杨 勇

（中国航天空气动力技术研究院 北京）

一、引言

某型具有三视场切换能力的红外热像组件在大视场对准均匀场景或者环境能量低的情况下，图像上有微弱光环呈现。切换至中视场与小视场时，没有此现象。经过查询相关资料得知，此现象被称为鬼影现象，一般情况下红外图像的自适应非均匀性校正可能存在此类缺陷。

二、红外鬼影现象

红外热像仪作为侦察型无人机的标准配置传感器之一，能够对地面景物实时成像并支持亮度、对比度、极性变换等在线调整。出现故障的红外热像组件在大视场对准均匀场景情况下，图像上有微弱光环呈现，如图1所示。

经过查询相关资料，发现此种故障被称为红外鬼影现象，极少出现，且出现的原因不尽相同。为给故障排查提供条件，记录故障发生时，当地气候条件为地面温度约23℃，大气湿度约80%。

图1 红外热像仪鬼影现象

三、故障排除与定位

针对此红外热像仪 鬼影现象问题，设计人员复查设计文件与加工图纸、质检人员核对各零件存档数据、检测报告及出货时的系统记录数据。从反馈的数据及复查结果来看没有发现异常，排除粗大误差的可能性。于是围绕此问题建立故障排查树，分析可能出现此现象的原因如图2所示。

图2 故障排查树

1.探测器的非均匀性

通过查找该探测器的出厂报告，发现探测器的非均匀性状态良好。而装探测器之前，如有质量问题不会转入系统装配阶段。在同一探测器的情况下，系统只有大视场有此现象，小视场与中视场没有出现，可排除探测器硬件出差错，推断探测器的非均匀性稳定。

2.软件算法问题

此红外热像仪软件采用定型的标准程序版本，将该主板上的程序原样移植到厂家其他相同硬件平台热像仪中运行良好，图像中无鬼影现象，同时该设备的软件算法在其他平台项目中都广泛运用，运行状态良好，且在同一算法平台下，系统只有大视场有此现象，小视场与中视场没有出现，可排除算法上带来的图像异常问题。

3.热像仪非均匀性校正的方法问题

软件中热像仪数据校正的方法可表达为式（1）和式（2）。

式中 Y16——校正后的数据

K——非均匀性系数

X——探测器A/D转换后的值

*B——对快门补偿后的值

ΔB——对快门校正的值与在镜头前对均匀物体补偿值的差值

ΔB数据中包含光学系统的冷反射图像。在成像时算法直接减去ΔB数据图像，使得图像均匀，如图3所示。因此，可排除非均匀性校正方法的原因，最大可能为光学系统问题。

四、故障机理

从热像仪非均匀性校正的方法问题的推论可知，可能为外界带来的ΔB能量变化所致。从顺序光路上分析，像面上没有其他物体成像，排除其可能性。因而，能量的变化为外部杂散辐射能量到达像面。现分为两分面论证，一方面是光学装配问题；另一方面是光学镜片镀膜工艺问题。

从装配角度来看，光学系统图纸与质检数据没有异常与超标的记录。另外，光学是个精密仪器。如果装配出现误差，图像不会清晰。再有，如果是装配中某个物体直接成像，理应在中视场与小视场也会出现，因而排除其可能性。

从目前镀膜检测方法来看，几乎所有厂家都是通过检测陪镀片来判断透过率是否达标。从图像上来看，异常图像能量低，而且对外界场景能量低时比较明显。推想应不是直接到达像面，而是通过某个面反射到达像面。因而，怀疑此组件的镜片透过率不达标。现在假定镜片透过率低，建立多次反射模型分析。追迹发现第一镜片第一面反射率低时，像面上图像有能量聚集。仿真光照强度分布截图如图4所示，图 4中 Y片（Current Y Slice） 纵 坐标为mm，横坐标为 W/mm2，X 片 （CurrentX Slice）纵坐标为W/mm2，横坐标为mm。

外界杂散辐射通过第一面反射到像面成像，其强度没有规律，因而当设备所在环境发生变化时，与热像仪非均匀性校正方法分析的情况相吻合。因此，问题可定位为第一镜片的透过率低，外界的辐射通过反射到达了像面。在不同环境下第一面反射的能量差值有变化，而ΔB的数据还是原来环境下的数据，红外出现图像异常。

图3 重新验证非均匀性校正方法后的图像

图4 通过第一面能量反射试验仿真图

五、维修措施

通过以上分析，因探测器非均匀性漂移，导致之前采集的数据不再适应当前的非均匀性校正。因此，只要开机实时采集ΔB数据，即可解决问题。即给红外热像仪加电后，在探测器制冷时对准某个设定好的位置。在此位置时，红外窗口所对准的均匀物体要求其距离必须＜60 mm（越小越好）。只要对准的目标在红外图像上没有明显的反光或者图像轮廓，即可认为是均匀物体。同时，为彻底杜绝再次发生，将第一镜片重新抛光镀膜，确保其透过率，从而减少第一镜片的反射能量，使得图像上没有异常。