红外热成像能看多远

                  
                  

                   
                   

                    
                    

                     
                     

                      
                      

                       
                       
 
                        
 
                         
 
                          
一个热像机芯探测、识别、辨认多少米以外的人需要配多大焦距的镜头？对于刚入行的客户想快速知道有效信息，确定好目标之后才会有进一步的价格咨询。我的热像仪能够看到几公里的山，就以为能够看多远，这里存在一个误区，山的大小是没有概念的，我们需要一个相对清晰的目标数值去评判。所以这需要一个相对认同标准来回答这个问题，这就是约翰逊准则。为什么说是相对认同，因为影响结果的因素太多，如不同气候条件的大气衰减、探测器热灵敏度、坏点噪点、图像算法、目标背景温差等。举例背景温差因素，比如在日光强烈的中午能够比斜阳的下午能够看的远一些，相同距离一个是点燃的烟头，一个是树上的叶子，即便树叶大很多也比不过烟头看的更明确；再例如探测器灵敏因素，在高灵敏度的镜头面前，12um的机芯要比17um机芯看的足够远。
 
                          

 
                          
约翰逊准则：
 
                          

 
                          
探测距离是一个主观因素和客观因素综合作用的结果。主观因素跟观察者的视觉心理、经验等因素有关。要回答“热像仪能看多远”，必须先弄清楚“什么叫看清楚”，如探测一个目标，甲认为看清楚了，但乙可能就认为没看清楚，因此必须有一个客观统一的评价标准。国外在这方面做了大量的研究，约翰逊根据实验把目标的探测问题与等效条纹探测联系起来，研究表明，有可能在不考虑目标本质和图像缺陷的情况下，用目标等效条纹的分辨力来确定红外热像仪成像系统对目标的识别能力，这就是约翰逊准则。目标的等效条纹是一组黑白间隔相等的条纹图案，其总高度为目标的临界尺寸，条纹长度为目标为垂直于临界尺寸方向的横跨目标的尺寸。等效条纹图案的分辨力为目标临界尺寸中所包含的可分辨的条纹数，也就是目标在探测器上成的像占的像素数。
 
                          

 
                          
目标探测可分为探测(发现)、识别和辨认三个等级。
 
                          

 
                          
探测：在视场内发现一个目标。这时目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到1个像素以上。
 
                          
识别：可将目标分类，即可识别出目标是坦克、卡车或者人等。这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到4个像素以上。
 
                          
辨认：可区分开目标的型号及其它特征，如分辨出敌我。这是目标所成的像在临界尺寸方向上必须占到8个像素以上。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
以上都是在临界值，也就是刚好能发现目标，以及目标与背景的对比度为1的条件下所得到的数据，从上面的约翰逊准则可以看出，一套热像仪能看多远，是由目标尺寸、镜头焦距、探测器性能等因素决定的。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
决定探测距离的因素
 
                          

 
                          
1、镜头焦距
 
                          

 
                          
决定热像仪的探测距离的最重要的因素就是镜头焦距。镜头焦距直接决定了目标所成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素。通常这是用空间分辨率（IFOV）来表示，它表示每个像素在物空间所张开的角度，也就是系统所能分辨的最小角度，一般由像元尺寸（d）与焦距（f）的比值得出，即IFOV＝d/f。
 
                          

 
                          
每个目标在焦平面所成的像占几个像素，可由目标尺寸、目标与热像仪的距离、空间分辨率（IFOV）计算得出。目标尺寸（D）和目标与热像仪的距离（L）的比值为目标的张角，再与IFOV相除得到像占用像素点的数量，即n＝(D/L)/IFOV=(Df)/(Ld)。从中可以看到，焦距越大，目标像所占用的像素点越多，根据约翰逊准则可知，其探测距离更远。但另一方面，焦距越大，视场角越小，同时成本也更高。
 
                          

 
                          
这里举个例子。热像仪焦平面的像元尺寸为17μm，配100mm焦距镜头，则空间分辨率IFOV为0.17mrad。观察1公里远的大小为2.3m的目标，则目标所张开的角度为2.3mrad，目标所成的像占用2.3/0.17＝13.5个像素。根据约翰逊准则可知，达到辨认水平。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
2、探测器性能
 
                          

 
                          
镜头焦距是从理论上决定了热像仪的探测距离，在实际应用中起着重要作用的另一因素是探测器性能。镜头焦距只是决定了所成像的大小，占用像素点的数量，探测器性能则决定图像质量，如模糊程度，信噪比等。探测器性能可从像元尺寸、热灵敏度、信号处理等方面来分析。
 
                          

 
                          
像元尺寸越小，则空间分辨率（IFOV）越小，从前面的讨论可看出，其探测距离越大。一个典型例子是，FLIR非制冷热像仪的Photon 320的像元尺寸是38μm，Photon 640的像元尺寸为25μm，如果都配100mm镜头，观察2.3m的目标，按照约翰逊准则，其识别距离分别为1公里、1.5公里。
 
                          

 
                          
探测器的热灵敏度和信号处理决定了图像的清晰度。如果探测器的热灵敏度和信号处理能力不好的话，则所成的像只是一个模糊的热像，也就无法识别。因此，一些探测器的热灵敏度不高的话，则采取加大镜头口径的方法来提高图像效果，这不但增加了成本，而且也增加了使用上的不方便。美国FLIR的Photon系列，使用的镜头F数一般可降低到1.4～1.7，也就是口径可做得特别小。像现在国内普遍更新换代的12um要比17um的机芯看的距离多1.4倍。
 
                          

 
                          
 
                          

 
                          
3、大气环境
 
                          

 
                          
虽然热辐射对大气的穿透能力比可见光强，但大气吸收、散射等对热像仪成像还是有一定的影响，特别是大雾和大雨的天气环境，从而影响到了热像仪的探测距离。像长波在雨雾中的穿透能力很差，中波在雾中的穿透力强，但穿雨同样不行。
 
                          

 
                          
综上所述，一个热像仪能“看多远”？它受到几个方面的影响，它是探测器、镜头、目标、大气环境等客观因素、人的主观因素及软件算法共同影响的结果。所以在不考虑其它因素影响的情况下还是按照下面的公式进行计算：
 
                          

 
                          
n＝(D/L)/IFOV
 
                          
=【目标尺寸（D）*焦距（f）】/【目标与热像仪的距离（L）*像元尺寸（d）】
 
                          
但是不考虑大气环境的影响的话，一般会在探测上增加0.5个像数作为标准，识别加1个像数作为标准，辨认加2个像数作为标准来弥补不同探测器的灵敏度不一致及镜头良率的问题，来增大目标所占像数的数值确保客户能够得到想要的效果。
 
                          
 
 
                          
转自：南京波长光电科技股份有限公司