紅外煙幕遮蔽效果測(cè)量與評(píng)估方法研究_圖文

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:紅外煙幕遮蔽效果;外場(chǎng)實(shí)驗(yàn);煙幕評(píng)估系統(tǒng)

2、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 N Chun2yong1(1.Depart m ent of Precisi on I nstru ments,TsingHua University,Beijing100084China2.Beijing I nstitute of Tracking&Telecommunicati on Technol ogy,Bei

3、jing100094ChinaAbstract:I n this paper,the main s pecificati ons f or evaluati on of infrared s moke effect defiladed is intr oduced.Then aset ofM easure ment&Evaluati on Syste m of I nfrared S moke Defiladed Effect f or field test and the testing way of themain s pecificati ons are reported.A t las

4、t the testing p recisi on result of the effective defiladed area of infrared s moke isp resented,which is less then20%.Key words:infrared 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(13m、35m、812m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,

5、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

6、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)率當(dāng)對(duì)給定的紅外波段12,其入射信號(hào)強(qiáng)度為I in1-2,穿過(guò)煙幕后信號(hào)強(qiáng)度為I ou t12,則紅外煙幕在該波段的透過(guò)率T1-2為:T1-2=I ou t1-2I in1-2(1紅外煙幕的遮蔽率為:Z1-2=1-T1-2(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)。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

7、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13m 、35m 、812

8、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。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)紅外光源的輻射強(qiáng)度最低要求為:J 1-3m =0.87W /Sr,J 3-5m =0.44W /Sr,J 8-10.5m =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)32024025625

9、6128128視場(chǎng)(度8.56.5,1713 12bit12bit12bit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:J13m =5.6w /sr,J35m =9.6w /sr,J810.5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

10、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 .1the data p r ocessing fl ow chart of infrared 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)13m 、35m 和810.5m 波段的衰減系數(shù),可給出衰減系數(shù)分布圖;(2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

11、.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 。圖2紅外煙幕透過(guò)率測(cè)量布局示意圖Fig .2the sketch map f or the testing of penetrating rati oof infrared 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E g 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

12、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 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 y i ,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

13、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)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

14、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

15、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

16、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 .72006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

17、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)輻射源。其它波段的試驗(yàn)方法與長(zhǎng)波相同 。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

18、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%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80.8m

19、2,幕布的真值為98.9m2,測(cè)量的相對(duì)誤差為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)際更高。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

20、入。本文報(bào)道的紅外煙幕遮蔽效果測(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保偏光纖制

21、作光纖/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-40、-20、0、25和50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。可以實(shí)現(xiàn)光纖電流互感器的在線補(bǔ)償。6結(jié)論/4波片是光纖電流互感器的關(guān)鍵器件之一。由于/4波片的溫度特性,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/4波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/4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 nterfer ometer Current Sens orJ.I EEE Transacti on onPower Delivery,1996,11(1:116-121.2Guido Fr osi o.Reci p r ocal reflecti on interfer ometer f or a fi2ber2