光电成像原理及技术Chapter辐射源及典型景物辐射.pptx

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1、3/21/2023黑体辐射定律基尔霍夫定律：热辐射：物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。只要温度高于绝对零度的物体都将产生辐射。当辐射能入射到物体表面时，被吸收的能量与入射总能量之比，成为物体的吸收本领；被反射的能量与入射总能量之比，成为物体的反射本领。显然，不透明物体的吸收与反射本领之和为1 1。实验指出，物体的发射本领（即辐射出射度）和吸收本领之间有一定关系。基尔霍夫定律：物体的辐射出射度MM和吸收本领的比值与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(=1)=1)的辐射出射度MM0 0。基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射，而且对波长为的任何单色辐射也都正确。它是一切物体热辐射的普遍定律，表

2、明吸收本领大的物体，其发射本领也大，如物体不能发射某波长的辐射能，则也不能吸收该波长的辐射能，反之亦然。显然，黑体对于任何波长在单位时间单位面积上发射或吸收的辐射能都比同一温度下的其它物体高。AB第1页/共52页3/21/2023黑体辐射定律基尔霍夫定律：辐射发射率（比辐射率）：在相同温度下，辐射体的光谱辐射出射度与黑体的光谱辐射出射度之比。黑体，1 1；灰体，11，与波长无关；选择体，11，且随着波长和温度变化。第2页/共52页3/21/2023黑体辐射定律黑体辐射定律：普朗克定律：描述黑体辐射出射度随波长和温度的函数关系。式中c c1 1,c,c2 2是第一第二辐射常数。斯蒂芬玻尔兹曼定律

3、（全波长辐射定律）:由普朗克公式在全波段积分得到。维恩位移定律（峰值波长与温度的定律）：对普朗克公式求极值得到。最大辐射定律：把峰值波长带入普朗克公式而得。第3页/共52页3/21/2023辐射源及其特性人工目标辐射源腔型黑体辐射源面型黑体辐射源自然环境辐射及其在目标上的反射典型军事目标辐射自然辐射源红外场景仿真器用于在室内模拟实际环境和状态的红外场景。第4页/共52页3/21/2023腔型黑体辐射源(a)(b)(c)(d)LLLL2R2R2R2R第5页/共52页3/21/2023面型黑体辐射源靶标靶标支撑架黑体源靶标温度传感器第6页/共52页3/21/2023辐射源及其特性典型军事目标辐射地

4、面目标:目标温度低,辐射能量小,且辐射多集中在814微米海上目标：目标排气筒部分温度较高，其余部分温度低，目标与背景辐射特性差异大。空中目标：目标速度快、体积小，温度高能发射很强的红外辐射。飞机的辐射：尾喷管、排出气流、蒙皮的热辐射海上目标的辐射：舰船的烟囱是较强的辐射源，峰值波长在8微米左右，尽管舰体温度与海水温度相近，但二者的辐射发射率差异大，且海水的辐射发射率不断变化，易造成目标与背景的大对比度。地面车辆辐射：车辆的排气管最热，其次是发动机外壳，运动中车辆的传动装置、轮胎等。炮口闪光：人体的辐射：在2微米以上的波段辐射与黑体基本一致，峰值波长在814微米波段。第7页/共52页3/21/2

5、023军事目标辐射源涡轮喷气发动机示意图涡轮喷气发动机示意图 第8页/共52页3/21/2023军事目标辐射源飞机喷口的辐射强度角分布第9页/共52页3/21/2023军事目标辐射源三叉戟和米格15M15M飞机喷口的辐射光谱分布第10页/共52页3/21/2023军事目标辐射源波音707707排出气体流的等温线，及辐射随距离的衰减第11页/共52页3/21/2023军事目标辐射源炮口闪光的光谱分布第12页/共52页3/21/2023自然辐射源太阳：射至地球的太阳辐射功率、光谱分布与太阳高度、大气状态关系很大。地球：主要由反射和散射的太阳光以及自身热辐射组成，有两个光谱峰值：0.5微米（来自太阳

