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红外热像仪的探测距离一、引言在自然界中一切温度高于绝对零度（－273．16摄氏度）的物体都不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，无论白天黑夜，物体都会辐射红外线。红外热像仪就是把这些人眼不可见的热辐射转变为人眼可见的热像图。由于红外热像仪只是被动地接收目标的热辐射，因此具有隐蔽性好等特点。被动式红外热像仪一般工作在3—5μm和8—14μm这两个波段，相对于可见光和近红外而言，其波长比较长，穿透雨、雪、雾、烟尘等能力强，因此在国防、警用、安防等领域红外热像仪是一个非常有效的设备。但用户购买热像仪常常会问一个问题：热像仪能看多远。这是一个特别重要的问题，但又是很难说清楚的问题。比如说，我们热像仪能看到146×106公里外的太阳，但不能说热像仪的探测距离能达到146×106公里。但这探测距离又是必须说清楚的一个问题，因为客户买热像仪是用来探测、监控目标的。二、约翰逊准则探测距离是一个主观因素和客观因素综合作用的结果。主观因素跟观察者的视觉心理、经验等因素有关。要回答“热像仪能看多远”，必须先弄清楚“什么叫看清楚”，如探测一个目标，甲认为看清楚了，但乙可能就认为没看清楚，因此必须有一个客观统一的评价标准。国外在这方面做了大量的工作，约翰逊根据实验把目标的探测问题与等效条纹探测联系起来。许多研究表明，有可能在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定红外热像仪成像系统对目标的识别能力，这就是约翰逊准则。目标的等效条纹是一组黑白间隔相等的条纹图案，其总高度为目标的临界尺寸，条纹长度为目标为垂直于临界尺寸方向的横跨目标的尺寸。等效条纹图案的分辨力为目标临界尺寸中所包含的可分辨的条纹数，也就是目标在探测器上成的像占的像素数。目标探测可分为探测（发现）、识别和辨认三个等级。探测探测定义为：在视场内发现一个目标。这时目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到1.5个像素以上。识别识别定义为：可将目标分类，即可识别出目标是坦克、卡车或者人等。这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到6个像素以上。辨认辨认的定义为：可区分开目标的型号及其它特征，如分辨出敌我。这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到12个像素以上。以上都是在概率50％，也就是刚好能发现目标，以及目标与背景的对比度为1的条件下所得到的数据，从上面的约翰逊准则可以看出，一套热像仪能看多远，是由目标尺寸、镜头焦距、探测器性能等因素决定的。三、决定探测距离的因素1、镜头焦距决定热像仪的探测距离的最重要的因素就是镜头焦距。镜头焦距直接决定了目标所成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素。通常这是用空间分辨率（IFOV）来表示，它表示每个像素在物空间所张开的角度，也就是系统所能分辨的最小角度，一般由像元尺寸（d）与焦距（f）的比值得出，即IFOV＝d/f。每个目标在焦平面所成的像占几个像素，可由目标尺寸、目标与热像仪的距离、空间分辨率（IFOV）计算得出。目标尺寸（D）和目标与热像仪的距离（L）的比值为目标的张角，再与IFOV相除得到像占用像素点的数量，即n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)。从中可以看到，焦距越大，目标像所占用的像素点越多，根据约翰逊准则可知，其探测距离更远。但另一方面，焦距越大，视场角越小，同时成本也更高。这里举个例子。热像仪焦平面的像元尺寸为38μm，配100mm焦距镜头，则空间分辨率IFOV为0.38mrad。观察1公里远的大小为2.3m的目标，则目标所张开的角度为2.3mrad，目标所成的像占用2.3/0.38＝6个像素。根据约翰逊准则可知，达到识别水平。2、探测器性能镜头焦距是从理论上决定了热像仪的探测距离，在实际应用中起着重要作用的另一因素是探测器性能。镜头焦距只是决定了所成像的大小，占用像素点的数量，探测器性能则决定图像质量，如模糊程度，信噪比等。探测器性能可从像元尺寸、热灵敏度、信号处理等方面来分析。像元尺寸越小，则空间分辨率（IFOV）越小，从前面的讨论可看出，其探测距离越大。一个典型例子是，FLIR非制冷热像仪的Photon320的像元尺寸是38μm，Photon640的像元尺寸为25μm，如果都配100mm镜头，观察2.3m的目标，按照约翰逊准则，其识别距离分别为1公里、1.5公里。探测器的热灵敏度和信号处理决定了图像的清晰度。如果探测器的热灵敏度和信号处理能力不好的话，则所成的像只是一个模糊的热像，也就无法识别。因此，一些探测器的热灵敏度不高的话，则采取加大镜头口径的方法来提高图像效果，这不但增加了成本，而且也增加了使用上的不方便。美国FLIR的Photon系列，使用的镜头F数一般可降低到1.4～1.7，也就是口径可做得特别小。3、大气环境虽然热辐射对大气的穿透能力比可见光强，但大气吸收、散射等对热像仪成像还是有一定的影响，特别是大雾和大雨的天气环境，从而影响到了热像仪的探测距离。综上所述，一个热像仪能“看多远”是一个很难说清楚的问题，它受到几个方面的影响，它是探测器、镜头、目标、大气环境等客观因素及人的主观因素共同影响的结果。下图是FLIR的非制冷热像仪Photon320探测距离效果图，其像元尺寸为38μm，像素为320*240，配50mm焦距镜头。红外热像仪成像原理：红外热像仪是被动红外成像。在自然界中一切温度高于绝对零度(-273.16摄氏度)的物体都不断地辐射着红外线，这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，无论白天黑夜，物体都会辐射红外线，但红外线不论强弱，人们都看不到。红外热像仪就是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过红外光学系统红外探测器的光敏源上利用电子扫描电路对被测物的红外热像进行扫描转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热图像。利用这种原理制成的仪器为红外热像仪。它通过探测微小的温度差别，产生的图像是热图像。