空间目标红外双波段成像测温

作为空间目标与地基望远镜红外成像终端间不确知参量之一的地球热辐射,会降低传统双波段比色测温法正向求解准确度.为了提高目标温度估计的准确度,建立了基于红外探测器测量电子数的评价函数,得到了求解最大似然函数的温度反向求解模型;推导了双波段比色测温法的温度正向求解模型,进行了两种测温方法的仿真实验与比较分析.结果表明:目标温度反演准确度与成像探测器信噪比、地球热辐射估算准确度以及波段之间的发射率差异有着紧密的关系;当信噪比较低时,双波段比色测温法会陷入无解区域;当信噪比较高时,双波段比色测温法与最大似然函数法反演温度准确度相当;最大似然函数法采用有约束与有限内存的拟牛顿优化算法可有效避免目标函数陷入局部最小值;最大似然函数法具有很强的抗噪音干扰能力,能扩大目标温度求解的范围,并具有较高的准确度;在保证信噪比的情况下,增加成像波段数目可以提高温度反演准确度.     

地球大气系统对红外目标探测影响的分析

利用SBDART软件包计算了不同地球大气系统下2．5～5μm波段范围内的大气透过率和地球大气背景红外辐射光谱。计算目标与地球大气背景之间的信噪比,并据此分析了地球大气系统对红外目标探测的影响。结果表明：当目标位于卷云之上时,在2．5～3μm波段与4～4．5μm波段信噪比较大,信噪比随着目标高度的升高而增大,易于探测;当目标处于卷云以下时,卷云对红外信号有较强的吸收作用,光学厚度对信噪比影响较大,粒子尺度对信噪比影响不大,卷云厚度越大,信噪比越小。     

MOCVD原位红外测温方法的比较研究

MOCVD原位红外测温方法主要有单色辐射测温法与双波长比色测温法。利用薄膜等厚干涉模型与Kirchhoff定律计算了Si (111)衬底生长10 m GaN外延片的940 nm、1 550 nm光谱发射率,以Thomas Swan CSS MOCVD为例,比较了500 ℃至1 300 ℃范围内,940 nm单色辐射测温法、1 550 nm单色辐射测温法、940 nm与1 550 nm双波长比色测温法的相对误差和相对灵敏度,以及单色辐射测温法与双波长比色测温法的校准修正,并利用940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在线监测了Si (111)衬底生长InGaN/GaN MQW 结构LED外延片过程中的温度。研究表明:940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在相对误差及有效探测孔径修正校准上优于940 nm单色辐射测温法和1 550 nm单色辐射测温法,该结论可为MOCVD原位红外测温设备开发提供参考。     

静止轨道卫星红外探测大气透过率与蒙气差分析

静止轨道卫星采用CO2和水汽吸收波段进行红外探测,探测性能受观测波段的大气透过率影响显著,同时,大气折射率随空间位置的变化影响目标的定位精度。通过建立大气中探测路径几何模型,利用FASCODE软件计算出路径上2.7μm和4.3μm波段大气透过率和蒙气差并制成图表,蒙气差计算结果与理论估算一致。结果表明,2.7μm波段大气透过率在5～25km高度变化显著,35km以上透过率达95%;4.3μm波段大气透过率在5～45km高度变化显著,50km以上透过率达95%。两个波段的蒙气差相同,对目标位置的影响较少,天顶角8°以内,影响只有50m量级,超过8°,偏差随角度增长很快,到地球圆盘边缘时达到1km。通过插值,透过率数据和蒙气差数据可用于系统设计、性能评估和实时仿真。     

地表发射率的机载傅里叶变换红外光谱反演方法研究

介绍了利用机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球、大气辐射的实验过程,并对由光谱仪测得的辐射与地表光谱发射率、大气透过率等参数的关系进行了深入的分析,给出了理论表达式。提出了一种基于梯度搜索的优化方法,即由机载FTIR光谱仪测得的辐亮度光谱反演得到方差最小的光谱发射率最优解。反演结果表明,在中红外波段,沙地平均光谱发射率为0.70,裸土地表平均光谱发射率为0.95。     