6、）10微米处的自身辐射。月球：主要包括反射的太阳辐射和自身的辐射，近似于400K黑体，峰值在7.24微米星球：其辐射量对地球很小，用星等来描述星的亮度。大气辉光：产生于70km以上的大气层中，是夜天辐射的主要组成部分，由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子并与分子发生低几率碰撞，是其产生的原因。夜天空辐射：由上述各种自然辐射共同构成，除可见光外包含大量丰富的近红外辐射，正是微光夜视系统所利用的波段。第13页/共52页3/21/2023在平均地-日距离上太阳的的光谱分布 第14页/共52页3/21/2023典型地物的光谱辐亮度 第15页/共52页3/21/2023月球辐射特性第16页/

7、共52页3/21/2023星等的概念星的亮度用星等衡量，以在地球大气层外所接收的星光辐射产生的照度来衡得。规定星等相差五等照度比为100倍，即相邻两等星得照度比为2.512倍。规定零等星的照度为2.65X10-4lx，比零等星亮的星等为负。第17页/共52页3/21/2023大气辉光和夜天光第18页/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真其他相关模其他相关模型及计算软型及计算软件件噪噪声声模模型型及及仿真软件仿真软件仿仿真真结结果果显显示示输出模拟噪声输出模拟噪声输出图像输出图像输出图像输出图像输输出出分分析析结结果果输出相关数据物物理理模模拟拟仿仿真真系系统统物物理理模模拟拟仿仿

8、真真系系统统图图像像信信息息处处理与分析理与分析实实际际成成像像系系实实际际成成像像系系统统统统目目目目 标标标标 及及及及 背背背背 景景景景模拟仿真器模拟仿真器模拟仿真器模拟仿真器物理（半实物）仿真工作框图第19页/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真 半实物的红外仿真系统主要由仿真计算机、图形发生计算机、红外目标仿真器、红外场景投影光学系统、伺服运动控制系统和载机模拟运动飞行转台组成。其中光电仿真系统可通过两种途径传递场景信息：一是采用光学投影模式；二是信号直接注入。信号注入模式是通过界面不经过光学投影系统将场景信息直接送入光电传感器的电子组件,实现系统的仿真测试。第20页

9、/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真 红外场景生成计算机(CIG)：接受仿真计算机的指令，根据各种模型或数据库,实时产生实战红外场景图像，并传给红外目标再现发生器,经转换成为能被探测器接收的辐射图像。详细地仿真来自天空、太阳光、目标、地物和大气的辐射分量。解决这一问题需要若干技术的集成，包括实时IR现像学建模、IR建模及数据库研制、实时场景再现和测试中的系统仿真。第21页/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真 目标再现发生器：接受C1G的图像信号，将CIG生成的图像转换为具有红外辐射特征能被探测器接收的红外图像,被光学投影系统接收，并将其准直成平行光投影到传感器系

10、统。它的技术要求主要是空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。二维目标运动伺服系统：接受系统仿真计算机仿真指令，准确地复现火控系统所攻击目标的机动范围。三轴飞行模拟器：实时模拟系统的载机运动，完全再现载机空间各种运动姿态。第22页/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真国外几种典型红外仿真系统有：1.热电阻面阵实时成像仿真系统W1SP；2.激光二极管面阵实时成像仿真系统；3.滑动变焦式光电仿真系统；4.多目标点源仿真系统；5.IR-CRT仿真系统；6.IR液晶光阀仿真系统。其中，后两种是美国早期研制的红外仿真投影系统，这类系统存在的严重缺点是图像闪烁及帧速低,不能满足武器系统的仿真需求

