目標(biāo)與背景紅外特征及對比度研究綜述*

王 充 李 源 李晉嶺 汪衛(wèi)華

（陸軍軍官學(xué)院研究生系 合肥 230031）

1 引言

近年來，世界各大軍事強國在軍用目標(biāo)紅外輻射抑制措施研究上投入了大量的人力、物力，以求得目標(biāo)戰(zhàn)場生存能力的提高，適應(yīng)未來戰(zhàn)場紅外對抗需要。然而紅外探測技術(shù)的快速發(fā)展和紅外制導(dǎo)武器的更新?lián)Q代使得傳統(tǒng)的紅外隱身技術(shù)日顯單薄，軍用目標(biāo)的戰(zhàn)場生存能力仍然面臨著巨大的威脅，這對目標(biāo)與背景紅外特征及對比度的研究提出了更高的要求。開展更加深入、細(xì)致的目標(biāo)與背景紅外特征及對比度的研究對于紅外制導(dǎo)武器裝備的更新?lián)Q代、軍用目標(biāo)紅外對抗技術(shù)的升級完善以及仿真訓(xùn)練和實戰(zhàn)都具有重要的戰(zhàn)略意義。

2 基本理論

目標(biāo)與背景的紅外特征主要是指目標(biāo)的輻射特征與空間分布特征［1］。所謂對比度，指的是被觀測目標(biāo)與背景亮度之差占背景亮度百分比的絕對值。目標(biāo)與背景的紅外特征是目標(biāo)與背景相互作用、相互影響的結(jié)果［2］。它們之間存在的這種相互關(guān)系決定了在研究目標(biāo)與背景時不能將它們相互獨立開來?？梢詮囊韵氯c來進(jìn)行分析：1）目標(biāo)與背景之間的溫度、物理特性、表面特性等參數(shù)都不同，它們之間會產(chǎn)生熱交換，紅外輻射特征也會因此而發(fā)生改變；2）目標(biāo)與背景各自發(fā)出的紅外輻射中有一部分會被對方反射或散射，與對方的紅外輻射疊加在一起時就會影響其紅外輻射特征；3）目標(biāo)的存在會改變背景一些原有的特性，如飛機飛過產(chǎn)生的湍流，以及排放出的尾氣會使周圍大氣特性發(fā)生改變，裝甲車行駛過的路面，會因履帶、車輪的擠壓而改變了原有的地表特性等。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)50、60年代，國內(nèi)外就開展了對目標(biāo)與背景紅外特征及對比度的研究?？v觀整個研究歷程，裝甲車輛和飛機作為典型目標(biāo)被各國重點關(guān)注，而其涉及到的復(fù)雜背景同樣吸引了廣大的科研工作者。因為目標(biāo)識別與紅外隱身設(shè)計所依據(jù)的是目標(biāo)與背景之間的紅外特征差異，同時研究目標(biāo)與背景紅外特征及對比度才有現(xiàn)實意義［3］。現(xiàn)從理論研究、實驗測量和軟件平臺三個方面來分析國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)50年代期間，比較有代表性的是C.Cox和W.Munk對海面的光學(xué)特性研究［4］。冷戰(zhàn)時期，也就是上世紀(jì)60年代，美國和前蘇聯(lián)開展軍備競賽，投入了大量的人力物力進(jìn)行目標(biāo)與背景紅外特征的研究，此時，對飛機的紅外輻射特性研究也開始了。到了70年代，前蘇聯(lián)為了在冷戰(zhàn)中占據(jù)戰(zhàn)略優(yōu)勢，加大了對武器裝備的研制，特別是對導(dǎo)彈的研究，在這一過程中，目標(biāo)與背景紅外輻射特征的研究取得了重大的進(jìn)展，同時，美國也建立了目標(biāo)與背景紅外輻射特征數(shù)據(jù)庫，在理論計算和建模研究上也有很大的成果。

