温度示值标准不确定度分量；utRi为由测试距离误差引入的温度示值标准不确定度分量；urai为由大气温度误差引入的温度示值标准不确定度分量；utwi为由热像仪稳定性引入的温度示值标准不确定度分量；uToi为由校准用面源黑体温度不确定度引入的温度示值标准不确定度分量；uMoi为由于目标与测量仪器的相对运动使得红外辐射图像散焦混叠而引入的温度示值标准不确定度分量。

2 结果及分析

1）大气透过率误差引入的不确定度[17-18]。设置黑体面源温度为50 ℃，热像仪测试距离为97 m，根据气象参数设置热像仪工作参数，发射率设置为黑体的参数值0.97。将大气透过率调整为0.74时，使热像图显示温度与黑体温度一致，如图2所示。

图2 面源黑体在50 ℃下热像仪定标后和调整大气透过率参数后的热像图Fig.2 Thermal images of (a) surface source blackbody at 50 ℃and (b) adjusted atmospheric transmittance parameters

在保持其他参数不变的情况下，仅改变大气透过率参数，其参数调整的分辨率为0.01，将大气透过率参数由0.74逐渐变换到0.80，分别采集热像图。读取面源黑体及热像图中黑体的温度示值，温度统计结果见表1。

表1 大气透过率参数误差对温度示值的影响Tab.1 Influence of atmospheric transmittance parameter error on temperature indication

由表1可知，大气透过率误差引入的温度示值误差为0.27℃。由于该热像仪温度示值与黑体源温度互为独立变量，参照GJB 3756—1999测量不确定度的表示及评定B类不确定度的评定[19]，取包含因子为则由大气透过率参数误差引入的不确定度分量utτai为0.16 ℃。

2）被测目标表面发射率误差引入的不确定度[20-21]。同理，在保持其他参数不变的情况下，仅改变目标的发射率率参数，其参数调整的分辨率为0.01，将发射率由0.97修改为0.91，采集热像图，读取面源黑体及热像图中黑体的温度示值，温度统计结果见表1。

3）目标发射率误差引入的温度示值误差为0.78 ℃，由发射率参数误差引入的B类不确定度分量为0.45 ℃。环境温度测量误差引入的不确定度为0.08 ℃；测试距离变化5 m引入的的不确定度分量为0.24 ℃；大气温度误差引入的不确定度分量0.25 ℃；热像仪的稳定性误差引入的不确定度分量为0.29 ℃。

根据面源黑体的计量检测报告给出的检测结果[22]，其在50、100 ℃温度下，当k=2时的扩展不确定度为0.8 ℃，则面源黑体在100 ℃范围内的标准不确定度为0.40 ℃。计算得到静态红外辐射表观温度测量合成标准不确定度为0.77 ℃，静态红外辐射表观温度测量扩展不确定度为1.54 ℃（95%置信概率）。

动态跟踪测量主要是目标运动特性适配性的影响。若热像仪系统在全分辨率情况下的帧频为50 Hz，则每幅图像间的时间间隔约为0.02 s。假设装备以60 km/h速度，相对于距离200 m的测试系统做横向运动，则目标相对于测试系统的横向移动速度约为16.67 m/s。在0.02 s时间内，目标的横向距离差为0.33 m。对于空间分辨率为0.08 mrad的红外测试系统，对无跟踪转台的测试设备，热像仪图像中将导致约20个像素点的图像混叠，从而出现图像拖尾现象，无法获取清晰可靠的红外热像图。由于目标图像出现混叠，将导致提取的表面辐射温度数据出现较大误差。

以辐射面积为400 mm×400 mm的面源黑体作为测试对象，黑体温度设置为80 ℃，将热像仪架设在距离热像仪80 m处的移动车辆平台上。通过分别在热像仪稳定架设状态和热像仪运动状态下采集黑体的红外视频图像，以模拟在对运动目标进行红外隐身特性测试过程中可能由于跟踪转台晃动、运动目标加速、跟踪延迟等因素导致目标图像混叠或偏移对红外特性的影响。从录制的红外视频中抽取的典型状态下的热像图见图3，对图像中面源黑体区域最高温度示值进行统计，其统计结果见表2。

表2 动态红外影响试验统计Tab.2 Statistics of dynamic infrared influence test

图3 动态红外试验用黑体和定标图Fig.3 (a) Blackbody and (b) calibration for dynamic infrared test

在模拟运动状态下，当目标像元偏且发生混叠、散焦现象时，与黑体的设定温度差值在–0.5 ~ –4.8 ℃之间波动，取11次均值误差为–1.84 ℃，置信度概率为68%，则动态测试试验过程中的温度测量不确定度因子为–1.05 ℃。计算得到动态红外辐射表观温度测量合成标准不确定度为1.30 ℃，动态红外辐射表观温度测量扩展不确定度为2.60 ℃（95%置信概率）。