紅外熱像儀探測距離_約翰遜準(zhǔn)則

      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(yuǎn)？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(dá)到146×106公里。但這探測距離又是必須說清楚的一個問題，因?yàn)榭蛻糍I熱像儀是用來探測、監(jiān)控目標(biāo)的。下面我們一起了解一下約翰遜準(zhǔn)則，看看如何確定目標(biāo)探測距離。

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

目標(biāo)探測可分為探測(發(fā)現(xiàn))、識別和辨認(rèn)三個等級。

     A.探測

探測定義為：在視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個目標(biāo)。這時目標(biāo)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(biāo)分類，即可識別出目標(biāo)是坦克、卡車或者人等。這是目標(biāo)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(rèn)

辨認(rèn)的定義為：可區(qū)分開目標(biāo)的型號及其它特征，如分辨出敵我。這是目標(biāo)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(fā)現(xiàn)目標(biāo)，以及目標(biāo)與背景的對比度為1的條件下所得到的數(shù)據(jù)，從上面的約翰遜準(zhǔn)則可以看出，一套紅外熱成像儀能看多遠(yuǎn)，是由目標(biāo)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(biāo)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(tǒng)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(biāo)在焦平面所成的像占幾個像素，可由目標(biāo)尺寸、目標(biāo)與熱像儀的距離、空間分辨率（IFOV）計算得出。目標(biāo)尺寸（D）和目標(biāo)與熱像儀的距離（L）的比值為目標(biāo)的張角，再與IFOV相除得到像占用像素點(diǎn)的數(shù)量，即n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)。從中可以看到，焦距越大，目標(biāo)像所占用的像素點(diǎn)越多，根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則可知，其探測距離更遠(yuǎn)。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(yuǎn)的大小為2.3m的目標(biāo)，則目標(biāo)所張開的角度為2.3mrad，目標(biāo)所成的像占用2.3/0.38＝6個像素。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則可知，達(dá)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(shí)際應(yīng)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(diǎn)的數(shù)量，探測器性能則決定圖像質(zhì)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，F(xiàn)LIR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(biāo)，按照約翰遜準(zhǔn)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(shù)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(huán)境

 雖然熱輻射對大氣的穿透能力比可見光強(qiáng)，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(huán)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(yuǎn)”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(biāo)、大氣環(huán)境等客觀因素及人的主觀因素共同影響的結(jié)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。

        計算公式：

                                                           目標(biāo)尺寸（D）  *   焦距（f）

        n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)  =  ----------------------------------------------------------------

                                                        目標(biāo)與熱像儀的距離（L）*像元尺寸（d）