在實驗測量方面，世界各國都相繼投入了大量的人力、物力研發(fā)了一些用于測量目標(biāo)與背景紅外特征的系統(tǒng)。美國為了研究飛機的紅外輻射強度，在20世70年代專門研制了地基跟蹤測量系統(tǒng)，這些系統(tǒng)安裝了用于測量紅外特性的設(shè)備，如紅外輻射計、紅外光譜儀和熱像儀。在1955年到1987年之間，美國空軍Eglin基地研發(fā)了8套機載紅外測量系統(tǒng)，采集了豐富的紅外特性數(shù)據(jù)。為了滿足不同的研究需要，很多國家將紅外測量設(shè)備搭載在不同的載體上，來對目標(biāo)或背景紅外特征進(jìn)行測量，如將氣球作為載體的球載測量系統(tǒng)，利用彈載多波段紅外成像系統(tǒng)測量研究彈頭和油箱碎片的紅外特征，利用衛(wèi)星平臺上各種光學(xué)傳感器可以對地球上軍事目標(biāo)進(jìn)行偵察，對陸地與海洋資源進(jìn)行資源勘探等。

在軟件平臺的發(fā)展方面，同樣取得了很大的進(jìn)展。美國研發(fā)的大氣傳輸計算軟件LOWTRAN、MODTRAN、FASCODE等可用于計算大氣背景輻射，而且軟件在不斷的升級更新，計算精度和效率都在不斷提高。美國在坦克和復(fù)雜背景熱像建模方面開發(fā)了一批軟件。如密歇根大學(xué)研制的PRISM［5］，該軟件可模擬計算坦克的表面溫度，并轉(zhuǎn)化為輻射亮度嵌入到背景熱圖像中。美國坦克及摩托化司令部研制的TTIM軟件［6］則可以在PRISM計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮空氣對坦克紅外輻射特性的影響。計算流體動力學(xué)軟件，包括GAMBIT、FLUENT等，通過建立物理模型，劃分網(wǎng)格模型并進(jìn)行流場模擬計算來獲得目標(biāo)整體三維溫度場和排氣溫度、濃度場分布，為目標(biāo)紅外特征分析提供直接數(shù)據(jù)來源。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在這方面的起步比較晚，“七五”開始，目標(biāo)與背景紅外輻射特性的研究工作才逐步開展。一些科研單位開始對地面背景和海天背景的紅外輻射進(jìn)行有關(guān)的理論和實驗研究，初步建立了相應(yīng)的理論模型［7］。直到20世紀(jì)90年代初，系統(tǒng)化的理論研究才真正開始。在“八五”、“九五”期間，有重點地選擇了坦克、艦船和飛機等幾種目標(biāo)以及背景和大氣傳輸?shù)龋M(jìn)行了較為深入、獨具特色的紅外理論建模研究，取得了相當(dāng)大的進(jìn)展［8］。在這方面的研究領(lǐng)域中，具有代表性的是中科院安徽光學(xué)精密機械研究所魏合理、饒瑞中研究員，南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院的韓玉閣教授、西安電子科技大學(xué)的吳振森教授等。

2002年，韓玉閣［9］等人通過建立目標(biāo)與背景紅外輻射特征的理論模型，對目標(biāo)與背景的紅外輻射特征進(jìn)行了分析計算，生成了目標(biāo)與背景的紅外熱圖像，實現(xiàn)了對某型號導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的彈目交匯過程仿真實驗。2004年王毅［10］等人利用大氣傳輸軟件MODTRAN，詳細(xì)分析了大氣模式、地表狀況以及氣溶膠模式對一定波段范圍內(nèi)的目標(biāo)與背景對比度的影響。同年，王毅［11］等人利用大氣傳輸軟件MODTRAN計算了典型大氣條件下可見光到紅外波段上的目標(biāo)與背景對比度，分析了目標(biāo)與背景對比度對波長的依賴關(guān)系。2005年，王毅［12］從理論計算出發(fā)，分析了目標(biāo)特性對目標(biāo)與背景對比度的影響。2009年，施加寶［7］在論文中利用MODTRAN4.0計算了大氣背景輻射，并通過雙向反射分布函數(shù)將背景入射照度和目標(biāo)散射亮度結(jié)合起來，推導(dǎo)了目標(biāo)對復(fù)雜背景輻射光散射強度的空間分布表達(dá)式和空間傾斜朗伯板對背景輻射的散射亮度，并計算了貼地目標(biāo)和海面上方目標(biāo)對陽光、海天背景輻射的散射亮度分布。2010年，鄧榮［13］等人通過推導(dǎo)紅外測溫公式，得到了兩種物體間的紅外輻射溫差計算公式，總結(jié)了紅外輻射溫差隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，并采用實驗進(jìn)行驗證。

