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基于中波红外的双波段目标辐射特性测量技术研究

吕游  
【摘要】:随着红外探测技术的快速发展,目标红外辐射特性数据受到了越来越广泛的重视。目标红外辐射特性可以为目标红外探测、识别和跟踪提供基础数据;为红外系统仿真提供目标和背景生成的物理特征,有利于数学模型的准确建立;为目标红外隐身效果提供评价依据。目前,越来越多的高精度地基红外成像系统广泛应用于军事目标的辐射特性测量。传统的目标红外辐射特性测量是单波段测量,即利用红外成像系统获取目标在一个波段的辐射图像,通过辐射特性反演算法实现目标表观红外辐射测量,测量结果中包含目标发射率和环境反射辐射,仅能反映目标的辐亮度温度,存在理论局限性。本文深入研究了辐射定标和目标单波段辐射特性测量原理,针对单波段辐射特性测量原理的局限性,采用双波段测量技术实现军事目标辐射特性测量。对传统的双波段辐射特性测量方法进行改进,提出适用于军用目标辐射特性测量的中波红外双波段测量方法,并在详细分析影响双波辐射特性段测量误差来源的基础上提出了多个提高双波段辐射特性测量精度的方法。本论文主要完成了以下六个方面的工作:(1)深入研究了目标红外辐射特性测量技术和红外成像系统非均匀性校正方法,建立了红外成像系统辐射定标和测量模型,提出基于积分时间的辐射定标模型,为目标辐射特性双波段测量提供可靠的基础理论。(2)深入研究了双波段辐射特性测量的基础理论,针对传统双波段测量方法的缺点并结合中波红外成像系统的特点,建立了双波段辐射特性测量模型,针对远距离、中低温目标,推导了基于红外测量系统辐射定标的双波段定标比值和测量比值公式,提出了考虑大气和环境辐射的双波段辐射特性测量方法。(3)根据本文建立的双波段测量模型,详细分析辐射定标误差、测量波段选取、图像随机噪声、大气和目标发射率不确定性等因素对双波段测量精度的影响,并进行了仿真实验验证,为提高双波段辐射特性测量精度提供理论支撑(4)为了提高双波段定标和测量的效率,提出基于辐射定标简化模型的双波段辐射特性测量方法;详细分析了环境温度对红外成像系统辐射定标的影响,提出不依赖环境温度的双波段辐射特性测量方法,避免定标和测量过程之间环境温度不一致对目标辐射特性双波段测量的影响,提高双波段辐射特性测量方法的环境适应性。(5)针对红外测量图像的特点,提出基于K-均值聚类和CIE-94颜色差异公式的伪彩色显示方法,提高红外测量图像的显示效果。(6)设计了基于中波红外成像系统和带通滤光片的双波段辐射特性测量实验系统;为了避免双波段辐射特性测量实验中使用黑体为被测目标不具有普遍性的问题,设计了灰体目标模拟装置;进行了实验室和高低温箱内的灰体目标双波段辐射特性测量实验,验证本文提出算法的有效性。本文对双波段辐射特性测量技术进行了深入研究,搭建了中波红外双波段辐射特性测量系统,进行了大量辐射定标和目标辐射特性测量实验。实验结果表明,本文的双波段辐射特性测量方法实现了中低温目标真实温度测量,温度测量精度优于4℃,辐射特性测量精度优于10%,基于辐射定标简化方法的双波段测量方法实现了对双波段定标和测量过程的简化,不依赖环境温度的双波段测量方法实现了定标和测量过程之间环境温度不一致情况下的目标辐射特性测量。本文的研究成果对进一步开展目标辐射特性测量研究和双波段辐射特性测量系统设计具有重要的理论意义和参考价值。


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