近高超声速高温蓝宝石窗口下中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验

本文基于高温红外窗口热辐射红外成像探测器干扰机理,开展高温红外窗口成像分析、仿真与实验验证研究工作. 根据流体仿真计算获得的高温窗口温度及实验测得的窗口发射率、吸收率等参数,开展窗口热辐射计算;建立了光学窗口介质内部辐射传输路径和强度计算模型,并给出了窗口辐射出射模型以及相应红外成像模型;基于光学追迹方法,把窗口热辐射成像的计算问题转换成了光学计算问题;设计了一种基于高温蓝宝石红外窗口的加热实验,对红外成像仿真结果进行了检验. 通过仿真结果与窗口加热实验结果对照,将基于模型分析获取图像与实验结果图像作差,得到的平均每个像素误差值为0.45;实验发现在窗口约773 K条件下,设计的中波红外成像系统的信噪比、对比度分别降低到原来三分之一左右,而整个红外成像系统NETD值由原来的约52 mK上升到了954 mK. 本文提出的窗口热辐射分析方法可以有效估计窗口热辐射对中波红外成像的影响,设计的实验对成像系统的指标验证有较好的用途,同时对红外成像系统波段细化优选和成像参数调整,降低图像退化程度,都有着重要的指导意义. 关键词： 近高超声速 高温蓝宝石窗口 气动效应 仿真与实验     

反射式TDICCD光学遥感器波段选择

光谱波段是光学遥感器设计中需要考虑的一个重要指标。首先对探测海洋目标的反射式TDICCD光学遥感器需要选择的光谱波段进行分析,应用LOWTRAN 7软件对0.4μm～1.0μm波段的大气透过率进行了计算,同时对典型的海洋目标（如船体）、海水的光谱反射率及其对比度进行分析,最后对遥感器的入瞳辐射亮度和信噪比进行了估算。计算结果表明：遥感器光谱波段选择0.5μm～0.9μm波段,在入瞳辐射亮度和信噪比等方面优于选择0.5μm～0.8μm波段。这一结论为实用系统的波段选择提供了依据。     

海空背景下点目标红外成像系统信噪比的估算

在海空背景下,从目标与环境辐射特性之间的关系出发,针对不同的大气条件对点目标成像过程中的大气衰减分别进行了计算。使用NETD方法对在相应条件下不同距离上的热成像系统的信噪比进行了估算。分析比较了直接温差估算法和间接温差估算法两种信噪比的计算结果。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究

介绍了机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球大气红外背景辐射的实验过程,对地球/大气的红外背景辐射进行了详细的分析,给出了描述这一辐射过程的理论表达式,证明红外背景辐射主要取决于地表温度、地表发射率、大气透过率和大气温度这四个参数。在理论分析的基础上,对不同观测高度、不同地物背景的实测光谱进行了对比和分析,得到了红外背景辐射的光谱特征。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

Analysis of multi-band pyrometry for emissivity and temperature measurements of gray surfaces at ambient temperature

A multi-band pyrometry model is developed to evaluate the potential of measuring temperature and emissivity of assumably gray target surfaces at 300 K. Twelve wavelength bands between 2 and 60 μm are selected to define the spectral characteristics of the pyrometers. The pyrometers are surrounded by an enclosure with known background temperature. Multi-band pyrometry modeling results in an overdetermined system of equations, in which the solution for temperature and emissivity is obtained through an optimization procedure that minimizes the sum of the squared residuals of each system equation. The Monte Carlo technique is applied to estimate the uncertainties of temperature and emissivity, resulting from the propagation of the uncertainties of the pyrometers. Maximum reduction in temperature uncertainty is obtained from dual-band to tri-band systems, a small reduction is obtained from tri-band to quad-band, with a negligible reduction above quad-band systems (a reduction between 6.5% and 12.9% is obtained from dual-band to quad-band systems). However, increasing the number of bands does not always reduce uncertainty, and uncertainty reduction depends on the specific band arrangement, indicating the importance of choosing the most appropriate multi-band spectral arrangement if uncertainty is to be reduced. A reduction in emissivity uncertainty is achieved when the number of spectral bands is increased (a reduction between 6.3% and 12.1% is obtained from dual-band to penta-band systems). Besides, emissivity uncertainty increases for pyrometers with high wavelength spectral arrangements. Temperature and emissivity uncertainties are strongly dependent on the difference between target and background temperatures: uncertainties are low when the background temperature is far from the target temperature, tending to very high values as the background temperature approaches the target temperature.     

