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使用FRED的圖形用戶(hù)界面和它的內置腳本語(yǔ)言，我們可以輕松地實(shí)現熱輻射和成像。盡管強力的光線(xiàn)追跡同樣是可能的，FRED使用了應用標準光學(xué)工程算法的高效運算器來(lái)實(shí)現熱成像和輻射計算。使用源自輻射度量學(xué)的技術(shù)，用FRED追跡必要數量光線(xiàn)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(lài)于從場(chǎng)景到達成像儀器孔徑的熱輻射或紅外輻射的差異。熱成像系統通常會(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，可能產(chǎn)生雜散信號。對于國防和安全問(wèn)題尤為重要，在其中我們可以發(fā)現具有不同熱溫度或輻射率的物體，此時(shí)可以從圖像場(chǎng)景的剩余部分區分出它們。對于這個(gè)問(wèn)題的主要應用是：探測、分類(lèi)和追跡隱藏在個(gè)人身上、包裹中、車(chē)輛上或船運集裝箱中的武器、人員、車(chē)輛、物品和材料。圖1是一個(gè)非常好的案例，當在FRED中進(jìn)行仿真時(shí)，一個(gè)日常用品：茶壺，通過(guò)一個(gè)具有熱探測儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個(gè)光學(xué)儀器周?chē)沫h(huán)境或結構中發(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，由于反射到探測器上的輻射，在一個(gè)紅外系統中的熱輻射表現為在一個(gè)顯示圖像中的黑色圓形區域。
通常，這些系統通過(guò)探測疊加在大的背景上的小信號工作。在室溫下，黑體輻射曲線(xiàn)的峰值大致在10μm處。因此世界在這個(gè)波長(cháng)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，當一個(gè)冷卻的探測器圖像反映了自身，那么就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)局部背景的缺失。這通常表現為在圖像中央的黑點(diǎn)。有人可能稱(chēng)之為“雜散黑”，而不是雜散光。
在測量絕對輻射而不是相對信號的紅外輻射儀中，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，探測器放置在單透鏡后面。這種機械結構輻射到了探測器上類(lèi)型的問(wèn)題，可以在許多引起熱問(wèn)題的紅外系統中找到。
最近，已經(jīng)開(kāi)始致力于紅外遙感應用中，包括溫度的測量和繪圖、森林火勢的感知和控制、監督和多光譜地表成像等。
這些應用種有許多是經(jīng)過(guò)長(cháng)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性能的一個(gè)影響因素。軍事的和基于空間的應用一般來(lái)說(shuō)可以通過(guò)探測器處理，探測器的工作波長(cháng)落在8.0-15微米之間，在這個(gè)波段內大氣的吸收是最小的。其他的應用的波帶較寬，為0.9-300微米。
2. FRED如何進(jìn)行光線(xiàn)追跡和顯現熱輻射和成像？
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)系統中對它進(jìn)行強力光線(xiàn)追跡。第二種方法是通過(guò)光學(xué)系統從探測器后端進(jìn)行光線(xiàn)追跡，這需要較少的光線(xiàn)。在兩種方法中，能夠顯現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：計算時(shí)間和精度。在一個(gè)復雜系統中，如果分析者嘗試去了解設計中遞增量的影響，并且想要實(shí)時(shí)這樣做，光線(xiàn)追跡時(shí)間可能會(huì )特別長(cháng)。反向光線(xiàn)追跡能夠使計算變得幾乎是交互式的。另外，由于冪指數收斂比均勻性快，即使每個(gè)微分區域只有幾束光線(xiàn)到達熱源，分析者幾乎可以肯定保證精確的結果。
圖2 兩個(gè)輻照度計算的比較：一個(gè)是使用前向光線(xiàn)追跡，另一個(gè)是使用后向光線(xiàn)追跡。后者需要比前者少1/53倍的光線(xiàn)達到同樣的準確度。
熱自發(fā)輻射可以簡(jiǎn)單描述：每個(gè)光學(xué)和機械結構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的函數。通過(guò)追跡光線(xiàn)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)的規律。這些光線(xiàn)（它們表示熱能）累積到了FPA上。
根據這個(gè)計算，大多數軟件會(huì )讓用戶(hù)設置物體的溫度和輻射系數。從統計學(xué)的角度來(lái)看，這樣做完全是錯誤的！在大多數“真實(shí)”的系統中，相對于光學(xué)和機械元件，FPA朝向一個(gè)非常小的固體角，因此當大量光線(xiàn)被追跡時(shí)，如果有的話(huà)，到達FPA的光線(xiàn)很少（圖3）。結果是熱自發(fā)輻射的錯誤的估計。
