紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量與評(píng)估方法研究.

1、第 36 卷 第 7 期激光與紅外 Vol.36,No.72006 年 7 月LASER & I N FRARE D July,2006文章編號(hào)：100125078(20060720599205紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量與評(píng)估方法研究李 明 1,2 范東啟 2,康文運(yùn) 2,王云萍 2,殷純永 1(1清華大學(xué)精密儀器系，北京 100084;2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094摘 要:文中首先提出了評(píng)估紅外煙幕遮蔽效果的主要技術(shù)指標(biāo)，然后介紹了一套外場(chǎng)實(shí)用的紅外煙幕測(cè)量系統(tǒng)，給出了測(cè)量煙幕遮蔽效果主要技術(shù)指標(biāo)的方法，最后給出了 煙幕有效遮蔽面積測(cè)量精度試驗(yàn)結(jié)果，表明測(cè)量精度優(yōu)于 20%。關(guān)鍵詞

2、:紅外煙幕遮蔽效果；外場(chǎng)實(shí)驗(yàn);煙幕評(píng)估系統(tǒng)中圖分類號(hào):T N976文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AA M ethod for M easure ment&Evaluati on of I nfrared S modeL IM ing1,2,F AN Dong2qi2,K ANG W en2yun2,WANG Yun2p ing2,YI NChun2yong1(1.Depart m ent of Precisi on I n stru men ts,Tsi ngHuaUni versity,Beiji ng100084Chi na2.Beiji ng I n stitute of Track ing& Telec

3、om muni cati on Tech nol ogy,Beijing100094Ch inaAbstracts n this paper,the main s pecificati ons f or evaluati on of infrared s mokeeffect defiladed is intr oduced.The n aset ofM easure ment&Evaluati on Syste m of I nfrared S moke Defiladed Effect f orfield test and the testing way of themain s peci

4、ficati ons are reported.A t last the testing p recisi on result of the effectivedefiladed area of in frared s moke isp rese nted,which is less the n20%.Key words:i nfrared s moke defiladed effect;field test;evaluati on syste m of s moke1 問(wèn)題的提出紅外煙幕作為一種常用裝備，已被廣泛應(yīng)用。對(duì)其遮蔽能力的評(píng)價(jià)，一般是用煙 幕在常用紅外波段(13ym35ym、812

5、m的遮蔽率或透過(guò)率指標(biāo)。為研究煙幕 的配方，一般在室內(nèi)使用煙幕箱測(cè)試1-2,而煙幕的遮蔽性能在外場(chǎng)測(cè)量更為真實(shí)。 由于紅外煙幕隨時(shí)間快速擴(kuò)散，其面積從幾十平方米到幾千平方米不等，持續(xù)時(shí)間僅 僅有幾十到幾百秒，因此其遮蔽效果的測(cè)量難度較大。文獻(xiàn)3中提出了一種基于等 效溫度利用熱像儀測(cè)量紅外煙幕遮蔽率的方法，但僅局限于對(duì)紅外煙幕其中一點(diǎn)的 透過(guò)率測(cè)量；文獻(xiàn) 4討論了利用熱像儀基于熱圖像變化研究煙幕遮蔽性能的一種方 法。上述文獻(xiàn)均沒(méi)有提出外場(chǎng)測(cè)量紅外煙幕遮蔽效果的方法和工程實(shí)現(xiàn)的途徑。本文首先分析評(píng)價(jià)煙幕遮蔽效果的主要技術(shù)指標(biāo)，然后介紹了一套紅外煙 幕遮蔽效果測(cè)量系統(tǒng)，最后對(duì)煙幕面積的測(cè)量精度作了檢

