紅外熱成像能看多遠(yuǎn)

                  
                  

                   
                   

                    
                    

                     
                     

                      
                      

                       
                       
 
                        
 
                         
 
                          
一個(gè)熱像機(jī)芯探測(cè)、識(shí)別、辨認(rèn)多少米以外的人需要配多大焦距的鏡頭？對(duì)于剛?cè)胄械目蛻粝肟焖僦烙行畔ⅲ_定好目標(biāo)之后才會(huì)有進(jìn)一步的價(jià)格咨詢。我的熱像儀能夠看到幾公里的山，就以為能夠看多遠(yuǎn)，這里存在一個(gè)誤區(qū)，山的大小是沒有概念的，我們需要一個(gè)相對(duì)清晰的目標(biāo)數(shù)值去評(píng)判。所以這需要一個(gè)相對(duì)認(rèn)同標(biāo)準(zhǔn)來回答這個(gè)問題，這就是約翰遜準(zhǔn)則。為什么說是相對(duì)認(rèn)同，因?yàn)橛绊懡Y(jié)果的因素太多，如不同氣候條件的大氣衰減、探測(cè)器熱靈敏度、壞點(diǎn)噪點(diǎn)、圖像算法、目標(biāo)背景溫差等。舉例背景溫差因素，比如在日光強(qiáng)烈的中午能夠比斜陽的下午能夠看的遠(yuǎn)一些，相同距離一個(gè)是點(diǎn)燃的煙頭，一個(gè)是樹上的葉子，即便樹葉大很多也比不過煙頭看的更明確；再例如探測(cè)器靈敏因素，在高靈敏度的鏡頭面前，12um的機(jī)芯要比17um機(jī)芯看的足夠遠(yuǎn)。
 
                          

 
                          
約翰遜準(zhǔn)則：
 
                          

 
                          
探測(cè)距離是一個(gè)主觀因素和客觀因素綜合作用的結(jié)果。主觀因素跟觀察者的視覺心理、經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)。要回答“熱像儀能看多遠(yuǎn)”，必須先弄清楚“什么叫看清楚”，如探測(cè)一個(gè)目標(biāo)，甲認(rèn)為看清楚了，但乙可能就認(rèn)為沒看清楚，因此必須有一個(gè)客觀統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國外在這方面做了大量的研究，約翰遜根據(jù)實(shí)驗(yàn)把目標(biāo)的探測(cè)問題與等效條紋探測(cè)聯(lián)系起來，研究表明，有可能在不考慮目標(biāo)本質(zhì)和圖像缺陷的情況下，用目標(biāo)等效條紋的分辨力來確定紅外熱像儀成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力，這就是約翰遜準(zhǔn)則。目標(biāo)的等效條紋是一組黑白間隔相等的條紋圖案，其總高度為目標(biāo)的臨界尺寸，條紋長度為目標(biāo)為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標(biāo)的尺寸。等效條紋圖案的分辨力為目標(biāo)臨界尺寸中所包含的可分辨的條紋數(shù)，也就是目標(biāo)在探測(cè)器上成的像占的像素?cái)?shù)。
 
                          

 
                          
目標(biāo)探測(cè)可分為探測(cè)(發(fā)現(xiàn))、識(shí)別和辨認(rèn)三個(gè)等級(jí)。
 
                          

 
                          
探測(cè)：在視場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)。這時(shí)目標(biāo)所成的像在臨界尺寸方向上必須占到1個(gè)像素以上。
 
                          
識(shí)別：可將目標(biāo)分類，即可識(shí)別出目標(biāo)是坦克、卡車或者人等。這是目標(biāo)所成的像在臨界尺寸方向上必須占到4個(gè)像素以上。
 
                          
辨認(rèn)：可區(qū)分開目標(biāo)的型號(hào)及其它特征，如分辨出敵我。這是目標(biāo)所成的像在臨界尺寸方向上必須占到8個(gè)像素以上。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
以上都是在臨界值，也就是剛好能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，以及目標(biāo)與背景的對(duì)比度為1的條件下所得到的數(shù)據(jù)，從上面的約翰遜準(zhǔn)則可以看出，一套熱像儀能看多遠(yuǎn)，是由目標(biāo)尺寸、鏡頭焦距、探測(cè)器性能等因素決定的。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
決定探測(cè)距離的因素
 
                          

 
                          
1、鏡頭焦距
 
                          

 
                          
決定熱像儀的探測(cè)距離的最重要的因素就是鏡頭焦距。鏡頭焦距直接決定了目標(biāo)所成的像的大小，也就是在焦平面上占幾個(gè)像素。通常這是用空間分辨率（IFOV）來表示，它表示每個(gè)像素在物空間所張開的角度，也就是系統(tǒng)所能分辨的最小角度，一般由像元尺寸（d）與焦距（f）的比值得出，即IFOV＝d/f。
 