總的來說，20世紀(jì)80年代以前，所有對目標(biāo)與背景紅外輻射特性的研究基本上都是基于實驗測量、理論計算。進(jìn)入80年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展壯大，目標(biāo)與背景輻射特性的研究進(jìn)入了里程碑時代?；谟嬎銠C仿真技術(shù)的數(shù)值模擬計算體現(xiàn)出它無比的優(yōu)越性。人們可以利用計算流體力學(xué)軟件對各種流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到的數(shù)值模擬結(jié)果可以在后處理軟件中處理生成詳細(xì)的數(shù)據(jù)及各種分布云圖，為目標(biāo)與背景紅外輻射特性研究提供了一條省時省力的便捷通道。同時，需要提醒的是，大氣傳輸模式的發(fā)展更新，使得數(shù)值模擬計算結(jié)果的真實性和有效性成為了可能，一般來說，研究目標(biāo)與背景紅外輻射特性必須結(jié)合大氣傳輸特性進(jìn)行研究。近幾年來，理論模型的不斷完善、大氣傳輸模式的發(fā)展結(jié)合日益強大的計算機技術(shù)，使得仿真和數(shù)值模擬軟件的仿真計算結(jié)果更趨于真實化、系統(tǒng)化，精度上越來越高。

4 紅外輻射特征建模分析

研究目標(biāo)和背景紅外特征及對比度的方法可分為兩類［14］：1）利用紅外設(shè)備進(jìn)行實際測量，該方法獲得的數(shù)據(jù)比較真實、可靠，但實驗周期長、費用高、設(shè)備復(fù)雜，國外一些國家特別是美國采用此方法較多，而我國目前還不能全面實現(xiàn)；2）理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，利用計算機仿真技術(shù)進(jìn)行模擬實驗來研究目標(biāo)的紅外輻射特性，計算結(jié)果的可靠性取決于理論模型和計算方法的完善程度，該方法不僅能快速提供相關(guān)數(shù)據(jù)，還能節(jié)省大量的人力、物力和財力，我國主要采用此方法進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

開展理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究目標(biāo)與背景紅外特征及對比度的步驟可以總結(jié)如下

1）理論計算模型的建立。包括目標(biāo)、背景的計算模型、目標(biāo)與背景耦合模型和大氣傳輸計算模型；

2）利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計算，得到目標(biāo)溫度分布；

3）依據(jù)理論計算模型結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果得出目標(biāo)、背景紅外輻射強度和特征分布，采用大氣傳輸軟件計算大氣透過率；

4）將計算所得到的目標(biāo)和背景紅外輻射特征、大氣透過率作為已知參數(shù)代入到目標(biāo)與背景耦合模型中，計算得出目標(biāo)與背景紅外特征及對比度。

4.1 目標(biāo)建模分析

影響目標(biāo)紅外輻射特征的因素可概括為兩類：一類是環(huán)境因素，包括太陽直接輻射、天空、地面背景輻射等；另一類是目標(biāo)內(nèi)在因素，包括目標(biāo)材料特性，熱源溫度等。探測器所接收到的目標(biāo)紅外輻射一般包括兩部分［15］：一部分是自身發(fā)射的紅外輻射，還有一部分是目標(biāo)表面反射周圍環(huán)境的輻射。

軍用目標(biāo)往往形狀復(fù)雜，曲面、不規(guī)則多面體繁多，而且它們之間幾何位置重疊，相互遮擋，建立的模型中包含非線性影響因素，難以通過解析方法得到模型的解。運用數(shù)值方法確定目標(biāo)的溫度分布，結(jié)合理論計算模型進(jìn)行目標(biāo)紅外特征的分析，是目前運用最適合的方法。計算流體力學(xué)軟件通過數(shù)值方法和模擬計算可以真實模擬目標(biāo)外部流場分布和各種效應(yīng)，得到目標(biāo)三維整體溫度分布和高溫排氣溫度、濃度分布，特別是隨著湍流方程的數(shù)值求解技術(shù)的不斷改進(jìn)與完善，求解的精度越來越高，已經(jīng)部分取代實驗研究［16］。

4.2 背景建模分析

背景輻射是紅外光學(xué)設(shè)備必然會接受到的輻射［17］，背景輻射的計算是影響目標(biāo)溫度場準(zhǔn)確計算的關(guān)鍵。根據(jù)目標(biāo)來分類，背景輻射包括：天空背景、海面背景和地面背景輻射。

