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使用FRED的圖形用戶界面和它的內(nèi)置腳本語言，我們可以輕松地實現(xiàn)熱輻射和成像。盡管強力的光線追跡同樣是可能的，F(xiàn)RED使用了應用標準光學工程算法的高效運算器來實現(xiàn)熱成像和輻射計算。使用源自輻射度量學的技術，用FRED追跡必要數(shù)量光線的可能需要的時間，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)生一個場景的可視化二維圖像的過程，該圖像依賴于從場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(tǒng)通常會減去背景來增強在紅外場景中變化的對比度。當背景不均勻時，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，此時可以從圖像場景的剩余部分區(qū)分出它們。對于這個問題的主要應用是：探測、分類和追跡隱藏在個人身上、包裹中、車輛上或船運集裝箱中的武器、人員、車輛、物品和材料。圖1是一個非常好的案例，當在FRED中進行仿真時，一個日常用品：茶壺，通過一個具有熱探測儀的攝像頭成像。
熱輻射是從一個光學儀器周圍的環(huán)境或結(jié)構(gòu)中發(fā)出的能量，它會引起雜散光問題。冷反射是一個熱輻射問題，由于反射到探測器上的輻射，在一個紅外系統(tǒng)中的熱輻射表現(xiàn)為在一個顯示圖像中的黑色圓形區(qū)域。
通常，這些系統(tǒng)通過探測疊加在大的背景上的小信號工作。在室溫下，黑體輻射曲線的峰值大致在10μm處。因此世界在這個波長處“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，當一個冷卻的探測器圖像反映了自身，那么就會產(chǎn)生一個局部背景的缺失。這通常表現(xiàn)為在圖像中央的黑點。有人可能稱之為“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。在這樣一個儀器中，冷卻整個儀器到低溫度來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，探測器放置在單透鏡后面。這種機械結(jié)構(gòu)輻射到了探測器上類型的問題，可以在許多引起熱問題的紅外系統(tǒng)中找到。
最近，已經(jīng)開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(jiān)督和多光譜地表成像等。
這些應用種有許多是經(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)性能的一個影響因素。軍事的和基于空間的應用一般來說可以通過探測器處理，探測器的工作波長落在8.0-15微米之間，在這個波段內(nèi)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如何進行光線追跡和顯現(xiàn)熱輻射和成像？
在FRED中追跡熱輻射有幾個方法。第一種方法是創(chuàng)建一個光源，然后在光學系統(tǒng)中對它進行強力光線追跡。第二種方法是通過光學系統(tǒng)從探測器后端進行光線追跡，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。
事實上這里有兩個問題：計算時間和精度。在一個復雜系統(tǒng)中，如果分析者嘗試去了解設計中遞增量的影響，并且想要實時這樣做，光線追跡時間可能會特別長。反向光線追跡能夠使計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，即使每個微分區(qū)域只有幾束光線到達熱源，分析者幾乎可以肯定保證精確的結(jié)果。
圖2 兩個輻照度計算的比較：一個是使用前向光線追跡，另一個是使用后向光線追跡。后者需要比前者少1/53倍的光線達到同樣的準確度。
熱自發(fā)輻射可以簡單描述：每個光學和機械結(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，它們遵循幾何光學的規(guī)律。這些光線（它們表示熱能）累積到了FPA上。
根據(jù)這個計算，大多數(shù)軟件會讓用戶設置物體的溫度和輻射系數(shù)。從統(tǒng)計學的角度來看，這樣做完全是錯誤的！在大多數(shù)“真實”的系統(tǒng)中，相對于光學和機械元件，F(xiàn)PA朝向一個非常小的固體角，因此當大量光線被追跡時，如果有的話，到達FPA的光線很少（圖3）。結(jié)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(shù)軟件允許用戶指定一個優(yōu)先的輻射方向；這在文獻中被稱為“重點采樣”。使用該方法，用戶為每一個光學和機械元件指定了一個重點采樣。在光線追跡的過程中，光線散射到了這些優(yōu)先的方向，這在引導光線到達FPA方面十分高效（圖4）。這極大的改善了統(tǒng)計結(jié)果，并且產(chǎn)生了熱自發(fā)輻射的一個準確評估。然而，在一個具有許多結(jié)構(gòu)性元件的復雜、“真實生活”的系統(tǒng)，這樣做單調(diào)乏味且耗時，特別是如果分析者需要設定溫度和輻射系數(shù)。