6、測(cè)。2 紅外煙幕遮蔽效果 評(píng)估的技術(shù)指標(biāo)紅外煙幕的作用是遮蔽被保護(hù)目標(biāo)發(fā)射或反射的紅外信息，以保證保護(hù)目標(biāo)的 安全。評(píng)估其性能的主要技術(shù)指標(biāo)為：遮蔽率或透過(guò)率、有效遮蔽面積、形成時(shí)間 和有效遮蔽時(shí)間。(1 遮蔽率或透過(guò)率(1當(dāng)對(duì)給定的紅外波段入1入2，其入射信號(hào)強(qiáng)度為 I in 入1-入2，穿過(guò)煙幕后信號(hào)強(qiáng)度為 I ou t 入1入2，則紅外煙幕在該波段的透過(guò)率T 入1-入2為：T 入1-入2=I ou t 入1-入2I in 入1-入2紅外煙幕的遮蔽率為1-入2=1-T 入1-疋(2一般紅外煙幕均有透過(guò)率或遮蔽率技術(shù)指標(biāo)要求。作者簡(jiǎn)介:李 明(1964-,男，博士研究生，主要從事光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7、。收稿日期：2005212220(2 有效遮蔽面積指滿足規(guī)定的透過(guò)率或遮蔽率技術(shù)指標(biāo)條件下煙幕面積。(3 形成時(shí)間指在達(dá)到規(guī)定的有效遮蔽面積條件下，煙幕形成時(shí)間。(4 持續(xù)時(shí)間指達(dá)到規(guī)定的有效遮蔽面積條件下煙幕的持續(xù)時(shí)間。3 紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)從煙幕遮蔽效果的主要技術(shù)指標(biāo)可以看出，煙幕的透過(guò)率或遮蔽率是評(píng)價(jià)煙幕 遮蔽效果的最重要技術(shù)指標(biāo)，也是其它技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)，因此測(cè)量煙幕的透過(guò)率或遮 蔽率是評(píng)價(jià)煙幕的關(guān)鍵所在。煙幕形成的機(jī)理決定了煙幕的散布有一定的范圍，具有隨機(jī)性，其邊緣是不規(guī)則 的,并隨著時(shí)間的延續(xù)不斷擴(kuò)散，因此測(cè)量煙幕透過(guò)率的關(guān)鍵是同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量煙幕的透過(guò)率;另外目前紅外煙幕不僅

8、僅是干擾其中一個(gè)波段，而是在追求全頻段干擾，要求 測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)ΤＳ玫募t外波段同時(shí)測(cè)量。為此我們研制了一套系統(tǒng)可以同時(shí)、多點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)測(cè)量13 卩 m、35 卩 m、812 卩 m 三個(gè)波段的紅外透過(guò)率。3.1 系統(tǒng)概述紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)包括紅外煙幕測(cè)量頭部、數(shù)據(jù)采集與處理器、 紅外光源、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)等部分。3.1.1 紅外煙幕測(cè)量頭部分有三個(gè)測(cè)量頭部，包括紅外焦平面器件、光學(xué)鏡頭等主要技術(shù)指標(biāo)，如表 1 所 示。3.1.2 紅外光源為實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積煙幕面積的測(cè)量，我們?cè)O(shè)計(jì)并研制了 200 個(gè)紅外光源。根據(jù)紅 外測(cè)量頭部的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)最遠(yuǎn)試驗(yàn)距離為 800m 時(shí)，經(jīng)過(guò)估算在三個(gè)波段對(duì)紅

9、外光 源的輻射強(qiáng)度最低要求為:J 1-3 卩 m =0.87W /Sr,J 35 卩 m =0.44W /Sr,J -10.5 卩 m =2.42W /Sr。表 1 紅外煙幕透過(guò)率測(cè)量頭部主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)短波測(cè)量頭中波測(cè)量頭長(zhǎng)波測(cè)量頭紅外焦平面 PtSilnSbHgCdTe制冷器斯特林制冷斯特林制冷斯特林制冷像元數(shù) 320X240256X256128X128 視場(chǎng)（度8.5 6.5；17 138 8 ,16X168$,16X16光學(xué)鏡頭（焦距 F /數(shù) 50,25/F1.550,25/F1.580,40/F1.5空間分辨率（毫弧度 0.5,1.00.6,1.2 1.0；2.0 動(dòng)態(tài)范圍扎12b

