1.本发明涉及红外探测距离分析技术领域，特别涉及一种基于电子数的点源目标成像的探测距离计算方法。
背景技术：2.红外光电系统对点目标的探测能力与目标辐射特性、背景辐射特性、大气条件、红外光学系统性能、探测器特性等因素密切相关。常见的建立红外光电系统探测能力计算模型的方法有三种，分别是：1)基于传递函数；2)基于对比度；3)基于信噪比。对基于传递函数的方法来说，各分系统的传递函数难以准确获取；基于对比度的方法一般用于人眼观察的成像系统；对于点目标成像，我们通常采用基于信噪比的方法建立红外光电系统探测能力计算模型。表征相机灵敏度的物理量一般有波段内的平均探测率d
*
，噪声等效温差netd等。因此，普遍采用基于d
*
和netd的信噪比计算公式，如：
3.snr＝|(l
t-l
bg
)/n
t
|d
*
(λ)a
tao
τa(r)τo/r2(ad/2t
int
)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
4.而d
*
和netd是可以进行换算的，对于光电探测器：
[0005][0006]
式中，d
*
(λ
p
)为峰值探测率，单位cm
·
hz
1/2
·
w-1
；netd为红外光电系统的噪声等效温差，单位k；f为测试netd时光学系统的f数；τ
ot
为测试netd时光学系统的透过率；c2＝1.4388
×
104μm
·
k为第二辐射常数；λ
p
为峰值波长，单位μm；tb为测试背景温度，单位k；ad为探测器单个像元面积，单位cm2；δf0为测试系统的噪声等效带宽，单位hz；w
tb
为背景的普朗克光谱辐射强度，单位w
·
cm-2
。
[0007]
现有技术利用光电探测器的d
*
值计算探测信噪比，但d
*
值是在实验室条件下测量的，其背景为20
°
黑体，目标为35
°
黑体，且目标充满像元。而实际使用时的环境比较复杂，目标和背景测量d
*
值也与实验室测量d
*
值的情况不同，实际环境测量的d
*
值会与实验室测量的d
*
值不同，这就会造成误差，使得探测距离计算结果与实际不相符。
技术实现要素：[0008]
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决在实验室条件下测量的d
*
值与实际环境测量的d
*
值存在误差，导致探测距离计算结果与实际不相符的技术问题，提出了一种基于电子数的点源目标成像的探测距离计算方法，综合考虑目标信号、背景信号、光学系统和探测器参数对探测信噪比的影响，代入到信噪比计算公式，在已知探测信噪比要求的情况下，利用信噪比计算公式的逆运算精确计算出探测距离。
[0009]
本发明提供的点源目标成像的探测距离计算方法，包括如下步骤：
[0010]
s1、将目标信号与背景信号分别转换为目标信号电子数和背景信号电子数；
[0011]
s2、将目标信号电子数、背景信号电子数与光电探测器的特征参数代入到信噪比计算公式；
[0012]
s3、在已知探测信噪比的前提下对信噪比计算公式做逆运算，获得探测距离。
[0013]
优选地，在步骤s1中，目标信号电子数的计算公式为：
[0014][0015]
式(1)中，s
t
为目标信号电子数，η为光电探测器的量子效率；h为普朗克常数；ν为光的频率，ν＝c/λ，c为光速，λ为光的波长；t
int
为积分时间；φ
t
为目标的辐射通量；
[0016][0017]
式(2)中，a
t
为目标的有效辐射面积；l
t
为目标的辐射亮度；τa为目标到设备之间的大气平均透过率；τo为光学系统的透过率；d为光学系统的入瞳直径；r为探测距离；n为目标在光电探测器靶面上的成像光斑所占的像元数；
[0018]
背景信号电子数的计算公式为：
[0019][0020]
式(3)中，sb为背景信号电子数；lb为天空背景辐射亮度；ad为光电探测器单个像元的面积；f为光学系统的相对孔径数。
[0021]
优选地，在步骤s2中，信噪比计算公式为：
[0022][0023]
式(4)中，snr为探测信噪比；σr为光电探测器的读出噪声；de为光电探测器的暗电流。
[0024]
优选地，在步骤s3中，探测距离r的计算公式为：
[0025][0026]
优选地，步骤s1具体包括如下步骤：s110、将目标信号与背景信号分别转换为目标信号光子数和背景信号光子数；s120、通过光电探测器的量子效率将目标信号光子数和背景信号光子数分别转换为目标信号电子数和背景信号电子数。
[0027]
优选地，当目标为圆形时，目标在光电探测器靶面上的成像光斑所占的像元数n的计算公式为：
[0028][0029]
ω＝ad/f2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0030]
ω
img
＝π(θ
img
/2)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0031][0032]
θ
tgt
＝r/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0033]
其中，ω
img
为目标成像对应的立体角；ω为探测器单个像元对应的立体角；ad为探测器单个像元的面积；f为系统焦距；θ
img
为目标在像平面上的平均张角；θ
tgt