11、。现在己成功使用的面阵式目标源,其分辨率达到512512，帧速达到100Hz以上,对模拟场景的空间、时间和光谱分辨率有严格要求,可满足红外制导、前视红外瞄准、红外搜索跟踪和红外告警等系统仿真的需求。国内的典型红外仿真系统主要有：1.014中心点源跟踪模拟仿真系统；2.航天二院的长波红外跟踪模拟仿真系统等。第23页/共52页3/21/2023光电系统的半实物模拟仿真图图2 2 美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统美国陆军高级仿真中心的红外仿真系统第24页/共52页3/21/2023图图1 1 红外目标及干扰产生系统红外目标及干扰产生系统半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器红外目标发生器红外目标发

12、生器红外目标发生器第25页/共52页3/21/2023半实物模拟仿真的关键技术红外目标发生器红外目标发生器红外目标发生器红外目标发生器 红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此红外成像目标源是红外仿真系统中耗资最高的部分，因此也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅也是红外仿真系统中最关键技术。国外红外成像目标源发展迅速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设

13、备。从速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从速，美国休斯公司研制了许多目标仿真器和专用测试设备。从很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标很复杂的全弹飞行目标仿真器到很简单的模拟点目标或线目标的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发的平行光管都有产品问世。此外，继红外液晶光阀、热目标发

14、生器的研究之后生器的研究之后生器的研究之后生器的研究之后,国外的研究机构投巨资研制了国外的研究机构投巨资研制了国外的研究机构投巨资研制了国外的研究机构投巨资研制了512512512512512512512512热电阻热电阻热电阻热电阻面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显面阵目标发生器。这种目标发生器以帧速高、动态性能好等显著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先进著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先进著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系

15、统使用了先进著优势被几大实验中心所采用。这种光电仿真系统使用了先进的计算机图像生成的计算机图像生成的计算机图像生成的计算机图像生成(CIG)(CIG)(CIG)(CIG)技术和实时动态高帧频、高逼真、高分技术和实时动态高帧频、高逼真、高分技术和实时动态高帧频、高逼真、高分技术和实时动态高帧频、高逼真、高分辨率辨率辨率辨率512512512512512512512512电阻面阵电阻面阵电阻面阵电阻面阵,辐射上升速度和下降速度达到辐射上升速度和下降速度达到辐射上升速度和下降速度达到辐射上升速度和下降速度达到2ms,2ms,2ms,2ms,动态动态动态动态范围可到范围可到范围可到范围可到850185

16、0185018501，帧频，帧频，帧频，帧频100Hz,100Hz,100Hz,100Hz,辐射波段辐射波段辐射波段辐射波段3 3 3 35m5m5m5m、8 8 8 812m12m12m12m。此外，此外，此外，此外，10241024102410241024102410241024像素、像素、像素、像素、500Hz500Hz500Hz500Hz，波段在，波段在，波段在，波段在2 2 2 226m26m26m26m宽范围内的高宽范围内的高宽范围内的高宽范围内的高分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。分辨率高帧速红外目标发生器也正在研制中。分辨率高帧速红

17、外目标发生器也正在研制中。第26页/共52页3/21/2023几种典型的红外目标仿真器几种典型的红外目标仿真器几种典型的红外目标仿真器几种典型的红外目标仿真器 实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光实现红外目标仿真的方法可分为热辐射法和可见光红红红红外图像变换法两大类：外图像变换法两大类：外图像变换法两大类：外图像变换法两大类：热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红热辐射法包括直接产生红外辐射和通过温度控制产生红热辐射法包括直接产生红外辐射和通

18、过温度控制产生红外辐射两种；外辐射两种；外辐射两种；外辐射两种；可见光红外图像变换法是利用可见光红外图像变换可见光红外图像变换法是利用可见光红外图像变换可见光红外图像变换法是利用可见光红外图像变换可见光红外图像变换法是利用可见光红外图像变换器将可见光进行波长变换，生成红外图像。器将可见光进行波长变换，生成红外图像。器将可见光进行波长变换，生成红外图像。器将可见光进行波长变换，生成红外图像。半实物模拟仿真的关键技术第27页/共52页3/21/2023（1 1 1 1）电阻元阵列）电阻元阵列）电阻元阵列）电阻元阵列 电阻元阵列的基本原理很简单，电阻元通电后电能转变为电阻元阵列的基本原理很简单，电阻