有一種更加高效但是非最佳的方法。直接或者間接，大多數軟件允許用戶(hù)指定一個(gè)優(yōu)先的輻射方向；這在文獻中被稱(chēng)為“重點(diǎn)采樣”。使用該方法，用戶(hù)為每一個(gè)光學(xué)和機械元件指定了一個(gè)重點(diǎn)采樣。在光線(xiàn)追跡的過(guò)程中，光線(xiàn)散射到了這些優(yōu)先的方向，這在引導光線(xiàn)到達FPA方面十分高效（圖4）。這極大的改善了統計結果，并且產(chǎn)生了熱自發(fā)輻射的一個(gè)準確評估。然而，在一個(gè)具有許多結構性元件的復雜、“真實(shí)生活”的系統，這樣做單調乏味且耗時(shí)，特別是如果分析者需要設定溫度和輻射系數。
圖3 熱發(fā)射主機筒的強力光線(xiàn)追跡。在這個(gè)例子中，入射光線(xiàn)沒(méi)有到達FPA。
圖4 發(fā)射朝向一個(gè)重要方向，計算更加高效，但是設置麻煩。
處理這個(gè)計算最好的方法是采用熱輻射度量學(xué)的數學(xué)方法。計算熱自發(fā)輻射（TSE）基本上是該形式的總和
因為熱輻射是朗伯的，我們可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，f是黑體積分，σ是斯特藩-玻爾茲曼常數，T是溫度（K）。問(wèn)題是如何高效的計算Aobject和Ωdetector。
反轉光源和收集器的作用（使用方程3），我們可以寫(xiě)成
注意到探測器的面積Adetector是一個(gè)定量，為了高效的計算每個(gè)發(fā)射物體的立體角，我們在輻射方程中引用了對稱(chēng)性概念。
從方程4中，我們注意到如果我們從探測器（L=1/πAdetector）發(fā)射光線(xiàn)，入射到物體上的功率數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)射的探測器功率因此等于
（事實(shí)上只有探測器輻射到了一個(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，正確的探測器功率是4/π因子）
知道如何高效的計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，它們只需要計算一次。
圖5 從FPA反向光線(xiàn)追跡來(lái)獲得精確的投影立體角。在大多數例子中，杜爾窗口是相對于探測器最靠近的通光孔徑，因此我們一般將光線(xiàn)發(fā)射到它的立體角內。熱自發(fā)輻射的計算由方程6獲得，這很容易的應用到一個(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：
其中表達式（Ω/π）是由光線(xiàn)追跡計算出的投影立體角。
圖6 計算熱自發(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)現了用方程6實(shí)現。
熱自發(fā)輻射的計算使用反向光線(xiàn)追跡的好處有很多，包括
1. 立體角的精度由從探測器追跡的光線(xiàn)數目決定
2. 為了“切合實(shí)際”，溫度和輻射系數在表格中可以很容易的改變。
3. 這里沒(méi)有冗長(cháng)的設置時(shí)間，設置時(shí)間不再是模型復雜性的函數。
4. 通過(guò)把探測器劃分為微分區域，光線(xiàn)追跡并將每個(gè)區域求和，我們可以獲得在探測器上熱自發(fā)輻射的圖像。
現代光學(xué)軟件十分強大且適應性廣，通過(guò)點(diǎn)擊工具條上的按鈕，為有經(jīng)驗和沒(méi)有經(jīng)驗的用戶(hù)提供了來(lái)完成許多復雜的任務(wù)的方法。然而，有許多地方用戶(hù)需要以軟件預定義的方式執行計算。應用“高超的技巧”常常是唯一的辦法，在合理的期限內執行這些運算并到達所需要的精確度水平。
3. FRED對于熱分析如何創(chuàng )建幾何結構？
我們可以在FRED中使用圖形用戶(hù)界面直接創(chuàng )建系統幾何結構，或者從IGES或STEP CAD格式和光學(xué)設計程序導入。程序有很多選項來(lái)創(chuàng )建表面，包括標準的平面、圓錐面、圓柱面、橢球面、雙曲面、圓環(huán)面、多項式表面、Zernike、Nurb、Meshed、旋轉曲面、擠壓面、復合曲線(xiàn)、樣條曲線(xiàn)和用戶(hù)定義的表面。
由于FRED具有多文件用戶(hù)界面，可以在文件之間剪切、復制和粘貼元件。實(shí)體可根據邏輯關(guān)系安排到對應于系統物理布局的裝配體、組件和元件等的分類(lèi)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(xiàn)裁剪。
任何表面可以根據溫度和輻射系數定義。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)行高級光線(xiàn)追跡的能力，并且記錄所有在系統中追跡光線(xiàn)的所有路徑，圖7表示的是一個(gè)茶壺熱成像的光線(xiàn)路徑的列表，這是使用從探測器通過(guò)透鏡然后到圖1中所示茶壺的后向光線(xiàn)追跡形成的。
該光線(xiàn)歷史是每個(gè)路徑功率、沿著(zhù)該路徑的光線(xiàn)數、它們如何到達最后一個(gè)實(shí)體和它們通過(guò)了多少表面（事件計數）的一個(gè)完整報告。使用任何光線(xiàn)追跡路徑并把它們復制到用戶(hù)定義的路徑列表中（選擇該路徑，點(diǎn)擊鼠標右鍵，選擇復制該路徑到用戶(hù)定義路徑列表的選項）是可能的。該路徑現在將會(huì )作為在高級光線(xiàn)追跡的可選路徑和可使用的光線(xiàn)方法之一出現。然后在僅有的路徑上，繪制點(diǎn)列圖或輻照度分布函數是可行的。 |
