在以熱紅外輻射探測為基礎(chǔ)的紅外成像系統(tǒng)中，紅外熱像儀接收來自目標(biāo)和景物的紅外輻射形成紅外圖像，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將不可見的輻射轉(zhuǎn)變成可見的圖像。目前紅外探測系統(tǒng)中用得較多的是中波或長波紅外熱成像探測，但系統(tǒng)在實際工作中，受到以下幾個方面的因素制約。第一，目標(biāo)與背景至少有一個特征有所區(qū)別，這是紅外探測所需的最基本信息；其次，紅外探測器的前向光學(xué)通道（如大氣分子的吸收和輻射、大氣的散射、光學(xué)系統(tǒng)的吸收和反射等）的衰減都將減弱輻射對比度；第三，紅外探測器將探測到的輻射對比度轉(zhuǎn)換為電信號輸出時需要最低輻射對比度的分辨能力；第四，還要依賴計算機軟件對探測結(jié)果的信息處理能力。除了上述因素之外，由于目標(biāo)的紅外輻射率在不同波長上有不同的分布，所以需對適用不同波段的探測器做出合適的選擇。

1 背景中的目標(biāo)輻射

根據(jù)普朗克定律表征了理想黑體每單位面積每立體弧度輻射的功率，理想黑體是一個非常有效的輻射源。其某一波段輻射通量密度的計算如式（1）所示。

式中，Mλ為光譜輻射通量密度，單位為W·cm-2·μm-1，C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.7415 × 108Wμm4/m2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.43879 × 104μm·k；通過普朗克公式可繪出溫度為T=300K～900K；波長為λ =1μm～15μm，黑體輻射與輻射波長之間關(guān)系的曲線如圖1所示。

圖1 黑體輻射的光譜輻射通量密度

由圖l可見：總輻射通量密度隨黑體溫度增加而增加，光譜輻射的峰值波長向短波方向移動。另外，不同溫度的光譜分布曲線彼此不相交，說明任何波長的光譜通量密度都隨溫度的升高而增加。

根據(jù)普朗克輻射定律，在目標(biāo)探測中主要是紅外源輻射的光譜效率以及目標(biāo)與背景的輻射對比度。若目標(biāo)與背景除有微小溫差外，其余特性接近相同，從定律可知，欲使目標(biāo)與背景之間有最大對比度，需要式中的分子差值取最大值，實際工作中就是選擇合適的工作波長，以便使光譜輻射度隨溫度的變化率達到最大值，因此，可將普朗克輻射公式對波長求偏微分，可得維恩位移定律，如式（2）所示；對溫度T求偏微分，光譜輻射度對溫度的變化率，如式（3）所示。

光譜微分輻射亮度是溫度、波長的函數(shù)，在峰值波長五．處取得最大值。對單位溫差變化，波長為λ。處輻射的亮度差最大值，對探測最為有利。光譜微分輻射亮度的峰值波長與溫度之積也是常數(shù)，如式（4）所示。

對照維恩位移定律，光譜微分輻射亮度達到最大的峰值波長λc不再是光譜輻射出射度達到最大的λm，λc小于λm，這是選擇目標(biāo)源與探測器需要考慮的因素。

1.1 目標(biāo)的總輻射特性

在探測目標(biāo)時，主要對3μm～5μm，8μm～12μm波段發(fā)射的總輻射數(shù)據(jù)及對溫度的變化感興趣。通過公式（1）、（3）可對感興趣波段積分求出總的帶內(nèi)輻射及對溫度變化情況，如（5）、（6）、（7）、（8），曲線如圖2所示。

圖2 不同波段下輻射曲線圖

從上述對應(yīng)的公式和曲線可知，對溫度為背景溫度或更熱的任何目標(biāo)，主要輻射處在長波紅外波段，特別是在環(huán)境溫度下，長波紅外輻射比中波紅外強30倍。因此，對約300K的環(huán)境溫度，若探測器中心波長為8μm，則可獲得最大輻射對比度。在此波段工作時，即使目標(biāo)與背景有較小溫差，它們的光譜輻射度也具有較大的差值。

1.2 前向光學(xué)通道的傳輸性能

1.2.1 大氣傳輸?shù)乃p

紅外探測系統(tǒng)實際探測跟蹤目標(biāo)時所接收到的輻射一部分是目標(biāo)輻射的能量，另一部分來自路徑輻射。然而目標(biāo)的輻射能量在到達紅外傳感器前，會被大氣中某些氣體有選擇地吸收，大氣中懸浮微粒能使光線散射，吸收、散射雖然機理不同，其作用結(jié)果均使輻射功率在傳輸過程中發(fā)生了衰減。大氣路徑本身的紅外輻射與目標(biāo)輻射在傳輸過程中不斷地被大氣所吸收并且再次輻射Im來，雖然路徑輻射使紅外系統(tǒng)接收到的能量增加，卻降低了目標(biāo)與背景的對比度，在熱紅外波段的影響尤為明顯。可利用LOWTRAN7軟件，輸人中緯度地區(qū)相應(yīng)的大氣參數(shù)，得到的大氣輻射的透過率、大氣輻射亮度曲線如圖3、圖4所示。

圖3水平觀察的中／長波大氣透過率

從圖3可知，在中波譜段和長波譜段大氣的透過率最高為0.7，這有利于探測器在中波譜段和長波譜段的探測。從圖4可知，5μm～14μm譜段的大氣紅外輻射亮度為1.0×104w/cm2μm--6.0×10-4w/cm2μm，大氣的輻射亮度降低了長波譜段的目標(biāo)與背景的對比度，不利于長波譜段探測器探測目標(biāo)。

