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使用FRED的圖形用戶界面和(hé)它的內(nèi)置腳本語言，我們可(kě)以輕松地實現熱輻射和(hé)成像。盡管強力的光線追迹同樣是可(kě)能的，FRED使用了應用标準光學工程算(suàn)法的高(gāo)效運算(suàn)器(qì)來(lái)實現熱成像和(hé)輻射計(jì)算(suàn)。使用源自輻射度量學的技(jì)術(shù)，用FRED追迹必要數(shù)量光線的可(kě)能需要的時(shí)間(jiān)，我們可(kě)以高(gāo)效并精确地完成熱成像、冷反射、雜散光、熱照明(míng)均勻性和(hé)熱自發輻射的計(jì)算(suàn)。
1. 熱輻射和(hé)熱成像是什麽？
熱成像定義為(wèi)産生(shēng)一個(gè)場(chǎng)景的可(kě)視(shì)化二維圖像的過程，該圖像依賴于從場(chǎng)景到達成像儀器(qì)孔徑的熱輻射或紅外輻射的差異。熱成像系統通(tōng)常會(huì)減去背景來(lái)增強在紅外場(chǎng)景中變化的對比度。當背景不均勻時(shí)，由于冷反射的存在，可(kě)能産生(shēng)雜散信号。對于國防和(hé)安全問題尤為(wèi)重要，在其中我們可(kě)以發現具有(yǒu)不同熱溫度或輻射率的物體(tǐ)，此時(shí)可(kě)以從圖像場(chǎng)景的剩餘部分區(qū)分出它們。對于這個(gè)問題的主要應用是：探測、分類和(hé)追迹隐藏在個(gè)人(rén)身上(shàng)、包裹中、車(chē)輛(liàng)上(shàng)或船(chuán)運集裝箱中的武器(qì)、人(rén)員、車(chē)輛(liàng)、物品和(hé)材料。圖1是一個(gè)非常好的案例，當在FRED中進行(xíng)仿真時(shí)，一個(gè)日常用品：茶壺，通(tōng)過一個(gè)具有(yǒu)熱探測儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個(gè)光學儀器(qì)周圍的環境或結構中發出的能量，它會(huì)引起雜散光問題。冷反射是一個(gè)熱輻射問題，由于反射到探測器(qì)上(shàng)的輻射，在一個(gè)紅外系統中的熱輻射表現為(wèi)在一個(gè)顯示圖像中的黑(hēi)色圓形區(qū)域。
通(tōng)常，這些(xiē)系統通(tōng)過探測疊加在大(dà)的背景上(shàng)的小(xiǎo)信号工作(zuò)。在室溫下，黑(hēi)體(tǐ)輻射曲線的峰值大(dà)緻在10μm處。因此世界在這個(gè)波長處“發光”，發光的微小(xiǎo)變化表明(míng)了溫度或輻射率的變化。特别的，當一個(gè)冷卻的探測器(qì)圖像反映了自身，那(nà)麽就會(huì)産生(shēng)一個(gè)局部背景的缺失。這通(tōng)常表現為(wèi)在圖像中央的黑(hēi)點。有(yǒu)人(rén)可(kě)能稱之為(wèi)“雜散黑(hēi)”，而不是雜散光。
在測量絕對輻射而不是相對信号的紅外輻射儀中，任何背景輻射是不可(kě)接受的。在這樣一個(gè)儀器(qì)中，冷卻整個(gè)儀器(qì)到低(dī)溫度來(lái)消除由于自輻射導緻的雜散光是必須的。
圖1 此圖演示了一個(gè)在茶壺表面具有(yǒu)不同輻射系數(shù)和(hé)溫度分布的暖茶壺的簡單問題。然後茶壺通(tōng)過單透鏡成像，探測器(qì)放置在單透鏡後面。這種機械結構輻射到了探測器(qì)上(shàng)類型的問題，可(kě)以在許多(duō)引起熱問題的紅外系統中找到。
最近，已經開(kāi)始緻力于紅外遙感應用中，包括溫度的測量和(hé)繪圖、森(sēn)林火(huǒ)勢的感知和(hé)控制(zhì)、監督和(hé)多(duō)光譜地表成像等。
這些(xiē)應用種有(yǒu)許多(duō)是經過長距離完成的，透過大(dà)氣，在大(dà)氣中IR能量的吸收是這些(xiē)系統性能的一個(gè)影(yǐng)響因素。軍事的和(hé)基于空(kōng)間(jiān)的應用一般來(lái)說可(kě)以通(tōng)過探測器(qì)處理(lǐ)，探測器(qì)的工作(zuò)波長落在8.0-15微米之間(jiān)，在這個(gè)波段內(nèi)大(dà)氣的吸收是最小(xiǎo)的。其他的應用的波帶較寬，為(wèi)0.9-300微米。
2. FRED如何進行(xíng)光線追迹和(hé)顯現熱輻射和(hé)成像？