圖3 熱發(fā)射主機筒的強力光線追跡。在這個例子中，入射光線沒有到達FPA。
圖4 發(fā)射朝向一個重要方向，計算更加高效，但是設置麻煩。
處理這個計算最好的方法是采用熱輻射度量學的數(shù)學方法。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(shù)，f是黑體積分，σ是斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度（K）。問題是如何高效的計算Aobject和Ωdetector。
反轉(zhuǎn)光源和收集器的作用（使用方程3），我們可以寫成
注意到探測器的面積Adetector是一個定量，為了高效的計算每個發(fā)射物體的立體角，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（L=1/πAdetector）發(fā)射光線，入射到物體上的功率數(shù)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
（事實上只有探測器輻射到了一個圓錐體中，這個公式才是正確的。如果我們希望輻射到一個矩形體中，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“高超的技巧”。由于立體角是常數(shù)，它們只需要計算一次。
圖5 從FPA反向光線追跡來獲得精確的投影立體角。在大多數(shù)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發(fā)射到它的立體角內(nèi)。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”實際上是投射立體角，列“Contribution”實現(xiàn)了用方程6實現(xiàn)。
熱自發(fā)輻射的計算使用反向光線追跡的好處有很多，包括
1. 立體角的精度由從探測器追跡的光線數(shù)目決定
2. 為了“切合實際”，溫度和輻射系數(shù)在表格中可以很容易的改變。
3. 這里沒有冗長的設置時間，設置時間不再是模型復雜性的函數(shù)。
4. 通過把探測器劃分為微分區(qū)域，光線追跡并將每個區(qū)域求和，我們可以獲得在探測器上熱自發(fā)輻射的圖像。
現(xiàn)代光學軟件十分強大且適應性廣，通過點擊工具條上的按鈕，為有經(jīng)驗和沒有經(jīng)驗的用戶提供了來完成許多復雜的任務的方法。然而，有許多地方用戶需要以軟件預定義的方式執(zhí)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(nèi)執(zhí)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(jié)構(gòu)？
我們可以在FRED中使用圖形用戶界面直接創(chuàng)建系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，或者從IGES或STEP CAD格式和光學設計程序?qū)�。程序有很多選項來創(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(zhuǎn)曲面、擠壓面、復合曲線、樣條曲線和用戶定義的表面。
由于FRED具有多文件用戶界面，可以在文件之間剪切、復制和粘貼元件。實體可根據(jù)邏輯關系安排到對應于系統(tǒng)物理布局的裝配體、組件和元件等的分類中。任何表面可能會被隱式表面或者下面定義的孔徑集曲線裁剪。
任何表面可以根據(jù)溫度和輻射系數(shù)定義。另外，把每個表面定義為熱輻射源來傳播熱能和并創(chuàng)建熱成像圖。
4. FRED如何記錄熱輻射路徑？
FRED具有進行高級光線追跡的能力，并且記錄所有在系統(tǒng)中追跡光線的所有路徑，圖7表示的是一個茶壺熱成像的光線路徑的列表，這是使用從探測器通過透鏡然后到圖1中所示茶壺的后向光線追跡形成的。
該光線歷史是每個路徑功率、沿著該路徑的光線數(shù)、它們?nèi)绾蔚竭_最后一個實體和它們通過了多少表面（事件計數(shù)）的一個完整報告。使用任何光線追跡路徑并把它們復制到用戶定義的路徑列表中（選擇該路徑，點擊鼠標右鍵，選擇復制該路徑到用戶定義路徑列表的選項）是可能的。該路徑現(xiàn)在將會作為在高級光線追跡的可選路徑和可使用的光線方法之一出現(xiàn)。然后在僅有的路徑上，繪制點列圖或輻照度分布函數(shù)是可行的。 |
