動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)

王 偉，李 崗，侯亞麗，焦景欣

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，由于紅外系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)被熱紅外系統(tǒng)探測(cè)的可能性和受紅外制導(dǎo)武器攻擊的危險(xiǎn)性越來越大［1］；作為對(duì)抗熱紅外偵察和攻擊的有效手段，熱紅外偽裝技術(shù)得到了迅猛發(fā)展［2］。熱紅外偽裝技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是建立通用的熱紅外隱身效能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)于論證和研制紅外偽裝器材，正確實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)熱紅外偽裝具有十分重要的意義［3］。

美國(guó)、俄羅斯等軍備技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家在大力發(fā)展隱身技術(shù)的同時(shí)，也投入了大量的人力和物力，對(duì)隱身效果評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并且應(yīng)用于新型隱身武器裝備的研制開發(fā)和隱身性能評(píng)估中［4－6］。國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究起步較晚，現(xiàn)有的測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)大多是對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的目標(biāo)進(jìn)行的紅外輻射特性測(cè)試，主要采用兩種測(cè)試技術(shù)手段：一種是采用K型熱電偶、照度計(jì)、點(diǎn)溫計(jì)及數(shù)據(jù)采集器對(duì)坦克車輛紅外輻射特性進(jìn)行測(cè)試與分析，獲取靜止的坦克在發(fā)動(dòng)機(jī)工作或不工作兩種狀態(tài)下的紅外輻射特性［7］，該測(cè)試系統(tǒng)并沒有考慮到在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下坦克目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與地面背景進(jìn)行熱交換等相互作用帶來的影響。另一種是利用紅外成像裝置對(duì)目標(biāo)和背景進(jìn)行探測(cè)，形成紅外熱圖像，通過人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)或識(shí)別，確定目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率［8］，由于人為因素，這種技術(shù)手段獲得的結(jié)果具有很大的不確定性。因此，本文設(shè)計(jì)了一種利用光電自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，測(cè)試采集動(dòng)態(tài)地面目標(biāo)熱紅外圖像信息，通過后期圖像處理，得到目標(biāo)隱身效能的動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1 隱身效能測(cè)試基礎(chǔ)

1.1 光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)

光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是集光、機(jī)、電與計(jì)算機(jī)應(yīng)用于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是靶場(chǎng)測(cè)量設(shè)備、光電跟蹤測(cè)量設(shè)備、天文觀測(cè)設(shè)備、航空航天領(lǐng)域、激光通訊設(shè)備、光電捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)設(shè)備等不可缺少的關(guān)鍵硬件系統(tǒng)［9］。跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)用途不同分為地平式、赤道式；地平式又分為U型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、球形結(jié)構(gòu)。其由精密跟蹤架、搭載設(shè)備、變焦距捕獲跟蹤電視系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)、測(cè)角系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、操作控制臺(tái)等部件組成。光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)、捕獲電視的承載平臺(tái)；實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤與測(cè)量，并給出目標(biāo)的俯仰和方位角。

1.2 紅外探測(cè)

紅外探測(cè)利用紅外系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。紅外系統(tǒng)通常由光學(xué)鏡頭、紅外探測(cè)器、電子線路（信號(hào)處理系統(tǒng)）、機(jī)械傳動(dòng)裝置、制冷器和記錄或顯示設(shè)備（裝置）等構(gòu)成（見圖1）。目前，紅外系統(tǒng)多種多樣，而最常見的紅外系統(tǒng)是熱成像系統(tǒng)，如紅外行掃儀、平臺(tái)用熱像儀、便攜式熱像儀、熱成像制導(dǎo)系統(tǒng)、測(cè)輻射計(jì)、搜索與跟蹤系統(tǒng)等［10］。

圖1 紅外系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Infrared system theory

紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)的核心部件，它的性能決定紅外系統(tǒng)的好壞。紅外探測(cè)器是一種光－電或熱－電轉(zhuǎn)換器件，能使入射到它上面的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)。按照功能和原理不同，紅外探測(cè)器可分為點(diǎn)源式探測(cè)器和成像探測(cè)器兩大類。其中，點(diǎn)源式探測(cè)器只能探測(cè)紅外線的有無和強(qiáng)弱，而不反映目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和形狀。用于實(shí)戰(zhàn)的紅外探測(cè)器通常為紅外成像探測(cè)器，它不僅能探測(cè)到紅外輻射信號(hào)的強(qiáng)弱，而且能夠獲得紅外目標(biāo)的圖像。

1.3 激光測(cè)距

激光測(cè)距是通過測(cè)量光在參考點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)之間的往返傳播時(shí)間，由簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系即可計(jì)算出目標(biāo)和參考點(diǎn)之間距離的一種技術(shù)［11］。激光測(cè)距的基本原理如圖2所示。測(cè)距機(jī)由激光發(fā)射系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)組成（如圖中虛線框所示）。工作時(shí)，激光器發(fā)射激光，光束穿過大氣到達(dá)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射后返回，并由探測(cè)器接收。測(cè)出從激光發(fā)射到反射光被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)中最基本的關(guān)系即可求出目標(biāo)的距離。

