红外辐射与目标识别9787030712974

第1章 绪论

 1.1 红外辐射与红外特性

 光是一种电磁辐射，在空间中的传播可以采用电场和磁场的波动方程来描述，故也称为电磁波，它所具有的能量就是电磁辐射能。通常所说的可见光是人眼可以看到的电磁辐射，它的波长范围在 0.38～0.76μm，与波长对应的颜色依次是紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。位于红色光以外，波长在 0.76～1000μm 范围的电磁辐射常称为 “红外辐射”，也称 “红外线” 或 “红外光”。

 实际上，电磁辐射的波长具有极长的跨度，形成电磁波谱，它的分布如图 1.1所示。在电磁波谱中，波长由短到长分别被划分并命名为 γ 射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电。这些命名并非固定，如无线电的短波谱段也称为微波谱段，红外与微波的过渡区域也称为太赫兹谱段。每个谱段的范围也并非严格确定，主要是根据它们的产生方式、传播方式、测量技术和应用范围的不同而划分。光学谱段包含了紫外、可见光和红外部分。在实际应用中，红外谱段常被细分为四个部分：近红外/短波红外 (0.76～3μm)；中红外/中波红外 (3～6μm)；远红外/长波红外 (6～25μm)；极远红外/甚长波红外 (25～1000μm)，极远红外与太赫兹谱段基本重叠。有时也称 1～3μm 为近红外，3～5μm 为中波红外，8～12μm为长波红外，这三个谱段是大气窗口区，即大气中能够透过红外辐射的谱段。本书讨论的红外辐射光谱范围主要在 2～25μm。

 图1.1 电磁波谱分布

 书讨论的红外辐射光谱范围主要在 2～25μm。红外辐射的研究有着悠长的历史。1800 年英国天文学家威廉 赫歇尔 (S. W.Herschel) 在研究太阳光谱的热效应时，用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现：当水银温度计移到红色光谱边界以外人眼看不见有任何光线的黑暗区时，温度反而比红光区域高，证明了红外辐射的存在 [1]。当时，这种辐射被称为 “看不见的光线”，也就是后来所谓的红外线或红外辐射。至此，开启了红外辐射产生、传播和探测的机理、方法与应用研究。

 随着温差热电偶、半导体电阻辐射计等探测技术的发展，红外辐射的测量从定性走向定量。到 19 世纪末，红外辐射的定量测量波长超过了 5μm，20 世纪初，超过了 13μm。过去一百年间，数种全新体制的探测技术出现，促使红外探测水平飞速发展，现在部分谱段的探测光谱分辨率已经到达小于单吸收谱线有效宽度(典型值在 10.4 cm.1)，探测灵敏度*高可实现单光子测量。这推动了红外科学与技术发展成为一门独立的学科，在环境与遥感科学、能源科学、天文与空间探测、医学与公共卫生、工农业生产、军事与安全技术等众多领域的研究与产业应用中发挥令人瞩目的作用。

 本书的红外辐射部分面向目标红外探测、识别所需要的目标与环境红外特性知识，系统阐述红外特性涉及的红外辐射基本概念、红外特性理论计算、特性规律及测量方法，它是红外光电系统设计、探测、识别目标等应用不可或缺的基础和依据。

 书讨论的红外辐射光谱范围主要在 2～25μm。所谓目标与环境红外特性就是红外谱段的光学特性。目标与环境光学特性，是指目标与环境可被探测的光学参量的科学描述，反映了光学辐射同目标与环境相互作用而产生的物理现象及其变化规律，揭示了目标与环境的固有属性 [2]。对目标与环境的可测量光学参量进行计算、测量、提取与应用共同构成了光学特性研究的基本内容。在本书中，环境的对象范畴为地球表面、地球的大气和地外天体；目标的对象范畴为处于地表、海表、空中和空间中的各类人造物体。根据测量手段分类，光学特性可以被区分为被动式探测对应的光学辐射特性和主动式探测对应的光学散射特性。目前，红外探测技术主要是被动接收辐射的探测方式，因此，本书重点阐述红外辐射特性。

 这里很有必要澄清一些红外辐射特性常用的术语表达。绝对零度以上的物体都在不停地向外发射电磁波，辐射能量主要与物体温度相关，通常温度越高发射辐射的能力越强，辐射峰值波长越短。自然界中大部分目标及其所处环境产生的电磁辐射的峰值波长都在红外谱段；可以说，红外探测器所观测到的物体辐射很大程度上反映了它的热状态，因此，也有文献将红外辐射称为热辐射。但是，由于探测器测量的红外辐射并不完全来自物体发射，很多时候来自散射过程，这些辐射并不反映物体热状态，将热辐射与红外辐射等价在字面上易引起误解。本书在红外辐射特性的机理阐述中以发射辐射、反射辐射、透射辐射、散射辐射等术语分解物理过程，将 “热辐射” 一词等价于发射辐射。随着红外器件和红外探测技术的快速发展，红外辐射在现代军事技术、工农业生产、资源勘探、气象预报和环境科学等领域的广泛应用给红外辐射特性不断提出新需求。对目标与环境红外辐射特性的研究也早已突破光学或红外物理单一学科范畴，发展成为光学与原子分子物理学、地球与行星科学、空间物理学、力学、传热学、材料科学与技术以及工程设计等相互共融的学科交叉研究领域，焕发新生。