圖4水平觀察中／長波大氣輻射亮度

1.2.2 光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率

光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，一般用光學(xué)傳遞函數(shù)表示。它是點擴散函數(shù)的傅里葉變換，其模量部分稱作調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，位相部分稱作位相傳遞函數(shù)PTF。光學(xué)傳遞函數(shù)是空間頻率的函數(shù)。空間頻率又是光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑、使用的波長和光學(xué)系統(tǒng)像差的函數(shù)，而實際應(yīng)用是采用無像差系統(tǒng)中空間截至頻率來衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，即光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，計算如式（9）所示。

式中，D為口徑，f為焦距，F(xiàn)為紅外光系統(tǒng)的F數(shù)，λ為波長。

從式（9）可知，當(dāng)探測系統(tǒng)的相對孔徑一定時，探測器的波長越短，其截至頻率越大，體現(xiàn)在圖像上目標(biāo)的輪廓越清晰。因此，3μm～5μm譜段的紅外光學(xué)系統(tǒng)比8μm～12μm譜段的紅外光學(xué)系統(tǒng)有更好的分辨率。

2 探測器的性能分析

探測器本身的性能是選擇探測波段時首要考慮的因素，即使目標(biāo)在某個波段有著很高的輻射強度和大氣透過率，若在該波段沒有與目標(biāo)特征譜段相匹配的探測器來探測目標(biāo)，輻射強度和大氣透過率也就沒有任何意義。因此，紅外探測器在不同波段探測目標(biāo)時，不同波段探測器的量子效率、積分時間和Nyquist頻率都是影響探測器探測能力的因素。不同波段的探測器對應(yīng)該波段的探測其量子效率是最高的，也有利于該紅外系統(tǒng)對目標(biāo)的捕獲跟蹤能力。當(dāng)積分時間越長，接收系統(tǒng)接收的能量就越多，對探測目標(biāo)就越有利。但實際工作中，中波不超過5ms，長波不超過1ms，主要原因是積分時間過長，對中波紅外系統(tǒng)來說，尤其對動態(tài)目標(biāo)，導(dǎo)致像移；對長波紅外系統(tǒng)來說，由于大氣傳輸?shù)妮椛洌苋菀罪柡停焕谀繕?biāo)探測跟蹤。為保證探測器在探測目標(biāo)時不發(fā)生混頻，探測器的Nyquist頻率μn，通常也作為評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的指標(biāo)，一般取為光學(xué)系統(tǒng)截止空間頻率μc的一半，計算如式（10）所示。

3 試驗驗證

通過實際工作中波和長波紅外系統(tǒng)采集的圖像（如圖5、圖6）進一步驗證上述理論分析、計算的正確性。

圖5長波跟蹤飛機

圖6中波跟蹤飛機

從圖5和圖6可計算出，不同波段對跟蹤目標(biāo)的灰度值如表1所示。

由表1的數(shù)據(jù)可知，長波的對比度比中波的對比度要高很多，所以長波更有利于對上述目標(biāo)的探測跟蹤，但根據(jù)圖5、6的目標(biāo)顯示，中波紅外系統(tǒng)探測的目標(biāo)比長波紅外系統(tǒng)的目標(biāo)要清晰，主要是以下原因形成的。

（1）對于同一個目標(biāo)，在不同的波段，其輻射率是不一樣的。目標(biāo)高溫時，降低了長波波段的輻射率。

（2）背景輻射對長波產(chǎn)生的噪聲比中波要大得多。

（3）當(dāng)目標(biāo)大于一定的尺寸，雖然在中波譜段的輻射率低，但目標(biāo)的尺寸大，也可獲得很大的能量，有利于中波目標(biāo)的成像質(zhì)量。

（4）探測器的波長越短，其截至頻率越大，體現(xiàn)在圖像上目標(biāo)的輪廓越清晰。

（5）計算軟件在處理信息的過程中處理能力的差別。

4 結(jié)論

紅外探測波段的選擇需要綜合考慮探測器、目標(biāo)輻射、背景輻射、大氣衰減、材料等多種因素。某些情況下，各個因素對波段選擇的影響并不一致。這就更要求對各個因素進行綜合分析，以做出最合適的選擇。探測某些目標(biāo)時選用兩個波段各有利弊，可能都是合理的。對目標(biāo)的某些方位，中波探測比長波探測更優(yōu)一些，而在另一些方位，長波探測比中波探測更優(yōu)一些。這時就要在考慮其它方面的因素，以做出合理決策。對一些常見的被測目標(biāo)，可以參照以下方式選擇合適的探測波段。

（1）對探測目標(biāo)的溫度在500K以上，具有一定中波輻射，且這種環(huán)境下中波輻射的大氣透過率比長波的高很多，中波探測器的靈敏度也較高，因此，應(yīng)優(yōu)先使用中波探測系統(tǒng)。

（2）對用于空對地、空對空和地對空遠(yuǎn)距離觀察的紅外系統(tǒng)，如果探測溫度在300K以下的低溫目標(biāo)，由于此時目標(biāo)的長波輻射比較明顯，且傳輸路徑中水汽較少，透過率較高，應(yīng)優(yōu)先采用長波探測系統(tǒng)。如果探測高溫目標(biāo)，如飛機熱噴管、排氣管、尾焰等，此時目標(biāo)的中波輻射明顯，應(yīng)優(yōu)先采用中波探測系統(tǒng)。

（3）對于地對地遠(yuǎn)距離觀察紅外系統(tǒng)，背景輻射大多比較復(fù)雜，大氣傳輸路徑較長。如果環(huán)境濕度較高，一般應(yīng)考慮采用中波探測。如果環(huán)境濕度較低，可以考慮采用長波探測，但需要綜合分析目標(biāo)輻射、背景輻射等因素。