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使用FRED的圖形用戶界面和它的內(nèi)置腳本語(yǔ)言，我們可以輕松地實(shí)現(xiàn)熱輻射和成像。盡管強(qiáng)力的光線追跡同樣是可能的，F(xiàn)RED使用了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)工程算法的高效運(yùn)算器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱成像和輻射計(jì)算。使用源自輻射度量學(xué)的技術(shù)，用FRED追跡必要數(shù)量光線的可能需要的時(shí)間，我們可以高效并精確地完成熱成像、冷反射、雜散光、熱照明均勻性和熱自發(fā)輻射的計(jì)算。
1. 熱輻射和熱成像是什么？
熱成像定義為產(chǎn)生一個(gè)場(chǎng)景的可視化二維圖像的過(guò)程，該圖像依賴于從場(chǎng)景到達(dá)成像儀器孔徑的熱輻射或紅外輻射的差異。熱成像系統(tǒng)通常會(huì)減去背景來(lái)增強(qiáng)在紅外場(chǎng)景中變化的對(duì)比度。當(dāng)背景不均勻時(shí)，由于冷反射的存在，可能產(chǎn)生雜散信號(hào)。對(duì)于國(guó)防和安全問(wèn)題尤為重要，在其中我們可以發(fā)現(xiàn)具有不同熱溫度或輻射率的物體，此時(shí)可以從圖像場(chǎng)景的剩余部分區(qū)分出它們。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的主要應(yīng)用是：探測(cè)、分類和追跡隱藏在個(gè)人身上、包裹中、車輛上或船運(yùn)集裝箱中的武器、人員、車輛、物品和材料。圖1是一個(gè)非常好的案例，當(dāng)在FRED中進(jìn)行仿真時(shí)，一個(gè)日常用品：茶壺，通過(guò)一個(gè)具有熱探測(cè)儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個(gè)光學(xué)儀器周圍的環(huán)境或結(jié)構(gòu)中發(fā)出的能量，它會(huì)引起雜散光問(wèn)題。冷反射是一個(gè)熱輻射問(wèn)題，由于反射到探測(cè)器上的輻射，在一個(gè)紅外系統(tǒng)中的熱輻射表現(xiàn)為在一個(gè)顯示圖像中的黑色圓形區(qū)域。
通常，這些系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)疊加在大的背景上的小信號(hào)工作。在室溫下，黑體輻射曲線的峰值大致在10μm處。因此世界在這個(gè)波長(zhǎng)處“發(fā)光”，發(fā)光的微小變化表明了溫度或輻射率的變化。特別的，當(dāng)一個(gè)冷卻的探測(cè)器圖像反映了自身，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部背景的缺失。這通常表現(xiàn)為在圖像中央的黑點(diǎn)。有人可能稱之為“雜散黑”，而不是雜散光。
在測(cè)量絕對(duì)輻射而不是相對(duì)信號(hào)的紅外輻射儀中，任何背景輻射是不可接受的。在這樣一個(gè)儀器中，冷卻整個(gè)儀器到低溫度來(lái)消除由于自輻射導(dǎo)致的雜散光是必須的。
圖1 此圖演示了一個(gè)在茶壺表面具有不同輻射系數(shù)和溫度分布的暖茶壺的簡(jiǎn)單問(wèn)題。然后茶壺通過(guò)單透鏡成像，探測(cè)器放置在單透鏡后面。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)輻射到了探測(cè)器上類型的問(wèn)題，可以在許多引起熱問(wèn)題的紅外系統(tǒng)中找到。
最近，已經(jīng)開始致力于紅外遙感應(yīng)用中，包括溫度的測(cè)量和繪圖、森林火勢(shì)的感知和控制、監(jiān)督和多光譜地表成像等。
這些應(yīng)用種有許多是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離完成的，透過(guò)大氣，在大氣中IR能量的吸收是這些系統(tǒng)性能的一個(gè)影響因素。軍事的和基于空間的應(yīng)用一般來(lái)說(shuō)可以通過(guò)探測(cè)器處理，探測(cè)器的工作波長(zhǎng)落在8.0-15微米之間，在這個(gè)波段內(nèi)大氣的吸收是最小的。其他的應(yīng)用的波帶較寬，為0.9-300微米。
2. FRED如何進(jìn)行光線追跡和顯現(xiàn)熱輻射和成像？