19、元通电后电能转变为电阻元阵列的基本原理很简单，电阻元通电后电能转变为电阻元阵列的基本原理很简单，电阻元通电后电能转变为热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列热能，温度升高，导致红外辐射。电阻元阵列(如图如图如图如图)由许多微由许多微由许多微由许多微小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也小电阻元集成在不良导热体基片上组成，阵列可单片设计，也可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通

20、可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通可把多个阵列合成大阵列，以提高空间分辨力。电阻元之间通过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元过基片内部的集成电路网连接，集成电路可调节流过各电阻元的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外的电流以控制其温度，使电阻元根据需要产生一定强度的红外辐射。

21、这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红辐射。这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红辐射。这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红辐射。这样，整个阵列就构成了二维的红外辐射源，实现了红外场景图像的仿真。外场景图像的仿真。外场景图像的仿真。外场景图像的仿真。电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，电阻元阵列仿真的红外场景温度范围可调，且容易控制，可生成逼真的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技可生成逼真的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技可生成逼真

22、的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技可生成逼真的动态红外图像。但其电路复杂，工艺要求高，技术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵术难度大。类似产生红外图像热辐射的方法还有：微热灯丝阵列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。列、发光二极管阵列、小型热线圈阵列等。半实物模拟仿真的关键技术第28页/共52页3/21/2023（2 2 2 2）二氧化钒）二氧化钒）二氧化钒）二氧化钒(VO(VO(VO

23、(VO2 2 2 2)薄膜变换器薄膜变换器薄膜变换器薄膜变换器 二氧化钒是一种具有传输滞后特性二氧化钒是一种具有传输滞后特性二氧化钒是一种具有传输滞后特性二氧化钒是一种具有传输滞后特性(迟滞回线如左图迟滞回线如左图迟滞回线如左图迟滞回线如左图)的的的的的材料，高于偏置温度的材料，高于偏置温度的材料，高于偏置温度的材料，高于偏置温度(约约约约65)65)65)65)时，时，时，时，VOVOVOVO2 2 2 2薄膜显金属性；低于薄膜显金属性；低于薄膜显金属性；低于薄膜显金属性；低于偏置温度，偏置温度，偏置温度，偏置温度，VOVOVOVO2 2 2 2薄膜显半导体特性且透光。如果用热偏置方法薄膜显

24、半导体特性且透光。如果用热偏置方法薄膜显半导体特性且透光。如果用热偏置方法薄膜显半导体特性且透光。如果用热偏置方法使温度保持在迟滞回线以内，则可把使温度保持在迟滞回线以内，则可把使温度保持在迟滞回线以内，则可把使温度保持在迟滞回线以内，则可把VOVOVOVO2 2 2 2作为光学存贮介质，作为光学存贮介质，作为光学存贮介质，作为光学存贮介质，控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于控制存贮在材料中的热能，当激光束扫描薄膜表面时，由于薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力

25、、高薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力、高薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力、高薄膜吸收能量，在其表面就能获得并存储一帧高分辨力、高清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器清晰度并且不会消失和减弱的热图像。二氧化钒薄膜变换器(如右图如右图如右图如右图)是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景是在一个锗衬底上，镀有多层二氧化钒落薄膜，景物图像写在物图像写在物图像写

26、在物图像写在1 1 1 1英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在英寸的图像调制区。若要抹去这帧图像，只需在瞬间使整个薄膜温度降到瞬间使整个薄膜温度降到瞬间使整个薄膜温度降到瞬间使整个薄膜温度降到60606060以下即可。目前，国外通常采以下即可。目前，国外通常采以下即可。目前，国外通常采以下即可。目前，国外通常采用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动态变化，必用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动态变化，必用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动态变化，必用液体制冷流实现冷却功能。为了实现图像的动

