介绍海军武器工程

红外传输和检测

在本节中，我们讨论了通过收集和处理目标的热辐射来探测和定位目标的问题。这被认为是被动过程由于辐射源是目标本身。一个积极的另一方面，系统使用单独的源并检测反映目标的能量。例如，雷达是一个有源系统。例如，被动系统不能直接测量范围，因为例如，没有确定在雷达系统中的发射和接收之间的时间延迟。然而，被动系统确实具有隐蔽的巨大优势，这意味着它们并不一定在检测目标的过程中释放它们的位置。

光电探测系统包括从目标处收集和测量辐射的过程。一般来说，这个过程被称为辐射测定。由于我们将使用许多相同的原则来研究武器系统如何雇用电子光学，我们将采用所使用的标准术语。以下常见的辐射术语和符号将证明是有用的：

助焊剂，F．能量的比率每单位时间的，这当然是功率流。因此，焊剂具有相同的单位功率，即瓦特（W）。术语通量可以或者施加到电力离开目标或到由检测器收集的电力。

避免，M．每源，这对于我们的目的而言也被称为目标的单位面积的通量。出射度具有W / m个单元²．对于散热器，出射率由斯特凡-玻尔兹曼定律给出，即

m =es.T.^4.．

Incidance，E．探测器的每单位面积的磁通量。意志，如出口，有单位为w / m²．

根本检测的过程是发生率（E）和所述出射度（M）之间的关系。最终，以量化接收器的探测能力，就必须导出传递方程，其涉及两个量E和M的这点的关系是未知的，但为了说明我们想要的，我们可以写成的表达式：

E =（？）M，

其中（？）表示一些未知（此时）的传递函数，其中的参数是尚未确定。正如你可能已经猜到，它肯定会取决于目标和检测器的面积，以及它们之间的范围。为了进一步进行，我们现在必须做一些简化的假设。

传播

即离开靶的表面的热辐射分布在所有方向。根据物体的形状，一些方向可以具有比其它更多或更少的辐射。在一般情况下，这是不可能知道的辐射而不靶的表面的详细知识的完全分布方向的函数。不过，也有可以用来进行预测2周理想化的形状。

点来源

如果没有优选的方向，则热辐射将在所有方向上均匀地分布。换句话说，存在完整的球面对称性。例如，如果目标是球，则它将在所有方向上均匀辐射。在这种情况下，就好像来自物体中心的点的辐射。

图1.点源几何。

转移关系具有1/4的因子P.R.²点源模型可以很好地应用于远距离探测问题，因为在探测器的视场中物体看起来很小。在较短的范围内，当源作为扩展对象出现时，我们必须使用不同的模型。

兰伯蒂安来源

当光源很大和/或靠近探测器时，它将呈现为一个扩展的物体，表面的不同区域将以不同的入射角进入探测器。对于检测器来说，物体将呈现为二维物体(即平面物体)，其面积等于表面积在检测器方向上的投影。为了不用担心这些物体的确切三维形状，因此，源被建模为一个垂直于探测器的平板，平板的面积等于该方向上物体的投影面积。此外，我们假设辐射在所有方向上都是均等的，这导致了传输关系中的一个数值因素的轻微改变。可以用这种方式建模的对象被称为对象兰伯蒂安来源。Lambertian来源的定义特征是，表面上的所有区域同样明亮地辐射，而不管它们在表面上的位置。例如，太阳出现为明亮的磁盘，其表面上的所有区域等亮度。

图2。传感器的来源
几何学。

朗伯源的传递关系使用源a的投影面积_项目，与点源相比，缺少4个因子。我们可以比较完美的球形来源的两种配方，这应该产生相同的结果。对于半径A的球体，表面积A = 4P.一种²．预计的区域a_项目=P.一种²．因此，当这些术语在各个方程中使用时，恢复四因子，它们是相同的。注意，例如，对于其他形状，这种形状将不是真实的，例如，预计区域是总表面积的1/6。

到目前为止，我们已经建立了两个传输方程，一个是针对点源的，另一个是针对扩展源的。其摘要如下:

E =（A / 4P.R.²）m，对于点来源

和

E =（A_项目/P.R.²）M，对于扩展（朗伯）源。

吸收/散射

在前面的讨论，传递关系，推导的纯几何概念的基础上。然而，这是不正确的，所有的辐射的能量可以由检测器捕获。源和检测器，即大气之间的中间介质，将散射和可能吸收一些穿过它的能量。在流量的总损耗被称为衰减，并确定了各种因素。主要衰减是波长和范围的函数。此外，它将取决于大气的性质，例如湿度，可见性，天气等，但这些因素太可变，无法治疗除凭证。

衰减对波长的依赖性

大气是由气体的混合物组成的，主要是氮和氧。以下是干燥空气的典型成分:

表1.大气成分。

如在选择性辐射器的情况下，这些分子只能在某些波长处吸收能量。虽然氮气和氧气是最丰富的，但它们在红外光谱中不会强烈吸收。只有水蒸气和二氧化碳发挥着重要作用。它们以不同的数量出现，因此可以期望衰减量的变化。特别注意是6-8中的波长水蒸气的强吸收mM频段。相应的特征温度（即给出的温度为峰值波长的这些值）是90-210^0.C.这使得在这个温度范围内探测热源变得困难。

衰减与距离的关系(布格定律)

通过居间气氛中的衰减的量将取决于通量的量。在一般情况下，通量越高，损失。这类似于放射性衰变，其中，所述衰变速率正比于材料的存在量。在这两种情况下，微分方程可以得到解决，并以指数损失的法律效果。对于电光，这被称为布格定律其中指出通量的分数是遗体衰减后，T.，是范围的函数，R：

T.= E.^-B.R.