10、it12bit12bit通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射器件比較，選擇了遠(yuǎn)紅外陶瓷發(fā)熱片作為紅外光源的發(fā) 熱片，其特點(diǎn)是耗電功率較小、紅外輻射頻帶寬、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低，能滿足煙幕透過(guò)率測(cè)量的需要。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得其單表面輻射強(qiáng)度:J13 卩 m =5.6w /sr,J35 卩 m =9.6w /sr,J810.5卩 m =2.2w /s。為提高紅外源的使用效率，專門設(shè)計(jì)了類似球形的光源罩，對(duì)紅 外源的輻射信號(hào)定向，并把紅外發(fā)熱片的另外一面的紅外輻射通過(guò)該罩發(fā)射，以增加 信號(hào)強(qiáng)度,降低對(duì)電源總功率的要求。3.1.3 數(shù)據(jù)采集與處理器數(shù)據(jù)采集與處理器采集并處理三個(gè)煙幕測(cè)量頭部，分別輸出的視頻圖像信號(hào)和 同步信號(hào)，處理出

11、煙幕在不同點(diǎn)的透過(guò)率。圖像采集與處理由T MS320 系列高速處理器完成，處理板插入 PC 機(jī)內(nèi),由 PC 機(jī)進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)計(jì)算、圖像處理和硬盤 存儲(chǔ)等功能。人機(jī)對(duì)話由鍵盤操作，菜單式功能選擇,軟件均在 W I N DOW S NT 操 作系統(tǒng)下進(jìn)行。工作流程如圖 1 所示。圖 1 紅外煙幕數(shù)據(jù)處理流程圖Fig .1 the data p r ocess ing fl ow chart of in frared s moke數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要功能為:(1 計(jì)算在各個(gè)位置點(diǎn)上(200個(gè)點(diǎn)煙幕對(duì) 13 卩 m 35卩 mffi810.5卩 m 波段的衰減系數(shù)，可給出衰減系數(shù)分布圖； (2

12、測(cè)量和計(jì)算煙幕各個(gè)位置點(diǎn)上 的衰減系數(shù)隨時(shí)間的變化，可給出衰減系數(shù)隨時(shí)間變化曲線;(3 測(cè)量和計(jì)算整個(gè)煙幕散布的平均衰減系數(shù)及隨時(shí)間006 激光與紅外第 36 卷的變化；(4 計(jì)算煙幕透過(guò)率統(tǒng)計(jì)分布，顯示直方圖；(5 測(cè)量和計(jì)算煙幕有效遮蔽面積。3.2 紅外透過(guò)率測(cè)量方法試驗(yàn)時(shí)，紅外測(cè)量頭部和處理系統(tǒng)放置在高臺(tái)上，在地面按照要求布設(shè)紅外光源 在紅外測(cè)量頭部和光源之間釋放煙幕。布局示意圖如圖2 所示c(jniio ynqcmKFfccpjoint |/T(JirayiuKV|f lanMXf圖 2 紅外煙幕透過(guò)率測(cè)量布局示意圖Fig .2 the sketch map f or the test

13、i ng of pen etrat ing rati oof in frared s moke本系統(tǒng)利用紅外輻射計(jì)測(cè)量煙幕透過(guò)率。由于一次煙幕試驗(yàn)在幾分鐘內(nèi)完成，可以認(rèn)為輻射源和地物背景均是穩(wěn)定的。設(shè)輻射源的輻射量E oi ,地物背景輻射量 Eg i ,煙幕本身輻射量 E y i。煙幕釋放前,紅外輻射源對(duì)應(yīng)的像元接收到的輻射 源產(chǎn)生的輻射量 E m i ,地物背景輻射量 E g i ;施放煙幕時(shí)，與紅外輻射源對(duì)應(yīng)像元接 收到的輻射量 E ti 為：E ti =(E oi +E g i T +E y i施放煙幕時(shí)，僅僅有背景的像元接收到的背景輻射量E bi 為：E bi =E g i T +E