圖2 激光測(cè)距原理圖Fig.2 Laser range－find

2 動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)由光電自動(dòng)跟蹤模塊、紅外熱像采集模塊、激光測(cè)距模塊和后期對(duì)采集的熱紅外圖像隱身效能分析評(píng)價(jià)軟件模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)光電自動(dòng)跟蹤平臺(tái)具體組成如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Test system structure

測(cè)試跟蹤模塊由光電自動(dòng)跟蹤平臺(tái)、捕獲跟蹤電視系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。捕獲跟蹤電視系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)圖像進(jìn)行識(shí)別和處理，實(shí)時(shí)給出目標(biāo)脫靶量，由脫靶量參數(shù)通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟蹤架對(duì)目標(biāo)的平穩(wěn)跟蹤?？刂葡到y(tǒng)承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、信息管理和實(shí)時(shí)控制任務(wù)。紅外熱像采集模塊包括長(zhǎng)焦距紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外熱像儀及其后的控制采集軟件。在電視跟蹤系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后，由主控計(jì)算機(jī)對(duì)紅外熱像采集系統(tǒng)發(fā)送工作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行紅外成像測(cè)試采集，實(shí)時(shí)給出目標(biāo)紅外熱圖。激光測(cè)距模塊由脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)及控制采集系統(tǒng)組成，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，并記錄距離信息。測(cè)量前要校準(zhǔn)捕獲電視跟蹤系統(tǒng)光軸、熱像儀光學(xué)系統(tǒng)光軸和激光測(cè)距機(jī)光軸，嚴(yán)格保證三者同軸。

分析軟件模塊通過插值處理，對(duì)視頻數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值運(yùn)算處理，使紅外熱圖數(shù)據(jù)的幀頻能一一對(duì)應(yīng)距離數(shù)據(jù)。而后利用對(duì)比測(cè)量評(píng)價(jià)方法，研究度量相同狀態(tài)涂裝隱身涂層前后目標(biāo)與背景之間的紅外輻射特征對(duì)比度及目標(biāo)的有效隱身效率，最終形成裝甲車輛動(dòng)態(tài)隱身效能評(píng)價(jià)技術(shù)。

2.2 評(píng)價(jià)原理

動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)系統(tǒng)僅對(duì)靜態(tài)地面目標(biāo)或利用人眼進(jìn)行隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)的缺陷，提出一種在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下，地面目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)避免了通過人眼識(shí)別而產(chǎn)生的較大不確定因素。

本測(cè)試系統(tǒng)是在研究目標(biāo)特性的基礎(chǔ)上，利用集成的動(dòng)態(tài)隱身效能測(cè)試平臺(tái)，通過形心、相關(guān)、邊緣跟蹤處理方式對(duì)動(dòng)態(tài)地面目標(biāo)進(jìn)行捕獲跟蹤。該平臺(tái)具有記憶外推跟蹤功能，可實(shí)現(xiàn)捕獲目標(biāo)后對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。采用比對(duì)測(cè)量法（即分別對(duì)涂／未涂隱身涂層目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)紅外隱身效能對(duì)比測(cè)試），對(duì)涂裝和未涂裝隱身涂層的地面目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。通過激光測(cè)距機(jī)的精確測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)涂／未涂地面目標(biāo)的定位，采集運(yùn)動(dòng)中帶距離信息的地面目標(biāo)熱紅外圖像信息。利用目標(biāo)和背景灰度均值對(duì)比度C 的計(jì)算公式［12－13］：

紅外隱身效率γ的計(jì)算公式：

式（2）中，γ為紅外隱身效率；W 表示所選目標(biāo)與背景灰度均值對(duì)比度C總量；W′表示目標(biāo)隱身后目標(biāo)／背景的灰度均值對(duì)比度降低的數(shù)量。

經(jīng)過專用的圖像識(shí)別評(píng)價(jià)軟件分析處理，將含有相同距離信息的涂／未涂地面目標(biāo)熱紅外圖像對(duì)比分析，確定熱圖的識(shí)別特性及提取方法，得出涂／未涂運(yùn)動(dòng)地面目標(biāo)的識(shí)別概率，完成動(dòng)態(tài)地面目標(biāo)紅外隱身效能分析，最終形成動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

2.3 工作流程

動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.4 Work process of test system

