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红外烟幕遮蔽效果测量与评估方法研究
第36卷 第7期 激光与红外Vol.36,No.7 2006年7月 LASER & INFRAREDJuly,2006
文章编号:
100125078（20060720599205
红外烟幕遮蔽效果测量与评估方法研究
李 明1,2 范东启2,康文运2,王云萍2,殷纯永1
（1.清华大学精密仪器系,北京100084;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094
摘 要:
文中首先提出了评估红外烟幕遮蔽效果的主要技术指标,然后介绍了一套外场实用的
红外烟幕测量系统,给出了测量烟幕遮蔽效果主要技术指标的方法,最后给出了烟幕有效遮蔽
面积测量精度试验结果,表明测量精度优于20%。
关键词:
红外烟幕遮蔽效果;外场实验;烟幕评估系统
中图分类号:
TN976 文献标识码:
A
AMethodforMeasurement&EvaluationofInfraredSmode
LIMing1,2,FANDong2qi2,KANGWen2yun2,WANGYun2ping2,YINChun2yong1
（1.DepartmentofPrecisionInstruments,TsingHuaUniversity,Beijing100084China
2.BeijingInstituteofTracking&TelecommunicationTechnology,Beijing100094China
Abstract:
Inthispaper,themainspecificationsforevaluationofinfraredsmokeeffectdefiladedisintroduced.Thena
setofMeasurement&EvaluationSystemofInfraredSmokeDefiladedEffectforfieldtestandthetestingwayofthe
mainspecificationsarereported.Atlastthetestingprecisionresultoftheeffectivedefiladedareaofinfraredsmokeis
presented,whichislessthen20%.
Keywords:
infraredsmokedefiladedeffect;fieldtest;evaluationsystemofsmoke
1 问题的提出
红外烟幕作为一种常用装备,已被广泛应用。
对其遮蔽能力的评价,一般是用烟幕在常用红外波段（1~3μm、3~5μm、8~12μm的遮蔽率或透过率指标。
为研究烟幕的配方,一般在室内使用烟幕箱测试[1-2],而烟幕的遮蔽性能在外场测量更为真实。
由于红外烟幕随时间快速扩散,其面积从几十平方米到几千平方米不等,持续时间仅仅有几十到几百秒,因此其遮蔽效果的测量难度较大。
文献[3]中提出了一种基于等效温度利用热像仪测量红外烟幕遮蔽率的方法,但仅局限于对红外烟幕其中一点的透过率测量;文献[4]讨论了利用热像仪基于热图像变化研究烟幕遮蔽性能的一种方法。
上述文献均没有提出外场测量红外烟幕遮蔽效果的方法和工程实现的途径。
本文首先分析评价烟幕遮蔽效果的主要技术指标,然后介绍了一套红外烟幕遮蔽效果测量系统,最后对烟幕面积的测量精度作了检测。
2 红外烟幕遮蔽效果评估的技术指标
红外烟幕的作用是遮蔽被保护目标发射或反射的红外信息,以保证保护目标的安全。
评估其性能的主要技术指标为:
遮蔽率或透过率、有效遮蔽面积、形成时间和有效遮蔽时间。
（1遮蔽率或透过率
当对给定的红外波段λ
1
~λ
2
其入射信号强度为Iinλ
1-λ2
穿过烟幕后信号强度为Ioutλ
1~λ2
