军用光电系统作用距离分析

军用光电系统作用距离分析

赵妙娟，车 宏

（中航一集团第六一三研究所，河南 洛阳 471009）

摘要：军用光电探测系统非常重要的性能指标是作用距离。分析系统作用距离的目的是找出目标源、大气和传感器性能三者之间的定量关系。当使用要求的考核条件确定时，进行分析、协调、折衷并合理选择系统其它的设计参数，有利实现传感器的最佳系统性能。文章结合机载综合光电探测系统典型使用要求，对红外、激光、电视各光电传感分系统的作用距离进行了分析，进而定量计算了特定条件下的作用距离。

关键词：作用距离； 机载综合光电探测系统； 红外/激光/电视

中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0501-03

Analysis of the efficient distance of O-E system for military

ZHAO Miao-juan, CHE Hong

(No.613 Research Institute of China Aeronautical Industry, Luoyang 471009, China)

Abstract: The efficient distance is a very important system indicator of the optical-electronic detector. When the examination conditions are identified, the system efficient distance was analyzed in order to find the quantitive-relation among the object, the atmosphere and the transducer characters. Thus the other design indicators of the system were coordinated and selected, so as to realize the best characters of the transducer system. The thesis took the synthetic optical-electronic detector on aeroplanes for example, the efficient distance of infrared, laser and television sub-transducer systems was analyzed, and the efficient distance in certain conditions was calculated quantitively.

Key words: Efficient distance; Synthetic optical-electronic System on aeroplane;

Infrared/laser/television

0 引 言

军用光电探测系统通常包括激光、电视、红外等传感器。对于军用光电探测系统，首先必须回答探测什么目标，探测距离有多远的问题。光电探测装置是多种高技术综合，要解决对红外和可见光谱范围的目标跟踪、瞄准识别、激光测距、照射等功能、作用距离是非常重要的系统性能指标。

研究分析光电系统使用要求的作用距离，就是要找出目标、大气和传感器性能3者之间的定量关系。

收稿日期：2008-06-19

目的在于能协调折衷、选择确定在特定考核条件下的最佳系统设计参数。论文涉及的使用考核技术条件如下：目标大小为10 m×10 m；目标与背景温差为3～5 ℃；地面大气能见度≥20 km；气候条件为无云；激光反射系数为0.2；景物对比度为0.15；地面相对湿度≤80％；红外、电视发现距离≥30 km；红外、电视识别距离≥20 km；激光测距距离≥20 km；激光照射距离≥15 km。重点研究激光测距、照射、电视、红外等光电探测系统的作用距离。

作者简介：赵妙娟（1954-），女，河南洛阳人，研究员，主要从事光电系统总体及光学设计技术研究。Email: zhmiaojuan@163.com

502 红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术 第37卷

1 激光测距/照射距离

激光发射光轴与综合光电探测系统的瞄准线光轴平行；激光测距/照射分系统主要实现如下功能：在红外或电视分系统对目标实现跟踪瞄准后，此时按指令发射激光束，使其沿目标瞄准线完成对目标的测距和照射。

激光测距和激光照射系统首先应当考虑作用距离能否满足使用要求。按下公式式分析：

Pπ(Rd

×RM)Ps

t=t−σ(Rd+RM)

(1) teρtcosθrtrAr式中：Pt为激光器发射功率，它是激光脉冲能量E

和脉宽r的函数，Pt=E/r；Ps为寻的器或测距机接收到的功率；tt为激光发射系统的透过率；tr为寻的器或测距机接收系统的透过率；σ为大气衰减系数；Rd为测距发射天线至目标的距离；RM为寻的器至目标的距离，在测距状态下计算时使RM=Rd=R即可；ρt为目标反射率；θr为目标法线与激光轴的夹角；Ar为接收孔径面积。

分析公式(1)可知：在系统灵敏度Ps一定的条件下，欲增加作用距离R，可以采取增加接收口径、加大激光发射功率、减小发射光学系统的损失、提高目标反射率和减小接收光学系统的损失等措施。 利用激光发射接收分系统试验样机的参数，将各项数据代入公式(1)进行计算的结果是：激光测距L测=23 km；激光照射L照=17 km；可以满足光电探测系统总体对激光分系统要求的性能指标。

2 电视摄像系统作用距离

电视图像跟踪系统的瞄准线与综合光电探测系统光轴平行；电视系统主要起到对红外系统的必要补充（白天使用）。电视系统在对目标实行跟踪时，最远作用距离取决于光电系统的分辩极限和摄像管靶面的光照灵敏度。

电视跟踪要求目标成像线度在显示器上必须大于5线对，对应10个像素。假设CCD靶面像元数不低于标准制式TV分辨力，则最小分辨率决定的最远作用距离关系式为：

R=ANη2ωn (2)