在哪里B.是消光系数，并有单位m^－1．的因素T.被称为透射系数，并且是无量纲的。作为短距离，T.将接近1.0，但将减少和范围增加。在长期,T.将接近于零。

图3。大气衰减。

消光系数决定了发射通量显着降低的范围。当范围为1 /B.，透射系数为0.37。消光系数对于每个检测器来说通常是不同的，因为每个检测器所观察的波长波段通常是不同的。此外，它将取决于确切的大气条件，包括天气、季节、一天的时间和海拔。以下是一些典型值:

表2.消光系数。

透射系数，T.，可直接用于传递关系。例如，对于点源，入射率是(注意T.是距离的函数）：

E = (T./ 4P.R.²)米。

收集到的流量

光圈

的incidance，E，表示每对到达检测器单元面积的功率。作为粗略估计，人们可以通过该开口的检测器的尺寸乘以incidance以确定获取由检测器收集的磁通的量。然而，这个过程不是100％的效率。一些焊剂可以被反射，由材料散射或吸收。因此，在我们的雷达的讨论完全类比，我们可以定义有效的区域用于收集incidance，这也被称为检测光圈，给出符号A_E.．孔径定义为:

一种_E.=R.一种

在哪里：
R.=检测系统的采集效率
进入探测器的开口的物理尺寸。

进入检测器的物理开口可能受到光圈停止(A.S.)，即探测器入口处的物理屏障。光圈挡板会限制可以进入探测器的通量，但反过来可以提高聚焦深度(这将在下一章讨论)。

图4.如何孔径光阑
影响所收集的磁通。

对于给定的孔径，A_E.时，接收器将收集到的通量是入射光和孔径的乘积:

F_集= A_E.E.

带宽因子，f

热辐射器在宽带波长上发出它们的能量。通常，不可能设计一个检测器，该检测器在该范围内的所有波长上同样敏感。因此，可以在可以检测的波长上存在一些上限和下限。将这些界限指定为L._上和L._降低．对于我们而言，我们假设探测器可以拿起任何的能量，在此范围内，并没有什么超出它。由于辐射的来自热发射频谱不会全部是检测频带内，我们定义了带宽因子，F，为的是在该检测器的频带内的辐射的小部分。

图5.检测频带。

通过对检测器的波长的极限之间的源极限集成磁通Vs，可以获得检测器带宽因子f。该曲线随目标温度而变化，因此可以消除这种依赖性是有用的。通用黑体曲线表示从零到新变量的条带外的总通量的分数L.T，在为单位mm-k。

图6。普遍的黑体
曲线。

自变量以来L.Ť现在携带的温度依赖性该曲线可用于所有来源。一旦为下限，一次用于上限，区别在于所期望的因子F.该过程最好是通过下面的例子说明：带宽因子F可以通过使用曲线两次找到。

例如:找出工作在2到6微米之间的探测器的带宽因子，对于一个500 K的目标。

首先，在带有0到1000的条带外的磁共线的分数mm-K(对应可探测到的最小波长，2mm次的温度，500 K），

分数低于0-1000.mm-K: 0.0(即没有检测到)
其次，发现了带之下的焊剂的从0到3000的级分mm-K(对应可探测到的最大波长)。

分数低于0-3000mm-k：0.25

因此，在1000到3000的波段内，总通量的比例mM-k为0.25-00 = 0.25，或25％

F = 0.25

已知带宽因子F，接收机采集和可检测的通量现在为:

F_接收者=足总_E.E.

最大射程方程

在讨论了所有的初步工作之后，我们现在可以把它们放在一起并预测红外探测的最大范围。与radar类似，设S_闵表示接收器可以检测的最小通量。然后可以写入检测标准

F_接收者>取值_分钟，成功的检测。

由于接收机处的磁通量随距离的增加而减小，我们可以定义最大距离的检测准则，其中F_接收者= S_分钟，使用前面导出的表达式:

F_接收者= A_T.M F一_E./ (4P.R.²_马克斯）= S_闵

这可以解决对R_马克斯．最后用Stefan-Boltzmann定律代入出态M，得到:

方程1。最大红外检测
在真空中的范围。

需要注意的是因子大气衰减，T.，已经从这个等式中省略。回想一下，大气衰减是距离的函数。这将使得它不可能写范围的等式在封闭的形式。因此，由如下公式所预测的最大范围内，不包括大气衰减。这个因子可以被包括作为校正，使用数字或图形方式来解决的真正范围。



如果主要噪声源是背景环境，则称探测器为背景限制。这里是S_闵取决于目标相对于背景的温度。更高的温度不仅会增加目标和背景之间的对比度，而且还会随着峰值波长的缩短而分离它们的光谱。

如果噪声的主要源是探测器本身，则据说检测器是噪声受限．其中，最小通量可表示为

S._闵=（S / N）NEP

在哪里：
S / N =用于检测所需的信噪比，并
NEP =噪声等效功率。

示例：找到点源目标的最大检测范围，表面积2 m²，辐射率为0.95，温度为500 K，具有以下探测器特性:

孔径= 0.1米²

检测频段= 2-6mm

S._闵= 6 x 10^－7W.

步骤1：计算f，使用具有1000和6000的参数的通用黑体曲线m米-K F = 0.75

步骤2:计算范围



R =8190米