紅外熱像儀探測距離_約翰遜準則

發布日期：2016-09-01 00:00 來源：http://www.syss.org.cn 點擊：

用戶購買紅外熱成像儀常常會問一個問題：紅外熱成像儀能看多遠？這是一個特別重要的問題，但又是很難說清楚的問題。比如說，我們熱像儀能看到146×106公里外的太陽，但不能說熱像儀的探測距離能達到146×106公里。但這探測距離又是必須說清楚的一個問題，因為客戶買熱像儀是用來探測、監控目標的。下面我們一起了解一下約翰遜準則，看看如何確定目標探測距離。

約翰遜準則：探測距離是一個主觀因素和客觀因素綜合作用的結果。主觀因素跟觀察者的視覺心理、經驗等因素有關。要回答“熱像儀能看多遠”，必須先弄清楚“什么叫看清楚”，如探測一個目標，甲認為看清楚了，但乙可能就認為沒看清楚，因此必須有一個客觀統一的評價標準。國外在這方面做了大量的工作，約翰遜根據實驗把目標的探測問題與等效條紋探測聯系起來。許多研究表明，有可能在不考慮目標本質和圖像缺陷的情況下，用目標等效條紋的分辨力來確定紅外熱像儀成像系統對目標的識別能力，這就是約翰遜準則。

目標探測可分為探測(發現)、識別和辨認三個等級。

A.探測

探測定義為：在視場內發現一個目標。這時目標所成的像在臨界尺寸方向上必須占到1.5個像素以上。

B.識別

識別定義為：可將目標分類，即可識別出目標是坦克、卡車或者人等。這是目標所成的像在臨界尺寸方向上必須占到6個像素以上。

C.辨認

辨認的定義為：可區分開目標的型號及其它特征，如分辨出敵我。這是目標所成的像在臨界尺寸方向上必須占到12個像素以上。

以上都是在概率50%，也就是剛好能發現目標，以及目標與背景的對比度為1的條件下所得到的數據，從上面的約翰遜準則可以看出，一套紅外熱成像儀能看多遠，是由目標尺寸、鏡頭焦距、探測器性能等因素決定的。

決定探測距離的因素：

1、鏡頭焦距

決定熱像儀的探測距離的最重要的因素就是鏡頭焦距。鏡頭焦距直接決定了目標所成的像的大小，也就是在焦平面上占幾個像素。通常這是用空間分辨率（IFOV）來表示，它表示每個像素在物空間所張開的角度，也就是系統所能分辨的最小角度，一般由像元尺寸（d）與焦距（f）的比值得出，即IFOV＝d/f。

每個目標在焦平面所成的像占幾個像素，可由目標尺寸、目標與熱像儀的距離、空間分辨率（IFOV）計算得出。目標尺寸（D）和目標與熱像儀的距離（L）的比值為目標的張角，再與IFOV相除得到像占用像素點的數量，即n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)。從中可以看到，焦距越大，目標像所占用的像素點越多，根據約翰遜準則可知，其探測距離更遠。但另一方面，焦距越大，視場角越小，同時成本也更高。

這里舉個例子。熱像儀焦平面的像元尺寸為38μm，配100mm焦距鏡頭，則空間分辨率IFOV為0.38mrad。觀察1公里遠的大小為2.3m的目標，則目標所張開的角度為2.3mrad，目標所成的像占用2.3/0.38＝6個像素。根據約翰遜準則可知，達到識別水平。

2、探測器性能

鏡頭焦距是從理論上決定了熱像儀的探測距離，在實際應用中起著重要作用的另一因素是探測器性能。鏡頭焦距只是決定了所成像的大小，占用像素點的數量，探測器性能則決定圖像質量，如模糊程度，信噪比等。探測器性能可從像元尺寸、熱靈敏度、信號處理等方面來分析。

像元尺寸越小，則空間分辨率（IFOV）越小，從前面的討論可看出，其探測距離越大。一個典型例子是，FLIR非制冷熱像儀的Photon 320的像元尺寸是38μm，Photon 640的像元尺寸為25μm，如果都配100mm鏡頭，觀察2.3m的目標，按照約翰遜準則，其識別距離分別為1公里、1.5公里。

探測器的熱靈敏度和信號處理決定了圖像的清晰度。如果探測器的熱靈敏度和信號處理能力不好的話，則所成的像只是一個模糊的熱像，也就無法識別。因此，一些探測器的熱靈敏度不高的話，則采取加大鏡頭口徑的方法來提高圖像效果，這不但增加了成本，而且也增加了使用上的不方便。美國FLIR的Photon系列，使用的鏡頭F數一般可降低到1.4～1.7，也就是口徑可做得特別小。

3、大氣環境

雖然熱輻射對大氣的穿透能力比可見光強，但大氣吸收、散射等對熱像儀成像還是有一定的影響，特別是大霧和大雨的天氣環境，從而影響到了熱像儀的探測距離。

綜上所述，一個熱像儀能“看多遠”是一個很難說清楚的問題，它受到幾個方面的影響，它是探測器、鏡頭、目標、大氣環境等客觀因素及人的主觀因素共同影響的結果。

下圖是FLIR的非制冷熱像儀Photon 320探測距離效果圖，其像元尺寸為38 μm，像素為320*240，配50mm焦距鏡頭。

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