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使用FRED的圖形用戶界面和它的內(nèi)置腳本語言，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。 }Eh &' l2I%$|)d 1. 熱輻射和熱成像是什么？ mi[8O$^iJ
/Q_ Dd 熱成像定義為產(chǎn)生一個(gè)場景的可視化二維圖像的過程，該圖像依賴于從場景到達(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)減去背景來增強(qiáng)在紅外場景中變化的對(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)于國防和安全問題尤為重要，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)可以從圖像場景的剩余部分區(qū)分出它們。對(duì)于這個(gè)問題的主要應(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，通過一個(gè)具有熱探測(cè)儀的攝像頭成像。 [v\m)5 n~.$ iN 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)引起雜散光問題。冷反射是一個(gè)熱輻射問題，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。 M=3gV?N aemi;61T\ 通常，這些系統(tǒng)通過探測(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。 ck\W'Y*Q7 Ej1 <T,w_ 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)儀器到低溫度來消除由于自輻射導(dǎo)致的雜散光是必須的。 bkS"]q)> 'b y+hXk 
@0d "^ 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單問題。然后茶壺通過單透鏡成像，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)器上類型的問題，可以在許多引起熱問題的紅外系統(tǒng)中找到。
-& =d l_m 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。 [2h.5.af _
j`tR : 這些應(yīng)用種有許多是經(jīng)過長距離完成的，透過大氣，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)用一般來說可以通過探測(cè)器處理，探測(cè)器的工作波長落在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。 dqs ~K7O^E V1~@ 2. FRED如何進(jìn)行光線追跡和顯現(xiàn)熱輻射和成像？ V@ [C=K
Qj*.Z4ue 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。 p4
=/rkq PjH'5Y 事實(shí)上這里有兩個(gè)問題：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。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。 -J w4z# /- 6)7 cw8^ 
cqSXX++CS, 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。
E&eY79 熱自發(fā)輻射可以簡單描述：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)。通過追跡光線來模擬發(fā)射出的能量；在傳播過程中發(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。 om 2N*W.gk Y~e)3e 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)。 Q$v00z]f* ~f[ Y; 有一種更加高效但是非最佳的方法。直接或者間接，大多數(shù)軟件允許用戶指定一個(gè)優(yōu)先的輻射方向；這在文獻(xiàn)中被稱為“重點(diǎn)采樣”。使用該方法，用戶為每一個(gè)光學(xué)和機(jī)械元件指定了一個(gè)重點(diǎn)采樣。在光線追跡的過程中，光線散射到了這些優(yōu)先的方向，這在引導(dǎo)光線到達(dá)FPA方面十分高效（圖4）。這極大的改善了統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并且產(chǎn)生了熱自發(fā)輻射的一個(gè)準(zhǔn)確評(píng)估。然而，在一個(gè)具有許多結(jié)構(gòu)性元件的復(fù)雜、“真實(shí)生活”的系統(tǒng)，這樣做單調(diào)乏味且耗時(shí)，特別是如果分析者需要設(shè)定溫度和輻射系數(shù)。 /R&h#;l ] Yw$A 5doi4b>]! 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，入射光線沒有到達(dá)FPA。
8'%m! 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。
(zsv!U 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 ][
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