则红外烟幕在该波段的透过率Tλ
1-λ2
为:
Tλ
1-λ2
=Ioutλ
1-λ2
Iinλ
1-λ2
（1
红外烟幕的遮蔽率为:
Zλ
1-λ2
=1-Tλ
1-λ2
（2 一般红外烟幕均有透过率或遮蔽率技术指标要求。
作者简介:
李 明（1964-,男,博士研究生,主要从事光电系统设计。
收稿日期:
2005212220
（2有效遮蔽面积
指满足规定的透过率或遮蔽率技术指标条件下烟幕面积。
（3形成时间
指在达到规定的有效遮蔽面积条件下,烟幕形成时间。
（4持续时间
指达到规定的有效遮蔽面积条件下烟幕的持续时间。
3 红外烟幕遮蔽效果测量评估系统
从烟幕遮蔽效果的主要技术指标可以看出,烟幕的透过率或遮蔽率是评价烟幕遮蔽效果的最重要技术指标,也是其它技术指标的基础,因此测量烟幕的透过率或遮蔽率是评价烟幕的关键所在。
烟幕形成的机理决定了烟幕的散布有一定的范围,具有随机性,其边缘是不规则的,并随着时间的延续不断扩散,因此测量烟幕透过率的关键是同时多点测量烟幕的透过率;另外目前红外烟幕不仅仅是干扰其中一个波段,而是在追求全频段干扰,要求测量系统能够对常用的红外波段同时测量。
为此我们研制
了一套系统可以同时、多点测量。
同时测量1~3μm、3~5μm、8~12μm三个波段的红外透过率。
3.1 系统概述
红外烟幕遮蔽效果测量评估系统包括红外烟幕测量头部、数据采集与处理器、红外光源、时间统一系统等部分。
3.1.1 红外烟幕测量头部
分有三个测量头部,包括红外焦平面器件、光学镜头等主要技术指标,如表1所示。
3.1.2 红外光源
为实现对大面积烟幕面积的测量,我们设计并研制了200个红外光源。
根据红外测量头部的技术指标,当最远试验距离为800m时,经过估算在三个波段对红外光源的辐射强度最低要求为:
J1-3μm=0.87W/Sr,J3-5μm=0.44W/Sr,J8-10.5μm=2.42W/Sr。
表1 红外烟幕透过率测量头部主要技术参数
参数
短波测量头
中波测量头
长波测量头红外焦平面PtSi
lnSb
HgCdTe
制冷器斯特林制冷
斯特林制冷
斯特林制冷
像元数320×240256×256128×128视场（度
8.5°×6.5°,17°×13°
8°×8°,16°×16°8°×8°,16°×16°光学镜头（焦距F/数50,25/F1.550,25/F1.580,40/F1.5空间分辨率（毫弧度0.5,1.00.6,1.21.0,2.0动态范围
12bit
12bit
12bit
通过对远红外辐射器件比较,选择了远红外陶瓷发热片作为红外光源的发热片,其特点是耗电功率较小、红外辐射频带宽、寿命长、价格低,能满足烟幕透过率测量的需要。
实际试验测得其单表面辐射
强度:
J1~3μm=5.6w/sr,J3~5μm=9.6w/sr,J8~10.5
μm=2.2w/sr。
为提高红外源的使用效率,专门设计了类似球形的光源罩,对红外源的辐射信号定向,并把红外发热片的另外一面的红外辐射通过该罩发射,以增加信号强度,降低对电源总功率的要求。
3.1.3 数据采集与处理器
数据采集与处理器采集并处理三个烟幕测量头部,分别输出的视频图像信号和同步信号,处理出烟幕在不同点的透过率。
图像采集与处理由TMS320系列高速处理器完成,处理板插入PC机内,由PC机进行控制,完成数据计算、图像处理和硬盘存储等功能。
人机对话由键盘操作,菜单式功能选择,软件均在WINDOWSNT操作系统下进行。
工作流程如图1所示。
图1 红外烟幕数据处理流程图
Fig.1 thedataprocessingflowchartofinfraredsmoke
数据采集与处理系统主要功能
为:
（1计算在各个位置点上（200
个点烟幕对1~3μm、3~5
μm和8~10.5
μm波段的衰减系数,可给出衰减系数分布图;（2测量和计算烟幕各个位置点上的衰减系数随时间的变化,可给出衰减系数随时