27、态变化，必须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周须不断在薄膜上抹去一写入图像。为了防止抹去一再偏置周期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由期产生图像闪烁，可采用两个独立的显示臂交替工作，并由片帧开关控制交替过程。片帧开关控制交替过程。片帧开关控制交替过程。片帧开关控制交替过程。半实物模拟仿真的关键技术第29页/共52页3/21/2023（3 3 3 3）黑体薄膜

28、变换器）黑体薄膜变换器）黑体薄膜变换器）黑体薄膜变换器 早期的黑体薄膜变换器早期的黑体薄膜变换器早期的黑体薄膜变换器早期的黑体薄膜变换器(如左图如左图如左图如左图)包括一个真空腔，腔上包括一个真空腔，腔上包括一个真空腔，腔上包括一个真空腔，腔上带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质带一个透可见光的入射窗和一个透红外的出射窗，转换介质是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，将一幅可是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，将一幅可是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，

29、将一幅可是一层薄膜，其上沉积非常薄的金黑层。工作时，将一幅可见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜见光图像通过入射窗聚焦到金黑膜层上，其辐射能被金黑膜层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射层吸收，并通过出射窗转换为反映金黑层的温度和辐射发射率的红外辐射能量。由于金黑层非常薄，热惰性很小，所以率的红外辐射能量。由于金黑层非常薄，热惰性很小，所以率的红外辐射能量。由

30、于金黑层非常薄，热惰性很小，所以率的红外辐射能量。由于金黑层非常薄，热惰性很小，所以温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视温度很快就能超过环境温度。图像上亮度比暗点温度高，视频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑频图像灰度等级分布转换成黑体腔薄膜上的温度分布，使黑体薄膜产生的红外辐射与真实目标一致。体薄膜产生的红外辐射与真实目标一致。体薄膜产生的红外辐射与真实目

31、标一致。体薄膜产生的红外辐射与真实目标一致。由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪由黑体薄膜变换器组成的仿真系统如右图。视频投影仪把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红把可见光图像投射到真空腔的黑体膜，经黑体薄膜变换成红外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像

32、外图像。红外准直系统的焦面与黑体薄膜面一致，红外图像对于被测红外系统如同位于无穷远处。对于被测红外系统如同位于无穷远处。对于被测红外系统如同位于无穷远处。对于被测红外系统如同位于无穷远处。半实物模拟仿真的关键技术第30页/共52页3/21/2023（4 4 4 4）液晶光阀变换器）液晶光阀变换器）液晶光阀变换器）液晶光阀变换器 液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光液晶光阈是一种具有双折射效应和扭曲旋光效应的可见光-红外图像变换器件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外红外图像变换器

33、件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外红外图像变换器件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外红外图像变换器件，主要由光纤面板、硅光导体、液晶和红外透射窗等部件组成。透射窗等部件组成。透射窗等部件组成。透射窗等部件组成。液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐液晶光阀变换器利用电控双折射效应：双折射引起的光辐射偏振态变化与波长有关，在一定的外电场作用下，各种波长射偏振态变化与波长有关，在一定的外电场作用下，各种波长射偏振态变化与波长有关，在一定的外电场作用下，各种波长射偏振态变化与波长

34、有关，在一定的外电场作用下，各种波长的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电的光辐射透射比不同。在白光入射时，透射光的颜色将随外电场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光场的变化而改变，把可见光图像变换到红外波段。采用液晶光阀变换器组成的检测系统如图，由计算机生成的可见光图像经阀变换器组成的检测系统如图，由计算机生成的可见光图像经阀变换器组成的检测系统如

35、图，由计算机生成的可见光图像经阀变换器组成的检测系统如图，由计算机生成的可见光图像经光学纤维板落在光学纤维板落在光学纤维板落在光学纤维板落在SiSiSiSi光导体上，并将可见光图像信号变换成电压光导体上，并将可见光图像信号变换成电压光导体上，并将可见光图像信号变换成电压光导体上，并将可见光图像信号变换成电压信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源信号，经液晶又变换成液晶体上的双折射空间图像。从红外源发射的红外辐射被偏振分光器反射到光阀上，液晶使红外辐射发射的红外辐射被偏振分