14、y i使用的紅外輻射計(jì)為焦平面式，并經(jīng)過(guò)了均勻性校正和非線性校正，可以認(rèn) 為相鄰像元的地物背景基本相同，接收到的煙幕產(chǎn)生的紅外輻射相同，即E g i =E g i ,E y i =E 則上面二式相減得：E ti -E bi =E oi T i(3在釋放煙幕前，可以對(duì)有紅外輻射源對(duì)應(yīng)的像元接收的紅外輻射和周圍沒(méi)有紅 外輻射源對(duì)應(yīng)像元接收的紅外輻射分別測(cè)量，得到紅外輻射源產(chǎn)生的紅外輻射量：E oi =E m i -E g i(4(4 式帶入(3 式，可以得到透過(guò)率:T i =E ti -E bi E m i -E g i(5從上式可以看出，利用成像式紅外測(cè)量頭部，根據(jù)其鄰域背景基本相同的特性，在測(cè)

15、量煙幕透過(guò)率時(shí)，可以不受煙幕自身紅外輻射的影響，因此可以用于熱煙幕的紅外 透過(guò)率測(cè)量。3.3 煙幕有效遮蔽面積處理方法利用(5 式,可以測(cè)量得到在每個(gè)紅外輻射源對(duì)應(yīng)像元(x,y 處的透過(guò)率矩陣 T i (x,y。 利用該透過(guò)率矩陣，采用二維三次插值算法，計(jì)算出成像輻射計(jì)每個(gè)像元對(duì)應(yīng) 的透過(guò)率矩陣，把該矩陣與紅外煙幕要求的透過(guò)率閾值 T 0 進(jìn)行比較,進(jìn)行二值化處 理，滿足透過(guò)率要求的像元定義為 1,根據(jù)物像投影關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)為 1 的像元對(duì)應(yīng) 的煙幕面積。把所有面積疊加，可以得到煙幕的有效遮蔽面積。3.4 煙幕形成時(shí)間 與持續(xù)時(shí)間煙幕測(cè)量系統(tǒng)在同時(shí)間同系統(tǒng)控制下同步工作。記錄煙幕釋放時(shí)的時(shí)間

16、T 1,和達(dá)到規(guī)定的煙幕面頰時(shí)間 T 2,作差可以得到煙幕形成時(shí)間 T sti me =T 2-T 1。隨著時(shí)間的延續(xù)，煙幕不斷擴(kuò)散，透過(guò)率一直下降，煙幕的有效遮蔽面積不斷變小，記錄煙幕有效遮蔽面積為規(guī)定的技術(shù)指標(biāo) 時(shí)刻 T 3,則煙幕的有效持續(xù)時(shí)間為 T dti me =T 3-T 2。4 煙幕有效遮蔽面積測(cè)量精度檢測(cè)方法實(shí)際煙幕無(wú)法確定煙幕有效遮蔽面積的真值，其測(cè)量精度以及煙幕有效遮蔽面 積處理模型和算法的正確性就難以驗(yàn)證。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了幾組試驗(yàn)，檢測(cè)了煙幕有效遮蔽面積測(cè)量精度。4.1 試驗(yàn)布局試驗(yàn)布局如圖 2 所示。紅外煙幕測(cè)量頭部置于陣地高 55m 的平臺(tái)上,200 個(gè)紅 外輻射源在地