间变化曲线;（3测量和计算整个烟幕散布的平均衰减系数及随时间
006激光与红外 第36卷
的变化;（4计算烟幕透过率统计分布,显示直方图;（5测量和计算烟幕有效遮蔽面积。
3.2 红外透过率测量方法
试验时,红外测量头部和处理系统放置在高台上,在地面按照要求布设红外光源,在红外测量头部和光源之间释放烟幕。
布局示意图如图2所示
。
图2 红外烟幕透过率测量布局示意图
Fig.2 thesketchmapforthetestingofpenetratingratio
ofinfraredsmoke
本系统利用红外辐射计测量烟幕透过率。
由于一次烟幕试验在几分钟内完成,可以认为辐射源和地物背景均是稳定的。
设辐射源的辐射量Eoi,地物背景辐射量Egi,烟幕本身辐射量Eyi。
烟幕释放前,红外辐射源对应的像元接收到的辐射源产生的辐射量Emi,地物背景辐射量Egi;施放烟幕时,与红外辐射源对应像元接收到的辐射量Eti为:
Eti=（Eoi+EgiT+Eyi
施放烟幕时,仅仅有背景的像元接收到的背景辐射量Ebi为:
Ebi=E′giT+E′yi
使用的红外辐射计为焦平面式,并经过了均匀性校正和非线性校正,可以认为相邻像元的地物背景基本相同,接收到的烟幕产生的红外辐射相同,即
Egi=E′gi,Eyi=E′yi,则上面二式相减得:
Eti-Ebi=EoiTi
（3
在释放烟幕前,可以对有红外辐射源对应的像元接收的红外辐射和周围没有红外辐射源对应像元接收的红外辐射分别测量,得到红外辐射源产生的红外辐射量:
Eoi=Emi-Egi
（4（4式带入（3式,可以得到透过率:
Ti=Eti-EbiEmi-Egi
（5
从上式可以看出,利用成像式红外测量头部,根据其邻域背景基本相同的特性,在测量烟幕透过率时,可以不受烟幕自身红外辐射的影响,因此可以用于热烟幕的红外透过率测量。
3.3 烟幕有效遮蔽面积处理方法
利用（5式,可以测量得到在每个红外辐射源对应像元（x,y处的透过率矩阵Ti（x,y。
利用该透过率矩阵,采用二维三次插值算法,计算出成像辐射计每个像元对应的透过率矩阵,把该矩阵与红外烟幕要求的透过率阈值T0进行比较,进行二值化处理,满足透过率要求的像元定义为1,根据物像投影关系,计算出每个为1的像元对应的烟幕面积。
把所有面积叠加,可以得到烟幕的有效遮蔽面积。
3.4 烟幕形成时间与持续时间
烟幕测量系统在同时间同系统控制下同步工作。
记录烟幕释放时的时间T1,和达到规定的烟幕面颊时间T2,作差可以得到烟幕形成时间Tstime=T2
-T1。
随着时间的延续,烟幕不断扩散,透过率一直
下降,烟幕的有效遮蔽面积不断变小,记录烟幕有效遮蔽面积为规定的技术指标时刻T3,则烟幕的有效持续时间为Tdtime=T3-T2。
4 烟幕有效遮蔽面积测量精度检测方法
实际烟幕无法确定烟幕有效遮蔽面积的真值,其测量精度以及烟幕有效遮蔽面积处理模型和算法的正确性就难以验证。
为此我们设计了几组试验,检测了烟幕有效遮蔽面积测量精度。
4.1 试验布局
试验布局如图2所示。
红外烟幕测量头部置于阵地高55m的平台上,200个红外辐射源在地面布成前端长100m、后端长200m、斜边400m的梯形阵,梯形阵共10行,每行20个红外辐射源。
前端距红外成像辐射计约400m。
4.2 试验方法
方法一:
200个红外辐射源同时工作后,在红外辐射计镜头前加衰减片,将衰减片视为透过率均匀的烟幕,测量有效遮蔽面积。
面积的真值为红外辐射计视场之内红外光源阵列的面积（经正投影变换后的面积,将测量结果与该面积真值对比分析;
方法二:
200个红外辐射源同时工作后,关闭部
分红外光源阵列,模拟静爆烟幕的形成和消散过程,测量有效遮蔽面积。
关闭的部分红外光源阵列面积已知,将测量结果与之对比分析;
方法三:
200个红外辐射源、红外测量头部正常工作后,用二根竹竿将一块面积已知的布挑起横向移动穿过光源阵列,模拟动态烟幕形成过程,检测烟幕有效遮蔽面积的测量处理精度。