在FRED中追跡熱輻射有幾個(gè)方法。第一種方法是創(chuàng)建一個(gè)光源，然后在光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)力光線追跡。第二種方法是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)從探測(cè)器后端進(jìn)行光線追跡，這需要較少的光線。在兩種方法中，能夠顯現(xiàn)二維和三維圖的熱成像是非常重要的。
事實(shí)上這里有兩個(gè)問(wèn)題：計(jì)算時(shí)間和精度。在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，如果分析者嘗試去了解設(shè)計(jì)中遞增量的影響，并且想要實(shí)時(shí)這樣做，光線追跡時(shí)間可能會(huì)特別長(zhǎng)。反向光線追跡能夠使計(jì)算變得幾乎是交互式的。另外，由于冪指數(shù)收斂比均勻性快，即使每個(gè)微分區(qū)域只有幾束光線到達(dá)熱源，分析者幾乎可以肯定保證精確的結(jié)果。
圖2 兩個(gè)輻照度計(jì)算的比較：一個(gè)是使用前向光線追跡，另一個(gè)是使用后向光線追跡。后者需要比前者少1/53倍的光線達(dá)到同樣的準(zhǔn)確度。
熱自發(fā)輻射可以簡(jiǎn)單描述：每個(gè)光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)像朗伯輻射體一樣輻射能量，輻射出的能量是自身溫度和輻射系數(shù)的函數(shù)。通過(guò)追跡光線來(lái)模擬發(fā)射出的能量；在傳播過(guò)程中發(fā)生透射和反射時(shí)，它們遵循幾何光學(xué)的規(guī)律。這些光線（它們表示熱能）累積到了FPA上。
根據(jù)這個(gè)計(jì)算，大多數(shù)軟件會(huì)讓用戶設(shè)置物體的溫度和輻射系數(shù)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看，這樣做完全是錯(cuò)誤的！在大多數(shù)“真實(shí)”的系統(tǒng)中，相對(duì)于光學(xué)和機(jī)械元件，F(xiàn)PA朝向一個(gè)非常小的固體角，因此當(dāng)大量光線被追跡時(shí)，如果有的話，到達(dá)FPA的光線很少（圖3）。結(jié)果是熱自發(fā)輻射的錯(cuò)誤的估計(jì)。
有一種更加高效但是非最佳的方法。直接或者間接，大多數(shù)軟件允許用戶指定一個(gè)優(yōu)先的輻射方向；這在文獻(xiàn)中被稱為“重點(diǎn)采樣”。使用該方法，用戶為每一個(gè)光學(xué)和機(jī)械元件指定了一個(gè)重點(diǎn)采樣。在光線追跡的過(guò)程中，光線散射到了這些優(yōu)先的方向，這在引導(dǎo)光線到達(dá)FPA方面十分高效（圖4）。這極大的改善了統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并且產(chǎn)生了熱自發(fā)輻射的一個(gè)準(zhǔn)確評(píng)估。然而，在一個(gè)具有許多結(jié)構(gòu)性元件的復(fù)雜、“真實(shí)生活”的系統(tǒng)，這樣做單調(diào)乏味且耗時(shí)，特別是如果分析者需要設(shè)定溫度和輻射系數(shù)。
圖3 熱發(fā)射主機(jī)筒的強(qiáng)力光線追跡。在這個(gè)例子中，入射光線沒(méi)有到達(dá)FPA。
圖4 發(fā)射朝向一個(gè)重要方向，計(jì)算更加高效，但是設(shè)置麻煩。
處理這個(gè)計(jì)算最好的方法是采用熱輻射度量學(xué)的數(shù)學(xué)方法。計(jì)算熱自發(fā)輻射（TSE）基本上是該形式的總和
因?yàn)闊彷椛涫抢什�，我們可以用由熱出射度推�?dǎo)出的等值表達(dá)式替換L
其中ε是輻射系數(shù)，f是黑體積分，σ是斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度（K）。問(wèn)題是如何高效的計(jì)算Aobject和Ωdetector。
反轉(zhuǎn)光源和收集器的作用（使用方程3），我們可以寫成
注意到探測(cè)器的面積Adetector是一個(gè)定量，為了高效的計(jì)算每個(gè)發(fā)射物體的立體角，我們?cè)谳椛浞匠讨幸昧藢?duì)稱性概念。
從方程4中，我們注意到如果我們從探測(cè)器（L=1/πAdetector）發(fā)射光線，入射到物體上的功率數(shù)值上將等于它的投影立體角（回想投影立體角等于Ω/π）。發(fā)射的探測(cè)器功率因此等于