式中：2ω为观察视场；N为扫描行数；η为消隐系

数；n为分辨目标像所需线数；A为目标尺寸。

按照通用的约翰逊法则，在50%概率时、识别目标需4线对，发现目标需1线对。选试验产品变焦距电视系统的小、中视场设计参数代入公式(2)，解得的最大作用距离为：

R×625×0.8

识别=10tan1.5D×8

=23.8km

R10×625×0.8

发现=

tan3.6D×2

=39.7km

电视系统理论分析计算结果：识别距离达到近24 km，发现距离达到近40 km，满足总体使用指标要求。

因目标背景的照度差，大气传输衰减，CCD光照灵敏度诸多因素的影响会造成作用距离下降，为解决不同目标的跟踪、瞄准需求，电视系统还采用了调光方案，以满足实际使用环境条件下的作用距离。

3 前视红外系统作用距离

前视红外系统是综合光电探测系统的一个关键分系统，主要实现全天候对目标的搜索、识别、瞄准等功能。实现综合光电探测系统的总体性能指标也依赖于前视红外系统的精度和质量。 3.1 红外分系统组成及功能框图

图1 红外成像系统框图 Fig.1 Chart of IR imaging system

3.2 作用距离分析计算

3.2.1 作用距离公式推导

对于红外成像系统，用可测试的红外成像最小分辨温差这个性能参数来协调系统的空间分辩率、热灵敏度和战术使用要求。

第1步：找出使用要求的物理定量关系

MRTD=∆TBτa (3) 式中：τa为波长和距离的函数；∆TB为战术使用的目标参数。公式(3)的物理意义是：具有温差为∆TB的目标经给定距离的大气衰减后，可被红外成像系统分

增刊 赵妙娟等：军用光电系统作用距离分析 503

辩的温差，该式表明了目标、大气和成像系统3者的定量关系。

第2步：为便于工程分析，需要找出系统最小可分辩温度与分系统功能组成的基本参数关系表达式：

12

S

MRTD=2(NETD)(αβ)fTN3

11

(4) MTFS(TeFfτd)2(∆f)2

式中：NETD为噪声等效温差；MTFS 为系统传递函数；fT为空间频率；S/N为信噪比；∆f为电路等效噪声带宽；τd为驻留时间；Te为人眼积分时间；F⋅

f为帧频。

第3步：按公式(4)取相应的参数，定量解得在

f=(1/2)fc特征频率处的最小可分辨温差为：

MRTD=0.757NETD

MTF (5)

s

第4步：NETD的设计公式可以分析估价不同参数变化对性能的影响程度，对8～12μ的波段、噪声等效温差表示为：

1

#

NETD=1.97×104

F(ABFf)

2

D*(n (6)

oαβτ0Ddηsc)

第5步：求系统传递函数的估算公式；在特定频率条件下，假设红外系统的各主要部件都满足线性空间不变性条件。对于前视红外成像系统的传递函数，则等于各部分传递函数的乘积（见下述表达式）。

MTFs=MTF光×MTF探×MTF电×MTF显 (7)

第6步：热成像系统作用距离公式的显函数表达式。分析公式(4)可以看出：MRTD建立了与目标特性、系统热灵敏度、信号传递能力，空间分辨率等关系，可以通过分析和实验方法求出最小可分辨温差与目标温差、大气衰减和成像器本身性能之间的定量关系，便于在设计阶段对系统性能参数协调确定和对产品总体性能的评价。

将公式中的参数和实际使用的产品性能要求结合，变换整理后，导出热成像系统作用距离公式的显函数表式：

1R=ln∆TBβ+1nMRTD72(A)2 (8)

Tε

式中：∆TB为目标的温差；ε为目标单个分辨条带的

长宽比例；β为大气衰减系数；n为最小面积目标扫描线数；AT为目标最小面积。

3.2.2 作用距离计算

根据上述对作用距离公式的推导结果来计算R，为计算MRTD，需要先求出MTFS和NETD的数值。

（1）计算NETD

选择试验机红外系统视场、焦距、孔径等光学参数代入公式(6)、解得最小可分辨温度NETD为0.065 ℃；

（2）计算MTFS

对于MTFS的计算，光学传函数值通常包括衍射和像点弥散两项因素。电子线路传函数接近理想值取0.95；探测器传函数一般为0.64，显示器传函数值一般取0.8，选合适的特征空间频率计算得光学传函数值0.55，按公式(7)计算对应的系统传函MTFS值为0.267；

（3）计算MRTD

将在特征空间频率下对应的系统传函值MTFS和NETD值代入公式(5)，解出最小可分辨温差MRTD值约为0.185。

（4）计算作用距离R

按照战术指标要求的参数、取目标温5 ℃，大气衰减系数0.065 km，目标长宽比例ε取7，目标面积10 m×10 m，并将计算出的MRTD值代入公式(8)，求出红外系统的最大作用距离为：

R识别=20.79 km R发现=29.96 km

由分析计算结果表明：红外系统的作用距离满足总体使用技术要求。

参考文献：

[1] KENNEDY H V. Modeling second-generetion thermal imaging

systems[J].Optical Engineering, 1991, 30:1771-1778. [2]

航天8358所编译.军用红外技术译文集（2001-2002年）[M].2004

[3] R D 小哈得逊著. 红外系统原理[M].北京：国防工业出版社, 1975.