 1.2 目标光学辐射特性

 早在 20 世纪 50 年代，以美国为代表的西方发达国家便开始将目标与环境光学特性作为一个独立的领域开展系统性的理论建模、测量及其应用研究。经过数十年的发展，建立了较为完善的研究与应用体系，形成了一批目前被广泛使用且置信度很高的光学特性理论模型和工程计算软件，执行了一系列地基、船载、机载、球载、箭载、星载测量计划，积累了丰富的光学特性数据，促使他们在目标光电探测与识别等应用技术方面走在世界前列。下面分别介绍国外在目标辐射特性建模和测量方面的重要研究进展，并简要对比分析国内情况。类似地，在 1.3 节介绍环境辐射特性建模与测量方面的进展。

 目标光学辐射特性建模研究主要是基于传热学、流体力学、光散射及辐射传输理论，构建各类复杂结构目标在内部动力因素和外部环境因素共同作用下光学辐射特性的计算模型，逐步形成各种类型目标的集成仿真计算软件 [3]。

 以目标对象来区分，对于车辆、建筑等地面目标，主要的软件有 PRISM (PhysicalReasonable Infrared Signature Model) 和 MuSES (Multi-Service Electro-opticSignature)。对于水面舰船类目标，主要的软件有 ShipIR (Ship InfraRed simulator)和 EOSTAR (Electro-Optical Signal TrAnsmission Ranging)。对于飞机等空中目标，主要的软件有 NIRATAM (NATO InfraRed Air TArget Model) 和 SPIRITSAC(Spectral and In-band Radiometric Imaging of Targets and Scenes-AirCraft)，其中 SPIRITS-AC 的计算谱段范围可以覆盖紫外到红外。对于火箭类目标，主要的软件有 SPF (Standard Plume Flowfield)、SIRRM (Standard InfraRed RadiationModel)、SPURC (Standrad Plume Ultraviolet Radiation Code)、CHAMP(Composite Hardbody And Missile Plumes)。

 由于目标光学辐射特性建模原理的共通性，不同类型目标特性的仿真计算实际上就是根据目标结构特点组合、优化基本的流场、传热、辐射传输计算模块。因此，很多目标特性仿真软件在版本迭代的过程中不断提升其通用性，以上介绍的一些软件虽然*初只用于一种特定类型目标光学辐射特性计算，但*新版本已经支持地、海、空多类型目标光学辐射特性的计算。另外，尽管很多计算软件在国防需求下诞生，但逐步发展为通用计算软件，能够支撑各种对目标光学辐射特性存在需求的技术领域，体现出光学特性理论的应用基础性。

 另一方面，为了满足目标性能评估、理论模型校验等需求，利用辐射计、光谱仪、多谱段成像仪、光谱成像仪、偏振成像仪等各种类型的测量设备，建设了大量的光学辐射特性测量系统，执行特性测量测试、数据获取计划 [4]。

 按照测量方式分类：一是，在静态或模拟环境下构建测量系统，对处于地面静止、滑轨、台架、风洞等的目标开展光学辐射特性测量；二是，建设开放环境下地基、船载光学测试场，对处于真实环境的地海面目标、处于飞行状态的飞机和火箭等空中目标以及卫星等空间目标开展光学辐射特性测量，比较著名的测试场有毛伊岛光学靶场、星火光学靶场、大西洋红外测试场等；三是，研发机载、弹载测量系统对地海面目标开展俯视测量，对飞机、火箭等目标开展伴飞、跟踪测量，典型的测量系统有美国海军空战中心的 Tiger 红外测量吊舱、空军研究实验室的目标与背景红外特征试验机 (Flying Infrared Signature Technology Aircraft，FISTA)；四是，发射光学辐射特性测量卫星开展地海面、空中目标、火箭等的天基测量，*典型的测量卫星是 MSX (Midcourse Space eXperiment) 技术验证星，它携带了覆盖紫外至远红外的辐射计、光谱仪和成像仪在天基下视和临边探测视角下获取飞行试验中的目标辐射特性。

 我国目标与环境光学特性研究起始于 20 世纪 60 年代，尽管受到投入限制，20 世纪 70 年代至 2000 年依然较系统地开展了光学特性理论与测量试验研究，初步形成了研究与应用体系。进入 21 世纪以后，随着投入不断增加，且各领域的需求强烈，国外引入现有成果逐渐不能满足应用发展，国内的光学特性研究进入发展快车道。尽管已经取得一些成果，但是，理论模型校验不足、集成性较差，测量手段单一且可靠性、持续性不够，光学特性在目标探测与识别等应用领域作用体现不足等问题依然十分突出。因此，系统梳理光学特性建模与测量知识体系，夯实学科基础，是十分有必要的，也是本书红外特性理论与