非制冷红外物镜设计中最佳波段的选择

　　1　引　言

　　目前红外热成像技术广泛应用于军事和民用的各个领域,特别是基于大面阵焦平面的非制冷热成像技术发展极为迅速。非制冷红外热成像在重量、体积、功耗、可靠性、价格等方面与制冷型相比具有明显的优势,正日益成为最具竞争力的热成像系统之一。非制冷红外光学系统与制冷光学系统的波长不同,现分析比较了国内外现有非制冷红外探测器,结合探测器的光谱响应曲线得到了非制冷红外光学系统的设计波长及权重。

　　2　大气窗口和常见物体的辐射峰值波长

　　大气的消光作用与波长相关,具有明显的选择性。根据已有资料,除可见光范围外,在0.76~1.1μm、1.2~1.3μm、1.6~1.75μm、2.1~2.4μm、3.4~4.2μm、4.4~5.4μm、8~14μm等波段有较大的透射比,犹如辐射透射的窗口,称为“大气窗口”,有效地利用大气窗口可增加光电成像系统的作用距离。

　　常用的大气窗口有近红外0.76~1.1μm、中红外3~5μm、远红外8~14μm[1~3]。制冷红外热像系统的波长一般为3~5μm或8~14μm;非制冷红外热像系统的波长一般在8~14μm波段[3,4]。

　　红外热像系统能否发现和识别所观察的目标,不但取决于系统本身,而且与目标及其背景的辐射特性密切相关。太阳是自然界中最强的辐射源,峰值波长约0.5μm,98%的能量集中在0.15~3μm的波长范围内。地球是自然界中仅次于太阳的红外辐射源,白天地球表面的红外辐射由反射、散射太阳辐射和地球自身红外辐射组成,两部分辐射叠加后由0.5μm和10μm两个峰值波长;夜间太阳的反射辐射观察不到,地球辐射光谱就是地球本身热辐射的光谱,地球自身的热辐射对波长8~14μm的远红外辐射有很大贡献。红外热像系统观察的目标按其所处位置可分为三类:空中目标、地面目标和海上目标。地面目标包括机场、发射场、军工厂等固定军事设施和坦克、运输车、火炮等活动目标,这些目标的特点是温度低,辐射能量小,辐射多集中在8~14μm波段内[5,6]。表1是一些常见物体辐射峰值波长。

　　3红外光学系统的波长及其权重

　　一般物体不是绝对黑体，具有选择性吸收的特性。但有一类物体没有显著的选择性吸收，其吸收比虽然小于1，但近似为常数，现称这类物体为灰体。地球背景、空间背景、人体、坦克车辆等都可以看作灰体。由于灰体的光谱辐射出射度分布曲线与同一温度下黑体的光谱辐射出射度分布曲线形状相似，只是单位面积上辐射功率较小，因此下面以黑体为对象进行计算。

　　根据普朗克辐射定律推出以波长表小的普朗克公式如下：

　　由普朗克公式可以推导出维恩位移及最大辐射定律,其表达式分别如下: