用双波段红外成像系统对空中点目标测距

　　1　引　言

　　被动探测系统由于系统本身不辐射电磁波,故不容易获取目标的距离信息。被动系统常见的获取目标距离的方法主要是利用双站或多站对目标进行交叉定位。在红外波段,红外辐射在大气中传输时,大气对红外辐射的吸收随波长发生一定的变化,同一目标在不同波段上的对比度也会随距离发生变化。于是,可以根据对比度、辐射强度等信息随距离的变化来确定目标的距离。目前,红外成像系统已经在目标探测、制导等系统上得到广泛应用。本文讨论如何利用成像系统获取目标的距离信息。

　　2　成像系统表观对比度模型[1-3]

　　传统的被动定位系统基本上采取双站或多站交叉定位方法,本文探讨红外成像系统的单站定位,主要讨论距离信息的获取。鉴于目前大多数红外成像系统已是非噪声限制系统,即对比度限制系统[4-5],在此利用对比度的概念讨论双波段红外成像系统对空中点目标测距的方法。

　　对于红外成像系统,引用瞬时视场IFOV(In-stantaneous Field of View)概念[2],设探测器像元尺寸、光学系统焦距分别为d和f,则IFOV= d/f。当目标与光电成像系统相距很远,其对红外系统张角小于红外成像系统的瞬时视场角时,它可以视作一点目标。

　　设目标发出的辐亮度是Lt,目标到传感器之间大气产生的路径辐亮度为La(R),无限远处的大气背景辐亮度为La(∞)在光学系统焦平面上,目标所在IFOV内产生辐照度Et由以下3部分组成:

　　第1部分,来自目标并经大气透射衰减后的辐射,它形成的辐照度是:

　　第2部分,来自目标所张立体角内路径辐射形成的辐照度:

　　第3部分,目标所张立体角外的大气背景形成的辐照度:

　　式中,τ0表示光学系统的透过率;τa(R)表示距离为R的传输路径对应的大气透过率;A0表示光学系统入瞳面积;At表示目标在垂直于观察视线方向的平面上的投影面积;Ap表示目标所在位置对应的瞬时视场投影面积,并有。

　　同时,相邻瞬时视场内接收大气背景辐射的辐照度为:

　　依据对比度定义,经过大气衰减后的目标与大气背景的表观对比度可以表示成[6]:

　　式中,Et为目标在IFOV中形成的辐照度。令ξ=At/Ap,那么,由以上各式可以推导出:

　　在红外辐射长距离传输过程中,假定传输路径的路径辐亮度变化十分缓慢,则沿传输路径任意位置的路径辐亮度La(R)可由该位置的大气透过率τa(R)和路径辐亮度限La(∞)近似表示:

　　由上式可以看到,目标的表观对比度只与目标绝对对比度、大气传输状况、目标对成像系统张角在瞬时视场中所占比例有关,而与光学系统的参数无关。