三視場(chǎng)紅外熱像儀鬼影現(xiàn)象分析

楊 勇

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 北京）

一、引言

某型具有三視場(chǎng)切換能力的紅外熱像組件在大視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)均勻場(chǎng)景或者環(huán)境能量低的情況下，圖像上有微弱光環(huán)呈現(xiàn)。切換至中視場(chǎng)與小視場(chǎng)時(shí)，沒有此現(xiàn)象。經(jīng)過查詢相關(guān)資料得知，此現(xiàn)象被稱為鬼影現(xiàn)象，一般情況下紅外圖像的自適應(yīng)非均勻性校正可能存在此類缺陷。

二、紅外鬼影現(xiàn)象

紅外熱像儀作為偵察型無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置傳感器之一，能夠?qū)Φ孛婢拔飳?shí)時(shí)成像并支持亮度、對(duì)比度、極性變換等在線調(diào)整。出現(xiàn)故障的紅外熱像組件在大視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)均勻場(chǎng)景情況下，圖像上有微弱光環(huán)呈現(xiàn)，如圖1所示。

經(jīng)過查詢相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)此種故障被稱為紅外鬼影現(xiàn)象，極少出現(xiàn)，且出現(xiàn)的原因不盡相同。為給故障排查提供條件，記錄故障發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)貧夂驐l件為地面溫度約23℃，大氣濕度約80%。

圖1 紅外熱像儀鬼影現(xiàn)象

三、故障排除與定位

針對(duì)此紅外熱像儀 鬼影現(xiàn)象問題，設(shè)計(jì)人員復(fù)查設(shè)計(jì)文件與加工圖紙、質(zhì)檢人員核對(duì)各零件存檔數(shù)據(jù)、檢測(cè)報(bào)告及出貨時(shí)的系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。從反饋的數(shù)據(jù)及復(fù)查結(jié)果來看沒有發(fā)現(xiàn)異常，排除粗大誤差的可能性。于是圍繞此問題建立故障排查樹，分析可能出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因如圖2所示。

圖2 故障排查樹

1.探測(cè)器的非均勻性

通過查找該探測(cè)器的出廠報(bào)告，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器的非均勻性狀態(tài)良好。而裝探測(cè)器之前，如有質(zhì)量問題不會(huì)轉(zhuǎn)入系統(tǒng)裝配階段。在同一探測(cè)器的情況下，系統(tǒng)只有大視場(chǎng)有此現(xiàn)象，小視場(chǎng)與中視場(chǎng)沒有出現(xiàn)，可排除探測(cè)器硬件出差錯(cuò)，推斷探測(cè)器的非均勻性穩(wěn)定。

2.軟件算法問題

此紅外熱像儀軟件采用定型的標(biāo)準(zhǔn)程序版本，將該主板上的程序原樣移植到廠家其他相同硬件平臺(tái)熱像儀中運(yùn)行良好，圖像中無鬼影現(xiàn)象，同時(shí)該設(shè)備的軟件算法在其他平臺(tái)項(xiàng)目中都廣泛運(yùn)用，運(yùn)行狀態(tài)良好，且在同一算法平臺(tái)下，系統(tǒng)只有大視場(chǎng)有此現(xiàn)象，小視場(chǎng)與中視場(chǎng)沒有出現(xiàn)，可排除算法上帶來的圖像異常問題。

3.熱像儀非均勻性校正的方法問題

軟件中熱像儀數(shù)據(jù)校正的方法可表達(dá)為式（1）和式（2）。

式中 Y16——校正后的數(shù)據(jù)

K——非均勻性系數(shù)

X——探測(cè)器A/D轉(zhuǎn)換后的值

*B——對(duì)快門補(bǔ)償后的值

ΔB——對(duì)快門校正的值與在鏡頭前對(duì)均勻物體補(bǔ)償值的差值

ΔB數(shù)據(jù)中包含光學(xué)系統(tǒng)的冷反射圖像。在成像時(shí)算法直接減去ΔB數(shù)據(jù)圖像，使得圖像均勻，如圖3所示。因此，可排除非均勻性校正方法的原因，最大可能為光學(xué)系統(tǒng)問題。

四、故障機(jī)理

從熱像儀非均勻性校正的方法問題的推論可知，可能為外界帶來的ΔB能量變化所致。從順序光路上分析，像面上沒有其他物體成像，排除其可能性。因而，能量的變化為外部雜散輻射能量到達(dá)像面?，F(xiàn)分為兩分面論證，一方面是光學(xué)裝配問題；另一方面是光學(xué)鏡片鍍膜工藝問題。

從裝配角度來看，光學(xué)系統(tǒng)圖紙與質(zhì)檢數(shù)據(jù)沒有異常與超標(biāo)的記錄。另外，光學(xué)是個(gè)精密儀器。如果裝配出現(xiàn)誤差，圖像不會(huì)清晰。再有，如果是裝配中某個(gè)物體直接成像，理應(yīng)在中視場(chǎng)與小視場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)，因而排除其可能性。

從目前鍍膜檢測(cè)方法來看，幾乎所有廠家都是通過檢測(cè)陪鍍片來判斷透過率是否達(dá)標(biāo)。從圖像上來看，異常圖像能量低，而且對(duì)外界場(chǎng)景能量低時(shí)比較明顯。推想應(yīng)不是直接到達(dá)像面，而是通過某個(gè)面反射到達(dá)像面。因而，懷疑此組件的鏡片透過率不達(dá)標(biāo)。現(xiàn)在假定鏡片透過率低，建立多次反射模型分析。追跡發(fā)現(xiàn)第一鏡片第一面反射率低時(shí)，像面上圖像有能量聚集。仿真光照強(qiáng)度分布截圖如圖4所示，圖 4中 Y片（Current Y Slice） 縱 坐標(biāo)為mm，橫坐標(biāo)為 W/mm2，X 片 （CurrentX Slice）縱坐標(biāo)為W/mm2，橫坐標(biāo)為mm。

外界雜散輻射通過第一面反射到像面成像，其強(qiáng)度沒有規(guī)律，因而當(dāng)設(shè)備所在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，與熱像儀非均勻性校正方法分析的情況相吻合。因此，問題可定位為第一鏡片的透過率低，外界的輻射通過反射到達(dá)了像面。在不同環(huán)境下第一面反射的能量差值有變化，而ΔB的數(shù)據(jù)還是原來環(huán)境下的數(shù)據(jù)，紅外出現(xiàn)圖像異常。

圖3 重新驗(yàn)證非均勻性校正方法后的圖像

圖4 通過第一面能量反射試驗(yàn)仿真圖

五、維修措施

通過以上分析，因探測(cè)器非均勻性漂移，導(dǎo)致之前采集的數(shù)據(jù)不再適應(yīng)當(dāng)前的非均勻性校正。因此，只要開機(jī)實(shí)時(shí)采集ΔB數(shù)據(jù)，即可解決問題。即給紅外熱像儀加電后，在探測(cè)器制冷時(shí)對(duì)準(zhǔn)某個(gè)設(shè)定好的位置。在此位置時(shí)，紅外窗口所對(duì)準(zhǔn)的均勻物體要求其距離必須＜60 mm（越小越好）。只要對(duì)準(zhǔn)的目標(biāo)在紅外圖像上沒有明顯的反光或者圖像輪廓，即可認(rèn)為是均勻物體。同時(shí)，為徹底杜絕再次發(fā)生，將第一鏡片重新拋光鍍膜，確保其透過率，從而減少第一鏡片的反射能量，使得圖像上沒有異常。