天空背景可分為晴空和有云兩種情況。在晴空時，天空向下的背景輻射包括太陽的直接輻射、大氣本征熱輻射和大氣對太陽的散射輻射。在有云的情況下，則必須考慮云對陽光的散射和云本身的輻射。海面背景輻射取決于海面溫度和表面狀態(tài)，海水的輻射發(fā)射率隨海浪大小不斷變化。地面背景輻射由反射、散射的太陽光和自身的熱輻射組成，影響地面溫度分布和輻射特性的因素很多，如：地表形狀、植被類型等，要精確計算自然地表的溫度和紅外輻射特性，必須建立考慮各種影響因素的多維模型［18］。

4.3 耦合建模分析

目標(biāo)與背景耦合建模是指將目標(biāo)與背景紅外特征模型經(jīng)過一定的處理，依據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行合成，以達(dá)到正確分析目標(biāo)與背景紅外輻射對比特性的目的。目前，處理目標(biāo)與背景合成的方法也較多，如分別建立目標(biāo)與背景的理論計算模型，并生成紅外熱圖像，然后將目標(biāo)嵌入到背景的圖像中，對其交界邊緣進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，形成目?biāo)與背景的紅外合成圖像［19］。目前所運用的方法運算都非常復(fù)雜，有的為了簡化計算，忽略了一些影響因素，結(jié)果難以達(dá)到較高的精度。

在耦合建模的過程中必須考慮到目標(biāo)與背景之間多種形式的熱量交換，如輻射換熱、對流換熱等。在計算輻射換熱時，輻射角系數(shù)和邊界條件的確定至關(guān)重要。輻射角系數(shù)的計算方法有環(huán)路積分法、代數(shù)法、封閉空腔法、微分法和蒙特卡洛法等，其中蒙特卡洛方法比較適合表面形狀復(fù)雜的目標(biāo)。輻射換熱邊界條件的確定相當(dāng)復(fù)雜，涉及的參數(shù)繁多。一種假定參與輻射換熱的表面為均勻散射的灰體表面的方法簡化了輻射換熱的計算，但是只適合等溫均勻輻射表面。

另外，在耦合建模的過程中還需要考慮目標(biāo)的狀態(tài)。目標(biāo)存在兩種狀態(tài)：平衡態(tài)和動態(tài)。當(dāng)目標(biāo)處在平衡態(tài)時，可以認(rèn)為目標(biāo)與外界流出的能量與其所吸收的能量相等。當(dāng)目標(biāo)處于動態(tài)時，其紅外輻射特征與平衡態(tài)時有明顯的差別［20］。而且目標(biāo)運動的速度對紅外輻射特征也有影響，當(dāng)速度較低時，氣動加熱產(chǎn)生的紅外輻射可以忽略，但當(dāng)目標(biāo)運動的速度較快時，還需要考慮氣動加熱對紅外輻射的影響。這部分的計算，數(shù)學(xué)上更為復(fù)雜一些。

5 結(jié)語

雖然隨著研究方法的不斷創(chuàng)新和實驗設(shè)備，軟件平臺不斷完善，目標(biāo)與背景紅外輻射特性無論是在理論建模、實驗測量上還是在仿真模擬上都取得了很大的進(jìn)展，但是目標(biāo)與背景的關(guān)系復(fù)雜，涉及的學(xué)科領(lǐng)域交叉。不光是目標(biāo)與背景之間的相互影響的機理和規(guī)律難以把握，在動目標(biāo)與背景之間的關(guān)系處理問題上，目前還沒有得到突破性的進(jìn)展。在動目標(biāo)問題上還又牽涉到了高速運動帶來的氣動加熱，以及傳熱方式，低速運動目標(biāo)與周圍環(huán)境的傳熱方式等等，這將是研究的重點。從綜述的情況來看，今后可以在以下幾個方面繼續(xù)深入研究：

1）建立目標(biāo)與復(fù)雜背景間紅外輻射特征對比度的數(shù)據(jù)庫；

2）進(jìn)行外場實驗和理論模擬，為數(shù)據(jù)庫的建立提供更多更真實的數(shù)據(jù)；

3）加大對含有內(nèi)熱源運動目標(biāo)的研究，探索高速運動目標(biāo)與背景環(huán)境相互影響的機理和規(guī)律；

4）開發(fā)集目標(biāo)紅外輻射特征計算、各種復(fù)雜背景輻射計算、目標(biāo)與背景紅外輻射對比度計算于一體的模擬計算平臺。

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