基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

低温红外辐射源研究

随着空间红外探测、卫星遥感等技术的飞速发展,低温红外辐射源的需求日益迫切。研制了一种基于液体循环控温原理的低温红外辐射源。辐射源的工作温度范围为-60℃～50 ℃,控温精度达到0.01 ℃,有效发射率优于0.999 7。首先阐述了低温红外辐射源的设计原理,介绍了辐射源腔形设计,使用基于蒙特卡罗算法的软件STEEP3计算了辐射腔的有效发射率;接着对辐射腔内部温度特性进行了研究,实验结果表明低温红外辐射源辐射腔温度均匀性优于0.02 ℃,腔底温度稳定性优于0.05 ℃/h;最后通过与镓熔点黑体比较得到低温红外辐射源在29.76 ℃时的光谱发射率,与仿真计算结果一致。     

Multiwavelength infrared pyrometry: optimization and computer simulations

We present here a preliminary study concerning a multi-wavelength pyrometry method. This technique may be useful for temperature measurements on materials of unknown, selective, rapidly varying emissivity. From a (simultaneous) measurement of the thermal emission at N wavelengths, a fitting procedure leads to the simultaneous identification of the temperature and the spectral emissivity. We present first a comprehensive discussion of the various parameters influencing the accuracy of the method. Then a number of simulated experiments are calculated in order to test the efficiency of various emissivity models and to estimate the robustness of the method. It appears that measurements in the (thermal) infrared spectral range may yield satisfying temperature measurements down to T = 600 K.     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

一种基于离散光谱透过率的红外探测距离模型研究

针对大气透过率是影响红外系统作用距离的重要因素,且随大气环境、波长、距离等因素而复杂变化难以精确描述,研究了大气透过率对红外系统作用距离的影响,提出一种基于离散光谱透过率的红外系统作用距离模型。使用MODTRAN 软件计算出波数间隔为1 cm-1的离散光谱大气透过率,建立大气透过率数据库,计算出波数间隔为1 cm-1的光谱区域内目标的红外辐射功率。应用该模型对实际的战斧巡航导弹进行计算,结果表明该模型具有更高的计算精确度与可行性。     

基于最大熵估计Alpha谱缩放与平移量的温度与发射率分离算法

在热红外波段, 为了使温度与发射率分离过程不依赖数据库提供的经验信息, 并且实现更高的反演精度和更快的计算速度, 研究了一种新的温度与发射率分离算法. 首先, 在维恩近似原理的基础上, 求解了Alpha谱分布, 并利用Alpha谱描述光谱发射率的形状信息. 其次, 改进了最大熵温度与发射率分离算法: 应用最大熵估计模型对Alpha谱缩放与平移量进行估计, 减少了待估计参数的数量, 大幅简化了求解过程. 最后, 进行了算法的数值仿真实验: 求解了典型地物目标的温度与光谱发射率, 并且分析了算法对系统噪声的鲁棒性. 仿真数据表明: 发射率估计的最大RMSE为0.017, 温度估计的最大绝对误差的绝对值为0.62 K; 对系统添加测量信噪比为11的高斯白噪声, 发射率估计的相对RMSE为2.67%, 温度估计的相对误差为1.26%. 结果表明: 本文所述算法求解精度高, 计算速度快, 具备良好的鲁棒性.