在FRED中追迹熱輻射有(yǒu)幾個(gè)方法。第一種方法是創建一個(gè)光源，然後在光學系統中對它進行(xíng)強力光線追迹。第二種方法是通(tōng)過光學系統從探測器(qì)後端進行(xíng)光線追迹，這需要較少(shǎo)的光線。在兩種方法中，能夠顯現二維和(hé)三維圖的熱成像是非常重要的。
事實上(shàng)這裏有(yǒu)兩個(gè)問題：計(jì)算(suàn)時(shí)間(jiān)和(hé)精度。在一個(gè)複雜系統中，如果分析者嘗試去了解設計(jì)中遞增量的影(yǐng)響，并且想要實時(shí)這樣做(zuò)，光線追迹時(shí)間(jiān)可(kě)能會(huì)特别長。反向光線追迹能夠使計(jì)算(suàn)變得(de)幾乎是交互式的。另外，由于幂指數(shù)收斂比均勻性快，即使每個(gè)微分區(qū)域隻有(yǒu)幾束光線到達熱源，分析者幾乎可(kě)以肯定保證精确的結果。
圖2 兩個(gè)輻照度計(jì)算(suàn)的比較：一個(gè)是使用前向光線追迹，另一個(gè)是使用後向光線追迹。後者需要比前者少(shǎo)1/53倍的光線達到同樣的準确度。
熱自發輻射可(kě)以簡單描述：每個(gè)光學和(hé)機械結構像朗伯輻射體(tǐ)一樣輻射能量，輻射出的能量是自身溫度和(hé)輻射系數(shù)的函數(shù)。通(tōng)過追迹光線來(lái)模拟發射出的能量；在傳播過程中發生(shēng)透射和(hé)反射時(shí)，它們遵循幾何光學的規律。這些(xiē)光線（它們表示熱能）累積到了FPA上(shàng)。
根據這個(gè)計(jì)算(suàn)，大(dà)多(duō)數(shù)軟件會(huì)讓用戶設置物體(tǐ)的溫度和(hé)輻射系數(shù)。從統計(jì)學的角度來(lái)看，這樣做(zuò)完全是錯誤的！在大(dà)多(duō)數(shù)“真實”的系統中，相對于光學和(hé)機械元件，FPA朝向一個(gè)非常小(xiǎo)的固體(tǐ)角，因此當大(dà)量光線被追迹時(shí)，如果有(yǒu)的話(huà)，到達FPA的光線很(hěn)少(shǎo)（圖3）。結果是熱自發輻射的錯誤的估計(jì)。
有(yǒu)一種更加高(gāo)效但(dàn)是非最佳的方法。直接或者間(jiān)接，大(dà)多(duō)數(shù)軟件允許用戶指定一個(gè)優先的輻射方向；這在文獻中被稱為(wèi)“重點采樣”。使用該方法，用戶為(wèi)每一個(gè)光學和(hé)機械元件指定了一個(gè)重點采樣。在光線追迹的過程中，光線散射到了這些(xiē)優先的方向，這在引導光線到達FPA方面十分高(gāo)效（圖4）。這極大(dà)的改善了統計(jì)結果，并且産生(shēng)了熱自發輻射的一個(gè)準确評估。然而，在一個(gè)具有(yǒu)許多(duō)結構性元件的複雜、“真實生(shēng)活”的系統，這樣做(zuò)單調乏味且耗時(shí)，特别是如果分析者需要設定溫度和(hé)輻射系數(shù)。
圖3 熱發射主機筒的強力光線追迹。在這個(gè)例子中，入射光線沒有(yǒu)到達FPA。
圖4 發射朝向一個(gè)重要方向，計(jì)算(suàn)更加高(gāo)效，但(dàn)是設置麻煩。
處理(lǐ)這個(gè)計(jì)算(suàn)最好的方法是采用熱輻射度量學的數(shù)學方法。計(jì)算(suàn)熱自發輻射（TSE）基本上(shàng)是該形式的總和(hé)
因為(wèi)熱輻射是朗伯的，我們可(kě)以用由熱出射度推導出的等值表達式替換L
其中ε是輻射系數(shù)，f是黑(hēi)體(tǐ)積分，σ是斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度（K）。問題是如何高(gāo)效的計(jì)算(suàn)Aobject和(hé)Ωdetector。
反轉光源和(hé)收集器(qì)的作(zuò)用（使用方程3），我們可(kě)以寫成
注意到探測器(qì)的面積Adetector是一個(gè)定量，為(wèi)了高(gāo)效的計(jì)算(suàn)每個(gè)發射物體(tǐ)的立體(tǐ)角，我們在輻射方程中引用了對稱性概念。
從方程4中，我們注意到如果我們從探測器(qì)（L=1/πAdetector）發射光線，入射到物體(tǐ)上(shàng)的功率數(shù)值上(shàng)将等于它的投影(yǐng)立體(tǐ)角（回想投影(yǐng)立體(tǐ)角等于Ω/π）。發射的探測器(qì)功率因此等于