为目标在像平面上的几何张角；r为目标直径；λ为系统工作波段的中心波长；r为目标观测斜距；r0为大气相干长度；d为主镜直径。
[0034]
优选地，当目标为方形时，目标在光电探测器靶面上的成像光斑所占的像元数n的计算公式为：
[0035][0036][0037]
θ
tgt1
＝a/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0038]
θ
tgt2
＝b/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0039]
其中，ω
img
为目标成像对应的立体角；ω为探测器单个像元对应的立体角；a和b分别为目标的边长；ad为探测器单个像元的面积；f为系统焦距；θ
img
为目标在像平面上的平均张角；θ
tgt1
和θ
tgt2
分别为目标在像平面上的几何张角；λ为系统工作波段的中心波长；r为目标观测斜距；r0为大气相干长度；d为主镜直径。
[0040]
利用上述本发明提供的点源目标成像的探测距离计算方法，能够综合考虑目标、背景、光学系统和探测器特征参数对探测信噪比的影响，充分阐述探测器像元接收到的目标和背景信号的影响因素，精确出计算探测距离，为系统参数优化和探测器选型提供参考，例如：
[0041]
(1)目标信号正比于红外光电系统的入瞳面积，而背景信号则反比于光学系统的相对孔径数，在保证目标在图像上仍然为点源探测的基础上，为达到更高的探测能力，应尽量增大望远镜口径的同时增大光学系统的相对孔径数；
[0042]
(2)可以根据光电探测器满阱电荷数、目标信号、背景信号与光电探测器的特征参数，确定不同观测场景和目标特性时的探测器饱和积分时间，可以为任务执行提供决策依据；
[0043]
(3)对于白天探测而言，大满阱电荷数的光电探测器可保证更长的积分时间，从而延长探测距离。
附图说明
[0044]
图1是根据本发明一个实施例的点源目标成像的探测距离计算方法的第一流程示意图；
[0045]
图2是根据本发明一个实施例的点源目标成像的探测距离计算方法的第二流程示意图；
[0046]
图3是根据本发明一个实施例的红外标准星hd156283的观测示意图。
具体实施方式
[0047]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0049]
本发明为了解决在实验室条件下测量的d
*
值与实际环境测量的d
*
值存在误差，导致探测距离计算结果与实际不相符的技术问题，提供一种全新的探测距离计算方法，该计算方法依赖于光电探测器的特征参数(量子效率、暗电流和读出噪声)，综合考虑目标、背景、光学系统和光电探测器的特征参数对探测信噪比的影响，使探测距离的计算结果更加精确。
[0050]
本发明的整体思路为：分别将光电探测系统对目标进行观测时的目标信号和背景信号分别转换为光子数，再结合光电探测器的量子效率，将光子数转换为电子数，然后代入信噪比计算公式，计算出探测信噪比。在已知探测信噪比的前提下，对信噪比计算公式进行逆运算，计算出探测距离。
[0051]
需要说明的是，本发明的计算方法适用于任何波段的光电探测系统，例如红外光电探测系统、紫外光电探测系统等等，光电探测系统包括两个组成部分，分别为光学系统和探测器，光学系统用于对目标进行成像，而探测器用于对目标图像进行光电转换。
[0052]
下面将对本发明提供的点源目标成像的探测距离计算方法进行详述。
[0053]
图1和图2分别示出了根据本发明一个实施例的点源目标成像的探测距离计算方法的两个流程。
[0054]
如图1和图2所示，本发明实施例提供的点源目标成像的探测距离计算方法，包括如下步骤：
[0055]
s1、将目标信号与背景信号分别转换为目标信号电子数和背景信号电子数。
[0056]
将目标信号与背景信号转换为目标信号电子数和背景信号电子数按照如下两步进行转换：
[0057]
s110、将目标信号与背景信号分别转换为目标信号光子数和背景信号光子数。
[0058]
将目标信号转换为目标信号光子数的公式为：
[0059][0060]
式(1)中，t
int
为积分时间；h为普朗克常数，h＝6.626176
×
10-34w·
s2；ν为光的频率，ν＝c/λ，c为光速，c＝2.997925
×
108m
·
s-1
，λ为光的波长；φ
t
为目标在单个光电探测器像元上的辐射通量，sm为目标在积分时间t
int
内产生的目标光子数。
[0061][0062]
式(2)中，a
t
为目标的有效辐射面积；l
t
为目标的辐射亮度，可根据目标温度和表面发射率，由普朗克公式计算得到；τa为目标到设备之间的大气平均透过率，τo为光学系统的透过率，d为光学系统的入瞳直径，r为探测距离，即目标到光学系统入瞳的距离，n为目标在
光电探测器靶面上的成像光斑所占的像元数。
[0063]
在目标在光电探测器靶面上的成像光斑所占的像元数n时，对于圆形目标，设目标直径为r、系统工作波段的中心波长为λ、目标观测斜距为r、大气相干长度为r0、主镜直径为d，则目标在像平面上的平均张角为：
[0064][0065]
其中，θ
tgt
＝r/r，则有：
[0066][0067]
式中，ω
img
为目标成像对应的立体角；ω为探测器单个像元对应的立体角；ad为探测器单个像元的面积；f为系统焦距；θ
img
为目标在像平面上的平均张角；θ
tgt
为目标在像平面上的几何张角。一般认为目标80％能量集中于上述计算得到的k个像元内。