                          

 
                          
每個(gè)目標(biāo)在焦平面所成的像占幾個(gè)像素，可由目標(biāo)尺寸、目標(biāo)與熱像儀的距離、空間分辨率（IFOV）計(jì)算得出。目標(biāo)尺寸（D）和目標(biāo)與熱像儀的距離（L）的比值為目標(biāo)的張角，再與IFOV相除得到像占用像素點(diǎn)的數(shù)量，即n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)。從中可以看到，焦距越大，目標(biāo)像所占用的像素點(diǎn)越多，根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則可知，其探測(cè)距離更遠(yuǎn)。但另一方面，焦距越大，視場(chǎng)角越小，同時(shí)成本也更高。
 
                          

 
                          
這里舉個(gè)例子。熱像儀焦平面的像元尺寸為17μm，配100mm焦距鏡頭，則空間分辨率IFOV為0.17mrad。觀察1公里遠(yuǎn)的大小為2.3m的目標(biāo)，則目標(biāo)所張開的角度為2.3mrad，目標(biāo)所成的像占用2.3/0.17＝13.5個(gè)像素。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則可知，達(dá)到辨認(rèn)水平。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
2、探測(cè)器性能
 
                          

 
                          
鏡頭焦距是從理論上決定了熱像儀的探測(cè)距離，在實(shí)際應(yīng)用中起著重要作用的另一因素是探測(cè)器性能。鏡頭焦距只是決定了所成像的大小，占用像素點(diǎn)的數(shù)量，探測(cè)器性能則決定圖像質(zhì)量，如模糊程度，信噪比等。探測(cè)器性能可從像元尺寸、熱靈敏度、信號(hào)處理等方面來分析。
 
                          

 
                          
像元尺寸越小，則空間分辨率（IFOV）越小，從前面的討論可看出，其探測(cè)距離越大。一個(gè)典型例子是，F(xiàn)LIR非制冷熱像儀的Photon 320的像元尺寸是38μm，Photon 640的像元尺寸為25μm，如果都配100mm鏡頭，觀察2.3m的目標(biāo)，按照約翰遜準(zhǔn)則，其識(shí)別距離分別為1公里、1.5公里。
 
                          

 
                          
探測(cè)器的熱靈敏度和信號(hào)處理決定了圖像的清晰度。如果探測(cè)器的熱靈敏度和信號(hào)處理能力不好的話，則所成的像只是一個(gè)模糊的熱像，也就無法識(shí)別。因此，一些探測(cè)器的熱靈敏度不高的話，則采取加大鏡頭口徑的方法來提高圖像效果，這不但增加了成本，而且也增加了使用上的不方便。美國FLIR的Photon系列，使用的鏡頭F數(shù)一般可降低到1.4～1.7，也就是口徑可做得特別小。像現(xiàn)在國內(nèi)普遍更新?lián)Q代的12um要比17um的機(jī)芯看的距離多1.4倍。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
3、大氣環(huán)境
 
                          

 
                          
雖然熱輻射對(duì)大氣的穿透能力比可見光強(qiáng)，但大氣吸收、散射等對(duì)熱像儀成像還是有一定的影響，特別是大霧和大雨的天氣環(huán)境，從而影響到了熱像儀的探測(cè)距離。像長波在雨霧中的穿透能力很差，中波在霧中的穿透力強(qiáng)，但穿雨同樣不行。
 
                          

 
                          
綜上所述，一個(gè)熱像儀能“看多遠(yuǎn)”？它受到幾個(gè)方面的影響，它是探測(cè)器、鏡頭、目標(biāo)、大氣環(huán)境等客觀因素、人的主觀因素及軟件算法共同影響的結(jié)果。所以在不考慮其它因素影響的情況下還是按照下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
 
                          

 
                          
n＝(D/L)/IFOV
 
                          
=【目標(biāo)尺寸（D）*焦距（f）】/【目標(biāo)與熱像儀的距離（L）*像元尺寸（d）】
 
                          
但是不考慮大氣環(huán)境的影響的話，一般會(huì)在探測(cè)上增加0.5個(gè)像數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別加1個(gè)像數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，辨認(rèn)加2個(gè)像數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)來彌補(bǔ)不同探測(cè)器的靈敏度不一致及鏡頭良率的問題，來增大目標(biāo)所占像數(shù)的數(shù)值確?？蛻裟軌虻玫较胍男Ч?。
 
                          
 
 
                          
轉(zhuǎn)自：南京波長光電科技股份有限公司