（事實上(shàng)隻有(yǒu)探測器(qì)輻射到了一個(gè)圓錐體(tǐ)中，這個(gè)公式才是正确的。如果我們希望輻射到一個(gè)矩形體(tǐ)中，正确的探測器(qì)功率是4/π因子）
知道(dào)如何高(gāo)效的計(jì)算(suàn)投影(yǐng)立體(tǐ)角是該方法的核心；這是第二個(gè)“高(gāo)超的技(jì)巧”。由于立體(tǐ)角是常數(shù)，它們隻需要計(jì)算(suàn)一次。
圖5 從FPA反向光線追迹來(lái)獲得(de)精确的投影(yǐng)立體(tǐ)角。在大(dà)多(duō)數(shù)例子中，杜爾窗口是相對于探測器(qì)最靠近的通(tōng)光孔徑，因此我們一般将光線發射到它的立體(tǐ)角內(nèi)。熱自發輻射的計(jì)算(suàn)由方程6獲得(de)，這很(hěn)容易的應用到一個(gè)表格中（圖6）。出于完整性，熱自發輻射的方程由下式給出：
其中表達式（Ω/π）是由光線追迹計(jì)算(suàn)出的投影(yǐng)立體(tǐ)角。
圖6 計(jì)算(suàn)熱自發輻射使用的表格，如Exceltm。列“Incident Power”實際上(shàng)是投射立體(tǐ)角，列“Contribution”實現了用方程6實現。
熱自發輻射的計(jì)算(suàn)使用反向光線追迹的好處有(yǒu)很(hěn)多(duō)，包括
1. 立體(tǐ)角的精度由從探測器(qì)追迹的光線數(shù)目決定
2. 為(wèi)了“切合實際”，溫度和(hé)輻射系數(shù)在表格中可(kě)以很(hěn)容易的改變。
3. 這裏沒有(yǒu)冗長的設置時(shí)間(jiān)，設置時(shí)間(jiān)不再是模型複雜性的函數(shù)。
4. 通(tōng)過把探測器(qì)劃分為(wèi)微分區(qū)域，光線追迹并将每個(gè)區(qū)域求和(hé)，我們可(kě)以獲得(de)在探測器(qì)上(shàng)熱自發輻射的圖像。
現代光學軟件十分強大(dà)且适應性廣，通(tōng)過點擊工具條上(shàng)的按鈕，為(wèi)有(yǒu)經驗和(hé)沒有(yǒu)經驗的用戶提供了來(lái)完成許多(duō)複雜的任務的方法。然而，有(yǒu)許多(duō)地方用戶需要以軟件預定義的方式執行(xíng)計(jì)算(suàn)。應用“高(gāo)超的技(jì)巧”常常是唯一的辦法，在合理(lǐ)的期限內(nèi)執行(xíng)這些(xiē)運算(suàn)并到達所需要的精确度水(shuǐ)平。
3. FRED對于熱分析如何創建幾何結構？
我們可(kě)以在FRED中使用圖形用戶界面直接創建系統幾何結構，或者從IGES或STEP CAD格式和(hé)光學設計(jì)程序導入。程序有(yǒu)很(hěn)多(duō)選項來(lái)創建表面，包括标準的平面、圓錐面、圓柱面、橢球面、雙曲面、圓環面、多(duō)項式表面、Zernike、Nurb、Meshed、旋轉曲面、擠壓面、複合曲線、樣條曲線和(hé)用戶定義的表面。
由于FRED具有(yǒu)多(duō)文件用戶界面，可(kě)以在文件之間(jiān)剪切、複制(zhì)和(hé)粘貼元件。實體(tǐ)可(kě)根據邏輯關系安排到對應于系統物理(lǐ)布局的裝配體(tǐ)、組件和(hé)元件等的分類中。任何表面可(kě)能會(huì)被隐式表面或者下面定義的孔徑集曲線裁剪。
任何表面可(kě)以根據溫度和(hé)輻射系數(shù)定義。另外，把每個(gè)表面定義為(wèi)熱輻射源來(lái)傳播熱能和(hé)并創建熱成像圖。
4. FRED如何記錄熱輻射路徑？
FRED具有(yǒu)進行(xíng)高(gāo)級光線追迹的能力，并且記錄所有(yǒu)在系統中追迹光線的所有(yǒu)路徑，圖7表示的是一個(gè)茶壺熱成像的光線路徑的列表，這是使用從探測器(qì)通(tōng)過透鏡然後到圖1中所示茶壺的後向光線追迹形成的。
該光線曆史是每個(gè)路徑功率、沿着該路徑的光線數(shù)、它們如何到達最後一個(gè)實體(tǐ)和(hé)它們通(tōng)過了多(duō)少(shǎo)表面（事件計(jì)數(shù)）的一個(gè)完整報告。使用任何光線追迹路徑并把它們複制(zhì)到用戶定義的路徑列表中（選擇該路徑，點擊鼠标右鍵，選擇複制(zhì)該路徑到用戶定義路徑列表的選項）是可(kě)能的。該路徑現在将會(huì)作(zuò)為(wèi)在高(gāo)級光線追迹的可(kě)選路徑和(hé)可(kě)使用的光線方法之一出現。然後在僅有(yǒu)的路徑上(shàng)，繪制(zhì)點列圖或輻照度分布函數(shù)是可(kě)行(xíng)的。 |
