可見光系統(tǒng)探測能力的分析研究

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法：一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算，這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標考核，該方法最直觀，但是代價最大;三是參考同類型設備的試驗數(shù)據(jù)，由于目標和天氣條件的千差萬別，需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析的方法，計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號：V556 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻;三是通過同類設備類比的方法，由于實驗環(huán)境和目標特性以及設備參數(shù)等千差萬別，因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累，這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型，借以衡量系統(tǒng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，以低仰角海面目標為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1：8的可見光系統(tǒng)，在大氣水平能見度大于12 km，觀測方向與太陽夾角大于30°，太陽高角大于5°條件下，對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標，要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標等多方面限制很難有真實的目標和理想的天氣條件進行作用距離試驗，因此我們選取一遠距離靶標進行了測距試驗，試驗條件如下：

日期：6月下旬;

地點：沿海海邊;

氣象條件：溫度20℃～31℃，多云，東風3～4級。輕霧，目視分辨目標較困難;

時間：下午6時許，太陽高角小于5°，而且目標觀測仰角2°左右。

試驗目標：靶標球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那?，也可看到支撐球體的支桿，可以有效提取目標。當時的天氣條件遠比指標要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗目標，沒有嚴格的限定試驗條件和實驗目標。下面我們在此試驗的基礎上推導指標條件下，相應的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1）計算條件：

①目標經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應滿足可見光電視處理器提取信號的要求，目標像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標與背景對比度滿足信號提取要求，即大

于5%。

2）目標在像面上產(chǎn)生的照度：

式中：

—目標反射太陽光的光強度;

—目標反射系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學系統(tǒng)對目標的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光學系統(tǒng)透過率;

—光學系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—光學系統(tǒng)焦距。

目標與背景的對比度：

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式，需要首先滿足目標成像尺寸大于2×2個像素。

1）目標在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到：

對于直徑0.4 m的目標，在800 mm焦距和目標距離10 km時，成像所占像元數(shù)為4×4個像元。可以發(fā)現(xiàn)并提取目標。

2）不同條件下的目標照度。

估算作用距離時，除了應滿足目標成像尺寸的條件外，探測能力只與目標照度有關。而影響目標照度的關鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1，再計算指標條件時10 km遠的大氣透過率τ2，如果τ2>τ1，就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2，記錄當τ2=τ1時的距離，此即為設備的極限作用距離。

下面具體計算指標條件下的作用距離。

大氣透過率的估算：在輕霧天時，應用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時，目標為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知，能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時，得出的距離既是設備的極限作用距離。即設備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻，難以滿足;三是通過同類項目比對，該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

[1]季云松，張凱.自然光照下目標的光學特征仿真[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空間目標的光學特性分析[J].光學工程，1989（2）：21-26.

[3]韓根甲.艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代防御技術，2007，35（3）：109-116.

作者簡介

楊立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究員，2005年于長春理工大學獲得碩士學位，現(xiàn)在中科院長春光機所工作，主要從事光電測量與總體設計方面的研究。endprint

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法：一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算，這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標考核，該方法最直觀，但是代價最大;三是參考同類型設備的試驗數(shù)據(jù)，由于目標和天氣條件的千差萬別，需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析的方法，計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號：V556 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻;三是通過同類設備類比的方法，由于實驗環(huán)境和目標特性以及設備參數(shù)等千差萬別，因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累，這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型，借以衡量系統(tǒng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，以低仰角海面目標為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1：8的可見光系統(tǒng)，在大氣水平能見度大于12 km，觀測方向與太陽夾角大于30°，太陽高角大于5°條件下，對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標，要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標等多方面限制很難有真實的目標和理想的天氣條件進行作用距離試驗，因此我們選取一遠距離靶標進行了測距試驗，試驗條件如下：

日期：6月下旬;

地點：沿海海邊;

氣象條件：溫度20℃～31℃，多云，東風3～4級。輕霧，目視分辨目標較困難;

時間：下午6時許，太陽高角小于5°，而且目標觀測仰角2°左右。

試驗目標：靶標球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那颍部煽吹街吻蝮w的支桿，可以有效提取目標。當時的天氣條件遠比指標要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗目標，沒有嚴格的限定試驗條件和實驗目標。下面我們在此試驗的基礎上推導指標條件下，相應的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1）計算條件：

①目標經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應滿足可見光電視處理器提取信號的要求，目標像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標與背景對比度滿足信號提取要求，即大

于5%。

2）目標在像面上產(chǎn)生的照度：

式中：

—目標反射太陽光的光強度;

—目標反射系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學系統(tǒng)對目標的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光學系統(tǒng)透過率;