17、面布成前端長(zhǎng) 100m、后端長(zhǎng) 200m、斜邊 400m 的梯形陣，梯形陣共 10 行，每行 20 個(gè)紅外輻射源。前端距紅外成像輻射計(jì)約 400m。4.2 試驗(yàn)方法方法一 :200 個(gè)紅外輻射源同時(shí)工作后，在紅外輻射計(jì)鏡頭前加衰減片，將衰減片 視為透過(guò)率均勻的煙幕，測(cè)量有效遮蔽面積。面積的真值為紅外輻射計(jì)視場(chǎng)之內(nèi)紅 外光源陣列的面積（經(jīng)正投影變換后的面積，將測(cè)量結(jié)果與該面積真值對(duì)比分析；方法二:200 個(gè)紅外輻射源同時(shí)工作后，關(guān)閉部分紅外光源陣列，模擬靜爆煙幕的形成和消散過(guò)程，測(cè)量有效遮蔽面積。關(guān)閉的 部分紅外光源陣列面積已知，將測(cè)量結(jié)果與之對(duì)比分析；方法三:200 個(gè)紅外輻射源、紅外測(cè)量頭部

18、正常工作后，用二根竹竿將一塊面積 已知的布挑起橫向移動(dòng)穿過(guò)光源陣列，模擬動(dòng)態(tài)煙幕形成過(guò)程，檢測(cè)煙幕有效遮蔽面 積的測(cè)量處理精度。106 激光與紅外 No .7 2006李明范東啟康文運(yùn)等紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量與評(píng)估方法研究試驗(yàn)時(shí)還可以通過(guò)變換紅外光源陣列，進(jìn)一步驗(yàn)證煙幕有效遮蔽面積模型和算法的正確性。煙幕有效遮蔽面積測(cè)量試驗(yàn)，不 追求單點(diǎn)和單次高精度測(cè)量，而在于多點(diǎn)、多次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。4.3 試驗(yàn)結(jié)果及 分析依據(jù)三種不同的試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行煙幕有效遮蔽面積精度測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn) 結(jié)果如圖 38 所示。試驗(yàn)時(shí)用長(zhǎng)波熱像儀加 8鏡頭，圖 2 中的紅外光源陣列只能部分進(jìn)入視場(chǎng)，視場(chǎng)內(nèi)覆蓋 100 個(gè)輻射

19、源。其它波段的試驗(yàn)方法與長(zhǎng)波相同o圖 3 為加 50%透過(guò)率衰片試驗(yàn)。圖中 40100s 時(shí)間間隔內(nèi)為加衰減片時(shí)間 由于衰減片透過(guò)率為定值，輻射計(jì)視場(chǎng)內(nèi)各信號(hào)源透過(guò)率不會(huì)發(fā)生變換，測(cè)得的有效遮蔽面積曲 線基本為一直線。圖 4 和圖 5 分別為關(guān)閉 1/4 與 1/2 紅外光源陣列試驗(yàn)，紅外光源陣列關(guān)閉之后，隨著時(shí)間的推移，紅外光源溫度降低，信號(hào)減弱，表觀 現(xiàn)象為透過(guò)率的降低，有效遮蔽面積增大；當(dāng)被關(guān)閉的各紅外源輻射信206 激光與紅外第 36 卷號(hào)衰減到 60%時(shí),有效遮蔽面積不在增大，趨于定值。處理上述三圖有效遮蔽面 積時(shí)，遮蔽有效的透過(guò)率閾值均設(shè)為 60%,即紅外輻射信號(hào)透過(guò)率低于 60%

20、的認(rèn)為遮蔽有效。由三圖對(duì)比可看出，加衰減片測(cè)量處理得到的有效遮蔽面積約為關(guān)閉1/2 光源陣列面積的兩倍，約為關(guān)閉 1/4 陣列面積的 4 倍;如果以其中一圖作為比較對(duì)象，另 外兩圖的測(cè)量結(jié)果對(duì)其相對(duì)誤差在 20%范圍以內(nèi)。當(dāng)有效遮蔽面積處理的透過(guò)率閾值取 40%,幕布的真值為 98.9m2（經(jīng)正投影變換 后的面積，以下的真值概念均同，有效遮蔽面積計(jì)算的平均值為 85m2,測(cè)量的相對(duì)誤 差為 14.1%結(jié)果如圖 6 所示。變換紅外光源梯形陣列，各邊距離均縮短為圖 2 的 1/2，有效遮蔽面積處理的透過(guò) 率閾值取 50%,測(cè)量得到的平均值為 80.8m2 幕布的真值為 98.9m2,測(cè)量的相對(duì)誤差