36、光器反射到光阀上，液晶使红外辐射发射的红外辐射被偏振分光器反射到光阀上，液晶使红外辐射发射的红外辐射被偏振分光器反射到光阀上，液晶使红外辐射得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附得到调整，经红外反射镜反射后经液晶每一次旋转扭曲获得附加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦加调制，其正交偏振分量可通过偏振分光器。以光阀面作为焦平面安装一投影物镜，则红外图

37、像就如同来自无穷远处。平面安装一投影物镜，则红外图像就如同来自无穷远处。平面安装一投影物镜，则红外图像就如同来自无穷远处。平面安装一投影物镜，则红外图像就如同来自无穷远处。半实物模拟仿真的关键技术第31页/共52页3/21/2023 休斯公司于休斯公司于休斯公司于休斯公司于1985198519851985年首先研制成功液晶光阀可见光年首先研制成功液晶光阀可见光年首先研制成功液晶光阀可见光年首先研制成功液晶光阀可见光-红外图红外图红外图红外图像变换器，可在像变换器，可在像变换器，可在像变换器，可在3 3 3 35 5 5 5 m m m m和和和和8 8 8 814141414 m m m m双

38、波段工作，视场角双波段工作，视场角双波段工作，视场角双波段工作，视场角24242424 24242424 ，空间分辨力为，空间分辨力为，空间分辨力为，空间分辨力为256256256256256256256256分立像元，帧速分立像元，帧速分立像元，帧速分立像元，帧速60Hz60Hz60Hz60Hz，温，温，温，温度分辨力为度分辨力为度分辨力为度分辨力为0.10.10.10.1，温度范围大于环境温度，温度范围大于环境温度，温度范围大于环境温度，温度范围大于环境温度100100100100。半实物模拟仿真的关键技术第32页/共52页3/21/2023（5 5 5 5）先进的红外动态场景模拟仿真器）

39、先进的红外动态场景模拟仿真器）先进的红外动态场景模拟仿真器）先进的红外动态场景模拟仿真器 2003200320032003年美国年美国年美国年美国SBIRSBIRSBIRSBIR公司研制出红外热场景动态模拟发生器，公司研制出红外热场景动态模拟发生器，公司研制出红外热场景动态模拟发生器，公司研制出红外热场景动态模拟发生器，主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器主要用于红外成像制导仿真系统、多传感器/任务设备信息融任务设备信息融任务设备信息融任务设备信息融合的研究平台，左图给出了系统的各个关键部件，其中合的研究平台，左图给

40、出了系统的各个关键部件，其中合的研究平台，左图给出了系统的各个关键部件，其中合的研究平台，左图给出了系统的各个关键部件，其中MIRAGE MIRAGE MIRAGE MIRAGE(Multi-spectral Infra-Red Animation Generation(Multi-spectral Infra-Red Animation Generation(Multi-spectral Infra-Red Animation Generation(Multi-spectral Infra-Red Animation Generation EquipmentEquipmentEquipmen

41、tEquipment，右图，右图，右图，右图)目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。目前甚至属于对北约盟国也封锁的关键技术。表表表表3-103-103-103-10给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。给出了红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量。半实物模拟仿真的关键技术第33页/共52页3/21/2023红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量红外热场景动态模拟发生器的主要技术参量Emitter array res

42、olution512 512 pixels,1k 1k pixelsPixel size39 microns squareEffective temperature range17C to 450C(3-5m),15C to 314C(8-12m)Thermal resolution0.004C at 25C,0.024C at 300CMaximum frame rate200 HzFlicker 0.1%Max pixels change per frame Full frame (262,144 pixels)Thermal time constant 5 millisecondsPos

