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用戶購買紅外熱成像儀常常會問一個(gè)問題:紅外熱成像儀能看多遠(yuǎn)?這是一個(gè)特別重要的問題,但又是很難說清楚的問題。比如說,我們熱像儀能看到146×106公里外的太陽,但不能說熱像儀的探測距離能達(dá)到146×106公里。但這探測距離又是必須說清楚的一個(gè)問題,因?yàn)榭蛻糍I熱像儀是用來探測、監(jiān)控目標(biāo)的。下面我們一起了解一下約翰遜準(zhǔn)則,看看如何確定目標(biāo)探測距離。
約翰遜準(zhǔn)則:探測距離是一個(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)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國外在這方面做了大量的工作,約翰遜根據(jù)實(shí)驗(yàn)把目標(biāo)的探測問題與等效條紋探測聯(lián)系起來。許多研究表明,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)對目標(biāo)的識別能力,這就是約翰遜準(zhǔn)則。
目標(biāo)探測可分為探測(發(fā)現(xiàn))、識別和辨認(rèn)三個(gè)等級。
A.探測
探測定義為:在視場內(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1.5個(gè)像素以上。
B.識別
識別定義為:可將目標(biāo)分類,即可識別出目標(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6個(gè)像素以上。
C.辨認(rèn)
辨認(rèn)的定義為:可區(qū)分開目標(biāo)的型號及其它特征,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12個(gè)像素以上。
以上都是在概率50%,也就是剛好能發(fā)現(xiàn)目標(biāo),以及目標(biāo)與背景的對比度為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,一套紅外熱成像儀能看多遠(yuǎn),是由目標(biāo)尺寸、鏡頭焦距、探測器性能等因素決定的。
決定探測距離的因素:
1、鏡頭焦距
決定熱像儀的探測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,其探測距離更遠(yuǎn)。但另一方面,焦距越大,視場角越小,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38μm,配100mm焦距鏡頭,則空間分辨率IFOV為0.38mrad。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2.3/0.38=6個(gè)像素。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則可知,達(dá)到識別水平。
2、探測器性能
鏡頭焦距是從理論上決定了熱像儀的探測距離,在實(shí)際應(yīng)用中起著重要作用的另一因素是探測器性能。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,探測器性能則決定圖像質(zhì)量,如模糊程度,信噪比等。探測器性能可從像元尺寸、熱靈敏度、信號處理等方面來分析。
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,其識別距離分別為1公里、1.5公里。
探測器的熱靈敏度和信號處理決定了圖像的清晰度。如果探測器的熱靈敏度和信號處理能力不好的話,則所成的像只是一個(gè)模糊的熱像,也就無法識別。因此,一些探測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。
3、大氣環(huán)境
雖然熱輻射對大氣的穿透能力比可見光強(qiáng),但大氣吸收、散射等對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距離。
綜上所述,一個(gè)熱像儀能“看多遠(yuǎn)”是一個(gè)很難說清楚的問題,它受到幾個(gè)方面的影響,它是探測器、鏡頭、目標(biāo)、大氣環(huán)境等客觀因素及人的主觀因素共同影響的結(jié)果。
下圖是FLIR的非制冷熱像儀Photon 320探測距離效果圖,其像元尺寸為38 μm,像素為320*240,配50mm焦距鏡頭。
計(jì)算公式:
目標(biāo)尺寸(D) * 焦距(f)
n=(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld) = ----------------------------------------------------------------
目標(biāo)與熱像儀的距離(L)*像元尺寸(d)
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