—光學系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—光學系統(tǒng)焦距。

目標與背景的對比度：

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式，需要首先滿足目標成像尺寸大于2×2個像素。

1）目標在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到：

對于直徑0.4 m的目標，在800 mm焦距和目標距離10 km時，成像所占像元數(shù)為4×4個像元?？梢园l(fā)現(xiàn)并提取目標。

2）不同條件下的目標照度。

估算作用距離時，除了應滿足目標成像尺寸的條件外，探測能力只與目標照度有關。而影響目標照度的關鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1，再計算指標條件時10 km遠的大氣透過率τ2，如果τ2>τ1，就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2，記錄當τ2=τ1時的距離，此即為設備的極限作用距離。

下面具體計算指標條件下的作用距離。

大氣透過率的估算：在輕霧天時，應用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時，目標為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知，能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時，得出的距離既是設備的極限作用距離。即設備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻，難以滿足;三是通過同類項目比對，該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

[1]季云松，張凱.自然光照下目標的光學特征仿真[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空間目標的光學特性分析[J].光學工程，1989（2）：21-26.

[3]韓根甲.艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代防御技術，2007，35（3）：109-116.

作者簡介

楊立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究員，2005年于長春理工大學獲得碩士學位，現(xiàn)在中科院長春光機所工作，主要從事光電測量與總體設計方面的研究。endprint

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法：一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算，這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標考核，該方法最直觀，但是代價最大;三是參考同類型設備的試驗數(shù)據(jù)，由于目標和天氣條件的千差萬別，需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析的方法，計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號：V556 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻;三是通過同類設備類比的方法，由于實驗環(huán)境和目標特性以及設備參數(shù)等千差萬別，因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累，這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型，借以衡量系統(tǒng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，以低仰角海面目標為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1：8的可見光系統(tǒng)，在大氣水平能見度大于12 km，觀測方向與太陽夾角大于30°，太陽高角大于5°條件下，對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標，要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標等多方面限制很難有真實的目標和理想的天氣條件進行作用距離試驗，因此我們選取一遠距離靶標進行了測距試驗，試驗條件如下：

日期：6月下旬;

地點：沿海海邊;

氣象條件：溫度20℃～31℃，多云，東風3～4級。輕霧，目視分辨目標較困難;

時間：下午6時許，太陽高角小于5°，而且目標觀測仰角2°左右。

試驗目標：靶標球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那颍部煽吹街吻蝮w的支桿，可以有效提取目標。當時的天氣條件遠比指標要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗目標，沒有嚴格的限定試驗條件和實驗目標。下面我們在此試驗的基礎上推導指標條件下，相應的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1）計算條件：

①目標經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應滿足可見光電視處理器提取信號的要求，目標像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標與背景對比度滿足信號提取要求，即大

于5%。

2）目標在像面上產(chǎn)生的照度：

式中：

—目標反射太陽光的光強度;

—目標反射系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學系統(tǒng)對目標的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光學系統(tǒng)透過率;

—光學系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學系統(tǒng)通光口徑;

—光學系統(tǒng)焦距。

目標與背景的對比度：

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式，需要首先滿足目標成像尺寸大于2×2個像素。

1）目標在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到：

對于直徑0.4 m的目標，在800 mm焦距和目標距離10 km時，成像所占像元數(shù)為4×4個像元?？梢园l(fā)現(xiàn)并提取目標。

2）不同條件下的目標照度。

估算作用距離時，除了應滿足目標成像尺寸的條件外，探測能力只與目標照度有關。而影響目標照度的關鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1，再計算指標條件時10 km遠的大氣透過率τ2，如果τ2>τ1，就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2，記錄當τ2=τ1時的距離，此即為設備的極限作用距離。

下面具體計算指標條件下的作用距離。

大氣透過率的估算：在輕霧天時，應用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時，目標為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知，能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時，得出的距離既是設備的極限作用距離。即設備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中，評價系統(tǒng)能力的一項重要指標是作用距離，該指標表征系統(tǒng)的對特定目標的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標特性的條件下，推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法，一是假定大氣條件，利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標進行實際考核，該方法最直觀，但是代價最大，而且條件苛刻，難以滿足;三是通過同類項目比對，該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法，既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎上結(jié)合理論分析并通過其他目標驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離，給出系統(tǒng)的極限探測能力，是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

[1]季云松，張凱.自然光照下目標的光學特征仿真[J].紅外與激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空間目標的光學特性分析[J].光學工程，1989（2）：21-26.

[3]韓根甲.艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代防御技術，2007，35（3）：109-116.

作者簡介

楊立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究員，2005年于長春理工大學獲得碩士學位，現(xiàn)在中科院長春光機所工作，主要從事光電測量與總體設計方面的研究。endprint