43、t-correction nonuniformity 0.1%Dead pixels0.1%DEE size 8.5 diameter x 11 longDEE weight 16 poundsInput scene data Silicon Graphics DVP2(DDO2)digital video RS170,NTSC,PAL analog video 半实物模拟仿真的关键技术第34页/共52页3/21/2023MIRAGE的外形照片的外形照片半实物模拟仿真的关键技术第35页/共52页3/21/2023半实物模拟仿真的几个问题 目前，场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效目前，

44、场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效目前，场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效目前，场景的红外图像模拟的工作做的较多，大气作用效果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简果的模拟讨论的相对较少，而探测器作用效果的模拟一般都简化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美化成仿真噪声的叠加。现在已有专门的热成像模型软件，如美国的国的国的国的TTIM

45、TTIMTTIMTTIM热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果热像模型软件，将大气及战场烟雾等模糊体作用效果的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标的影响与探测器作用效果的影响结合起来，直接对目标 /背景背景背景背景零视距离辐射图进行处理零视距离辐射图进行处理零视距离辐射图进行处理零视距离辐射图进行处理 ,生成热红外图像。生成热红外图像。生成热红外图像。生成热红外图像。目前需要解决的几个问题：

46、目前需要解决的几个问题：目前需要解决的几个问题：目前需要解决的几个问题：1 1 1 1）目标与背景的几何模拟目标与背景的几何模拟目标与背景的几何模拟目标与背景的几何模拟：计算量太大，使得计算机处理：计算量太大，使得计算机处理：计算量太大，使得计算机处理：计算量太大，使得计算机处理速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法速度慢，实时性差。需要开发更好的模拟算法，如将分形算法用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突破了用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突

47、破了用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突破了用于背景模拟，分形技术以自相似性和分数维为特点，突破了以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非以往只能生成规则图形的局限性，可将自然界中绝大多数的非规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应规则图形真实地在计算机上重现，其迭代函数系统可将分形应用于计算机图像生成；用于计算机图像生成；用于计算机图像生

48、成；用于计算机图像生成；第36页/共52页3/21/2023半实物模拟仿真的几个问题 2 2 2 2）温度模拟温度模拟温度模拟温度模拟：建立准确的基本温度预测模型；：建立准确的基本温度预测模型；：建立准确的基本温度预测模型；：建立准确的基本温度预测模型；3 3 3 3）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之）由于目标与背景是分开模拟的，故割裂了目标与背景之间的相互影响，当背景中有多个目标时，间的相互影响，当背景中有多个目标时，间的相互影响，当背景中有多个目标时，间的相互影响，当背景中有

49、多个目标时，失真较大失真较大失真较大失真较大，应考虑克，应考虑克，应考虑克，应考虑克服这方面的影响；服这方面的影响；服这方面的影响；服这方面的影响；4 4 4 4）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态）仿真系统不仅要能仿真静止的图像，而且应能仿真动态图像。图像。图像。图像。建立系统的动态模型建立系统的动态模型建立系统的动态模型建立系统的动态模型，使得仿真图像会随着系统性能瞬，使得仿真图像会随着系统性能瞬，使得仿真图像会随着系统性能瞬，使得仿真图像会随着系统性能瞬时的变化时的变化时的变

50、化时的变化 (如突发的抖动或随机噪声如突发的抖动或随机噪声如突发的抖动或随机噪声如突发的抖动或随机噪声 )而改变而改变而改变而改变;5 5 5 5）系统仿真模型与系统性能模型的有机结合系统仿真模型与系统性能模型的有机结合系统仿真模型与系统性能模型的有机结合系统仿真模型与系统性能模型的有机结合：目前成像系：目前成像系：目前成像系：目前成像系统的仿真有两个方面统的仿真有两个方面统的仿真有两个方面统的仿真有两个方面 ，一个是从图像质量的角度出发，一个是从图像质量的角度出发，一个是从图像质量的角度出发，一个是从图像质量的角度出发 ,另一个另一个另一个另一个是从系统性能参数的角度出发。两种仿真的共同目标