21、 為18.3%,結(jié)果如圖 7 所示。用幕布進(jìn)行煙幕有效遮蔽面積精度檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，由于風(fēng)吹和人為的其它因素，幕布發(fā)生抖動(dòng)或傾斜，面積真值要小于 98.9m2,因此本組煙幕 有效遮蔽面積的測(cè)量精度實(shí)際更咼。與圖 7 試驗(yàn)條件基本相同，改變幕布的尺寸，其真值為 51.18m2,試驗(yàn)得到的 有效遮蔽面積計(jì)算的平均值為 52.16m2 測(cè)量的相對(duì)誤差為 2%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，煙幕有效遮蔽面積的測(cè)量精度優(yōu)于 20%,證明煙幕遮蔽有效 遮蔽面積的數(shù)據(jù)處理模型和算法是合理、正確的。5 結(jié)束語(yǔ)在外場(chǎng)對(duì)紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量與評(píng)估涉及到的因素很多，如何科學(xué)的評(píng)價(jià)其遮蔽效果，需要隨著煙幕的研究而不斷深入。本文報(bào)道的紅

22、外煙幕遮蔽效果測(cè)量系 統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某試驗(yàn)靶場(chǎng)。參考文獻(xiàn)：1 周遵守，潘功配，李毅，等赤磷對(duì)改進(jìn)型 HC 發(fā)煙劑性能影響的試驗(yàn)研究J.含能材料,2002,10（3.2 劉慶冉，黃順祥，胡非，等.傅里葉變換紅外（FTI R 光306譜儀在抗紅外發(fā)煙材料的選擇和評(píng)價(jià)中的應(yīng)用J.光譜實(shí)驗(yàn)室，2004,21(1.3朱辰光，潘功配，關(guān)華，等.紅外煙幕遮蔽率測(cè)試方法研究J.紅外技術(shù),2004,26(4.4徐代升，李鐘敏,楊英科.用紅外成像技術(shù)外場(chǎng)研究紅外煙幕的遮蔽性能J.紅外與激光工程,2000,29(1.(上接第 598 頁(yè)為對(duì)這一方案進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了一臺(tái)光纖電流互感器原理樣機(jī)。采用拍長(zhǎng) 為3mm 保

23、偏光纖制作光纖 入/4 波片,截取長(zhǎng)度選擇 3/4 拍長(zhǎng),測(cè)得其消光比約為 2dB。采集干涉儀在溫度為-40C、-20C、0C、25C和 50C的輸出，參照式(13 對(duì)輸 出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則得 Q 隨溫度變化的曲線如圖 4 所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,Q 隨溫度變化趨勢(shì)同理論值基本一致，表明通過(guò) Q 值 的測(cè)量可以得到傳感頭的溫度?？梢詫?shí)現(xiàn)光纖電流互感器的在線補(bǔ)償。6 結(jié)論入/波片是光纖電流互感器的關(guān)鍵器件之一。由于入/破片的溫度特性，會(huì)造成光纖電流互感器的尺度因子在溫度條件下發(fā)生變化。利用入/破片的溫度特性可以對(duì)互感器的尺度因子進(jìn)行修正，從而提高光纖電流互感器的測(cè)試精度。同時(shí)，利用 入/波片的溫度特性也可以實(shí)現(xiàn)傳感頭溫度的非接觸測(cè)量，實(shí)現(xiàn)維爾德常數(shù)的在線補(bǔ) 償。參考文獻(xiàn)：1J B lake,P Tantas wadi,R T de Carvalho.I n2line SagnacI n terfer ometer Curre nt Sens orJ.I EEE Tran sacti on onPower Delivery,1996,11(1:116-121.2Guido Fr osi o.Reci p r ocal re