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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。 EIy]qAE:f w%%6[<3% 1. 熱輻射和熱成像是什么？ S&;T_^|
)Gu0i7iN 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。 Rh05W_?Js D ohl,d 熱輻射是從一個光學儀器周圍的環(huán)境或結構中發(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。 JI{O Gr &Sa_%:*D( 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。 +8?R+ 0P %M4XbSN| 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。 v '"1/% L ~jgN_jz 
C.Wms}XA 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。這種機械結構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。
DkF@XK0c3 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。 9!Q
$GE?vl mfp`Iy"}+ 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。 }+QhW]nO{F 6KZ8 .m}: 2. FRED如何進行光線追跡和顯現(xiàn)熱輻射和成像？ Ah8^^h|TPJ
r P<d[u 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。 `% #zMS w<8 O= 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果。 :_I
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wXIe5 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。
a3(7 {,Ew 熱自發(fā)輻射可以簡單描述：每個光學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(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。 3=G5(0 }tl8 (kjm 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）。結果是熱自發(fā)輻射的錯誤的估計。 eKU@> 5 Np5/l Pb1 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，在一個具有許多結構性元件的復雜、“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)。 Rd@n?qB b'Piymx leX7(Y;!a7 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。
r~Is,.zZ} 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。
jmA{rD W 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 <(6-9(zHa EFT02#F_f 
]'bQ(<^# 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 {TcbCjy w { XVf|zM, 
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