（事實(shí)上只有探測(cè)器輻射到了一個(gè)圓錐體中，這個(gè)公式才是正確的。如果我們希望輻射到一個(gè)矩形體中，正確的探測(cè)器功率是4/π因子）
知道如何高效的計(jì)算投影立體角是該方法的核心；這是第二個(gè)“高超的技巧”。由于立體角是常數(shù)，它們只需要計(jì)算一次。
圖5 從FPA反向光線追跡來(lái)獲得精確的投影立體角。在大多數(shù)例子中，杜爾窗口是相對(duì)于探測(cè)器最靠近的通光孔徑，因此我們一般將光線發(fā)射到它的立體角內(nèi)。熱自發(fā)輻射的計(jì)算由方程6獲得，這很容易的應(yīng)用到一個(gè)表格中（圖6）。出于完整性，熱自發(fā)輻射的方程由下式給出：
其中表達(dá)式（Ω/π）是由光線追跡計(jì)算出的投影立體角。
圖6 計(jì)算熱自發(fā)輻射使用的表格，如Exceltm。列“Incident Power”實(shí)際上是投射立體角，列“Contribution”實(shí)現(xiàn)了用方程6實(shí)現(xiàn)。
熱自發(fā)輻射的計(jì)算使用反向光線追跡的好處有很多，包括
1. 立體角的精度由從探測(cè)器追跡的光線數(shù)目決定
2. 為了“切合實(shí)際”，溫度和輻射系數(shù)在表格中可以很容易的改變。
3. 這里沒(méi)有冗長(zhǎng)的設(shè)置時(shí)間，設(shè)置時(shí)間不再是模型復(fù)雜性的函數(shù)。
4. 通過(guò)把探測(cè)器劃分為微分區(qū)域，光線追跡并將每個(gè)區(qū)域求和，我們可以獲得在探測(cè)器上熱自發(fā)輻射的圖像。
現(xiàn)代光學(xué)軟件十分強(qiáng)大且適應(yīng)性廣，通過(guò)點(diǎn)擊工具條上的按鈕，為有經(jīng)驗(yàn)和沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的用戶提供了來(lái)完成許多復(fù)雜的任務(wù)的方法。然而，有許多地方用戶需要以軟件預(yù)定義的方式執(zhí)行計(jì)算。應(yīng)用“高超的技巧”常常是唯一的辦法，在合理的期限內(nèi)執(zhí)行這些運(yùn)算并到達(dá)所需要的精確度水平。
3. FRED對(duì)于熱分析如何創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)？
我們可以在FRED中使用圖形用戶界面直接創(chuàng)建系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，或者從IGES或STEP CAD格式和光學(xué)設(shè)計(jì)程序?qū)�。程序有很多選項(xiàng)來(lái)創(chuàng)建表面，包括標(biāo)準(zhǔn)的平面、圓錐面、圓柱面、橢球面、雙曲面、圓環(huán)面、多項(xiàng)式表面、Zernike、Nurb、Meshed、旋轉(zhuǎn)曲面、擠壓面、復(fù)合曲線、樣條曲線和用戶定義的表面。
由于FRED具有多文件用戶界面，可以在文件之間剪切、復(fù)制和粘貼元件。實(shí)體可根據(jù)邏輯關(guān)系安排到對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)物理布局的裝配體、組件和元件等的分類中。任何表面可能會(huì)被隱式表面或者下面定義的孔徑集曲線裁剪。
任何表面可以根據(jù)溫度和輻射系數(shù)定義。另外，把每個(gè)表面定義為熱輻射源來(lái)傳播熱能和并創(chuàng)建熱成像圖。
4. FRED如何記錄熱輻射路徑？
FRED具有進(jìn)行高級(jí)光線追跡的能力，并且記錄所有在系統(tǒng)中追跡光線的所有路徑，圖7表示的是一個(gè)茶壺?zé)岢上竦墓饩�路徑的列表，這是使用從探測(cè)器通過(guò)透鏡然后到圖1中所示茶壺的后向光線追跡形成的。
該光線歷史是每個(gè)路徑功率、沿著該路徑的光線數(shù)、它們?nèi)绾蔚竭_(dá)最后一個(gè)實(shí)體和它們通過(guò)了多少表面（事件計(jì)數(shù)）的一個(gè)完整報(bào)告。使用任何光線追跡路徑并把它們復(fù)制到用戶定義的路徑列表中（選擇該路徑，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇復(fù)制該路徑到用戶定義路徑列表的選項(xiàng)）是可能的。該路徑現(xiàn)在將會(huì)作為在高級(jí)光線追跡的可選路徑和可使用的光線方法之一出現(xiàn)。然后在僅有的路徑上，繪制點(diǎn)列圖或輻照度分布函數(shù)是可行的。 |