1
06激光与红外 No.7 2006 李 明 范东启 康文运等 红外烟幕遮蔽效果测量与评估方法研究
试验时还可以通过变换红外光源阵列,进一步
验证烟幕有效遮蔽面积模型和算法的正确性。
烟幕有效遮蔽面积测量试验,不追求单点和单次高精度测量,而在于多点、多次测量的统计结果。
4.3 试验结果及分析
依据三种不同的试验方法,分别进行烟幕有效遮蔽面积精度测量试验,试验结果如图3~8所示。
试验时用长波热像仪加8°镜头,图2中的红外光源阵列只能部分进入视场,视场内覆盖100个辐射源。
其它波段的试验方法与长波相同
。
图3为加50%透过率衰片试验。
图中40~100s时间间隔内为加衰减片时间,由于衰减片透过
率为定值,辐射计视场内各信号源透过率不会发生变换,测得的有效遮蔽面积曲线基本为一直线。
图4和图5分别为关闭1/4与1/2红外光源阵列试
验,红外光源阵列关闭之后,随着时间的推移,红外光源温度降低,信号减弱,表观现象为透过率的降低,有效遮蔽面积增大;当被关闭的各红外源辐射信
206激光与红外 第36卷
号衰减到60%时,有效遮蔽面积不在增大,趋于定值。
处理上述三图有效遮蔽面积时,遮蔽有效的透过率阈值均设为60%,即红外辐射信号透过率低于60%的认为遮蔽有效。
由三图对比可看出,加衰减片测量处理得到的有效遮蔽面积约为关闭1/2光源阵列面积的两倍,约为关闭1/4阵列面积的4倍;如果以其中一图作为比较对象,另外两图的测量结果对其相对误差在20%范围以内。
当有效遮蔽面积处理的透过率阈值取40%,幕布的真值为98.9m2（经正投影变换后的面积,以下的‘真值’概念均同,有效遮蔽面积计算的平均值为85m2,测量的相对误差为14.1%,结果如图6所示。
变换红外光源梯形阵列,各边距离均缩短为图2的1/2,有效遮蔽面积处理的透过率阈值取50%,测量得到的平均值为80.8m2,幕布的真值为98.9m2,测量的相对误差为18.3%,结果如图7所示。
用幕布进行烟幕有效遮蔽面积精度检测试验时,由于风吹和人为的其它因素,幕布发生抖动或倾斜,面积真值要小于98.9m2,因此本组烟幕有效遮蔽面积的测量精度实际更高。
与图7试验条件基本相同,改变幕布的尺寸,其真值为51.18m2,试验得到的有效遮蔽面积计算的平均值为52.16m2,测量的相对误差为2%。
上述试验结果表明,烟幕有效遮蔽面积的测量精度优于20%,证明烟幕遮蔽有效遮蔽面积的数据处理模型和算法是合理、正确的。
5 结束语
在外场对红外烟幕遮蔽效果测量与评估涉及到的因素很多,如何科学的评价其遮蔽效果,需要随着烟幕的研究而不断深入。
本文报道的红外烟幕遮蔽效果测量系统已经成功应用于某试验靶场。
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（1.
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为对这一方案进行验证,搭建了一台光纤电流互感器原理样机。
采用拍长为3mm保偏光纤制作光纤λ/4波片,截取长度选择3/4拍长,测得其消光比约为2dB。
采集干涉仪在温度为-40℃、-20℃、0℃、25℃和50℃的输出,参照式（13对输出数据进行处理,则得Q随温度变化的曲线如图4所示。
由实验数据可以看出,Q随温度变化趋势同理论值基本一致,表明通过Q值的测量可以得到传感头的温度。
可以实现光纤电流互感器的在线补偿。
6 结 论
λ/4波片是光纤电流互感器的关键器件之一。
由于λ/4波片的温度特性,会造成光纤电流互感器的尺度因子在温度条件下发生变化。
利用λ/4波片的温度特性可以对互感器的尺度因子进行修正,从而提高光纤电流互感器的测试精度。
同时,利用λ/4波片的温度特性也可以实现传感头温度的非接触测量,实现维尔德常数的在线补偿。
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