該測(cè)試系統(tǒng)主要工作過程由兩部分組成：測(cè)試采集和后期的數(shù)據(jù)處理過程。測(cè)試采集過程主要分為三步：1）通過電視跟蹤系統(tǒng)采集目標(biāo)與背景的視頻信號(hào)，利用圖像處理算法，給出目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置，進(jìn)而把目標(biāo)的位置信息傳送給主控系統(tǒng)；2）主控系統(tǒng)根據(jù)電視跟蹤系統(tǒng)提供的目標(biāo)位置信息，經(jīng)過角度合成和預(yù)測(cè)，驅(qū)動(dòng)控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，使目標(biāo)穩(wěn)定地處于視場(chǎng)中心，同時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的角度位置信息傳給主控系統(tǒng)以調(diào)整、控制和記錄；3）在二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)鎖定目標(biāo)之后，主控系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)控制指令，驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距系統(tǒng)和紅外探測(cè)與采集系統(tǒng)工作，并采集、記錄這兩個(gè)系統(tǒng)傳送回來的測(cè)試信息。

含有距離信息的動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外視頻熱圖序列通過專用的圖像識(shí)別評(píng)價(jià)軟件進(jìn)行分析處理：

1）調(diào)用采集的動(dòng)態(tài)目標(biāo)紅外視頻圖像序列和距離數(shù)據(jù)，并對(duì)其作初步選??；2）利用插值處理模塊對(duì)視頻數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值運(yùn)算處理，使紅外熱圖數(shù)據(jù)的幀頻能一一對(duì)應(yīng)距離數(shù)據(jù)；3）對(duì)匹配后的紅外圖像進(jìn)行目標(biāo)／背景區(qū)提取，分離出目標(biāo)和背景，計(jì)算兩者灰度平均值，再由式（1）得出目標(biāo)和背景灰度均值對(duì)比度C；4）最后，由式（2）計(jì)算目標(biāo)涂裝隱身涂層后的隱身效率即目標(biāo)和背景灰度均值對(duì)比度降低的概率，即紅外隱身效率，是評(píng)價(jià)目標(biāo)隱身效能好壞的依據(jù)，越大，隱身效果越好。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試與結(jié)果分析

利用動(dòng)態(tài)目標(biāo)熱紅外涂層隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)坦克目標(biāo)進(jìn)行涂裝隱身涂層前后的動(dòng)態(tài)某波段紅外特征測(cè)試。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局如圖5所示。

本次試驗(yàn)所用熱像儀采集的幀頻紅外熱圖大小為320×240像素，灰度取值范圍為0～255。試驗(yàn)分別在側(cè)向、正向測(cè)試點(diǎn)共采集了20組未涂裝和涂裝坦克的運(yùn)動(dòng)熱像及距離數(shù)據(jù)。圖6為在同一位置采集的側(cè)向未涂／涂裝坦克紅外熱圖。試驗(yàn)中，涂裝和未涂裝的測(cè)試條件如表1所示。利用式（1）計(jì)算目標(biāo)／背景熱像圖的灰度均值對(duì)比度，得到如表2所示的結(jié)果。注：目標(biāo)的紅外隱身涂層效能與其所處的環(huán)境密切相關(guān)。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖Fig.5 Test layout

圖6 未涂／涂裝坦克某紅外波段側(cè)向熱圖Fig.6 Infrared side elevations of without coat and coat tank

表1 試驗(yàn)環(huán)境狀況表Tab.1 Test environment statue

表2 動(dòng)態(tài)隱身測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果表Tab.2 Dynamic stealth test data and result

從表2中可以看到，在所有的18組測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比中，涂裝隱身涂層后的目標(biāo)／背景的灰度均值對(duì)比度有9組出現(xiàn)了增大的情況，出現(xiàn)降低的數(shù)據(jù)組只有9組且降低比率也很小。再根據(jù)式（2）計(jì)算得出紅外隱身效率γ＝0.5。證明：本次紅外隱身涂裝方案在該試驗(yàn)環(huán)境中沒有達(dá)到隱身效果，該隱身方案不適合此背景環(huán)境中的紅外隱身。

由上述測(cè)試及結(jié)果分析可以看出，目標(biāo)熱紅外涂層動(dòng)態(tài)隱身效能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)滿足對(duì)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下動(dòng)態(tài)地面目標(biāo)的隱身涂層效能測(cè)試，且利用專用的圖像識(shí)別評(píng)價(jià)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)隱身效能評(píng)價(jià)，避免了人眼識(shí)別產(chǎn)生的誤差。

4 結(jié)論

本文提出了一種測(cè)試坦克裝甲車等地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)熱紅外隱身涂層，并分析給出隱身效果性能好壞的自動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)。系統(tǒng)由紅外熱像采集模塊、激光測(cè)距模塊、光電自動(dòng)跟蹤測(cè)試平臺(tái)和后期對(duì)采集的熱紅外圖像隱身效能分析評(píng)價(jià)軟件構(gòu)成。通過對(duì)坦克動(dòng)態(tài)隱身涂層效能測(cè)試評(píng)價(jià)證明：本系統(tǒng)適用于評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)地面目標(biāo)熱紅外涂層的隱身偽裝效果，也能對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。該測(cè)試系統(tǒng)解決了在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境下，坦克裝甲車目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的隱身效能評(píng)價(jià)，避免了通過人眼識(shí)別而產(chǎn)生較大不確定因素的缺陷。

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