[0068]
对于方形目标，设目标的边长分别为a和b，θ
tgt1
＝a/r，θ
tgt2
＝b/r，则有：
[0069][0070]
其中，θ
tgt1
和θ
tgt2
分别为目标在像平面上的几何张角。
[0071]
大气扰动2
″
对应的相干长度为：
[0072][0073]
相应的大气相干长度：
[0074]
r0＝r0(@550nm)
×
(λ/550nm)
6/5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0075]
根据公式r0＝r0|
α＝90
°
(sinα)
3/5
，计算得到α度观测仰角的大气相干长度。
[0076]
大气弥散效应引起的光斑张角为：
[0077]
1.22λ/r0(@中心波长λ&实际观测仰角α)；
[0078]
衍射效应引起的光斑张角为：1.22
×
λ/d。
[0079]
将背景信号转换为背景信号光子数的公式为：
[0080][0081]
式(8)中，lb为天空背景辐射亮度；ad为光电探测器单个像元的面积；f为光学系统的相对孔径数，s
′b为在积分时间t
int
内产生的背景信号光子数。
[0082]
s120、通过光电探测器的量子效率将目标信号光子数和背景信号光子数分别转换为目标信号电子数和背景信号电子数。
[0083]
将目标信号光子数转换为目标信号电子数的公式为：
[0084]st
＝η
·
smꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0085]
式(9)中，η为光电探测器的量子效率，量子效率表征了光电探测器的光电转换效率，s
t
为目标信号电子数。
[0086]
将背景信号光子数转换为背景信号电子数的公式为：
[0087]
sb＝η
·s′bꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0088]
s2、将目标信号电子数、背景信号电子数与光电探测器的特征参数代入到信噪比计算公式。
[0089]
光电探测器的特征参数包括光电探测器的读出噪声和暗电流。
[0090]
信噪比计算公式为：
[0091][0092]
式(11)中，snr为探测信噪比，σr为光电探测器的读出噪声；de为光电探测器的暗电流。
[0093]
s3、在已知探测信噪比的前提下对信噪比计算公式做逆运算，获得探测距离。
[0094]
该探测距离是指目标到光学系统入瞳的距离。
[0095]
在探测信噪比snr作为已知量的情况下，对式(11)进行逆运算，由于式(11)中的其他参数均为已知量，由此反推出探测距离r。
[0096]
探测距离r的计算公式为：
[0097][0098]
在本发明的一个具体实施实施例中，由式(12)可以得到目标像元总的电荷数：
[0099][0100]
对于白天探测而言，大满阱电荷数的光电探测器可保证更长的积分时间，从而延长探测距离。
[0101]
在光电探测器的满阱电荷数s为已知量的情况下，由此可以根据上述式(13)反推出饱和积分时间值，确定不同观测场景和目标特性时的探测器饱和积分时间，能够为任务执行提供决策依据。
[0102]
为了验证本发明提供的点源目标成像的探测距离计算方法的准确性，本发明利用口径680mm的中波红外望远镜系统进行验证，系统参数见下表：
[0103]
[0104][0105]
因红外光电系统接收到的飞行目标或空间目标能量很难准确估算，接收能量除目标的自身热辐射外，还包括了目标对太阳光的反射、目标对地球热辐射的反射以及目标对地球反射的太阳光的反射；此外，由于很难知道目标温度、表面发射率和飞行姿态等准确参数，因而利用已知辐射量的红外标准星来验证探测距离公式的准确性。
[0106]
在计算探测距离时，目标的已知量为目标面积、目标辐射亮度，求探测信噪比snr＝5时的目标探测距离，而红外标准星已知大气层外的辐射照度，对于辐射照度e，因为有：
[0107][0108]
式(14)中，i
t
为目标辐射强度。公式(2)变为：
[0109][0110]
由此，可以根据已知的红外标准星辐照度值计算得到探测信噪比，再与拍摄图像的探测信噪比进行比较，验证方法的准确性。
[0111]
2019年4月19日拍摄的红外标准星hd156283如图3所示，图3中噪＝1.72，背景均值＝7966，平均信噪比snr＝16.47，峰值信噪比snr＝31.94，积分时间10ms，观测仰角40
°
(对应大气透过率0.5145)，hd156283在3.7μm～4.8μm范围内的理论辐照度值为4.1
×
10-15
w/cm2。根据图像数码值和积分时间推测背景辐射亮度约为1.7w/m2/sr，由此计算出理论信噪比为20。光电探测器的d*值取6
×
10
11
cm
·
hz
1/2
w-1
，由背景技术中的式(1)计算出理论信噪比为22，理论与实测结果吻合，证明本发明提供的点源目标成像的探测距离计算方法的计算结果精确。
[0112]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0113]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0114]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。