紅外成像跟蹤系統(tǒng)作用距離等效測(cè)試方法與驗(yàn)證

申子卿，王德飛，楚振鋒

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng)471003)

1 引言

作用距離是衡量紅外成像跟蹤系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)之一，對(duì)地面目標(biāo)作用距離的遠(yuǎn)近直接影響到系統(tǒng)采集紅外圖像的像質(zhì)，進(jìn)而影響系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的提取與識(shí)別。目前，紅外成像跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別依靠操控人員的目視判斷，目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的作用距離主要與目標(biāo)輻射強(qiáng)度、大氣透過(guò)率、系統(tǒng)探測(cè)靈敏度等因素有關(guān)，因此對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)作用距離的測(cè)試是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題［1］。

紅外成像跟蹤系統(tǒng)性作用距離的指標(biāo)要求是典型環(huán)境下的典型參數(shù)(即在一定的溫度、濕度、能見(jiàn)度條件下能達(dá)到的指標(biāo)參數(shù))。由于受試驗(yàn)時(shí)間和環(huán)境等因素的限制，構(gòu)建并按照典型環(huán)境要求進(jìn)行紅外成像跟蹤系統(tǒng)性能的評(píng)估比較困難［2］。本文提出一種基于目標(biāo)成像像素大小和目標(biāo)與背景圖像反差不變的近距小目標(biāo)小溫差室內(nèi)等效測(cè)試方法，同時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境條件下，對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)的作用距離進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)作用距離相對(duì)準(zhǔn)確的全面評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)室等效測(cè)試

紅外成像跟蹤系統(tǒng)接收目標(biāo)輻射源的能量與其間的距離有關(guān)，在某一距離上接收到的目標(biāo)輻射剛好能達(dá)到預(yù)期的使用效果，此距離就稱為系統(tǒng)的作用距離［3－4］。

2．1 等效測(cè)試?yán)碚摲治?/h3>

鑒于典型測(cè)試環(huán)境構(gòu)設(shè)復(fù)雜，成本高，可首先通過(guò)近距小目標(biāo)小溫差的替代試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。要用近距離目標(biāo)替代遠(yuǎn)距離目標(biāo)試驗(yàn)，必須保證近距離處目標(biāo)成像像素大小和目標(biāo)與背景的圖像反差不變，要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和穩(wěn)定跟蹤，首先合作目標(biāo)必須要有一定的像素大小，根據(jù)折算得到近距離處目標(biāo)成像的像素?cái)?shù)不小于4×4;其次，由于受大氣傳輸?shù)挠绊?，近距離處要保證目標(biāo)與背景的圖像反差不變，必須減小目標(biāo)與背景的溫差，使熱像儀鏡頭處得到的目標(biāo)輻射照度增量不變。目標(biāo)背景溫差折算關(guān)系如下［5－6］:

面輻射源在中心法線上的輻射照度有如下公式:

式中，r為輻射源到接收探測(cè)器的距離;E為接收點(diǎn)的照度;S為輻射源面積;T為輻射源溫度;τa大氣透過(guò)率。

假設(shè)被測(cè)目標(biāo)位于遠(yuǎn)距離處，目標(biāo)面積為S1，背景溫度(目標(biāo)初始溫度)為T(mén)1，目標(biāo)背景溫差為ΔT1，目標(biāo)距離為r1，大氣透過(guò)率為τa1;被測(cè)目標(biāo)位于近距離處，目標(biāo)面積為S2，背景溫度(目標(biāo)初始溫度)為T(mén)2，目標(biāo)背景溫差為ΔT2，目標(biāo)距離為r2，大氣透過(guò)率為τa2。

遠(yuǎn)距離時(shí)，紅外成像跟蹤系統(tǒng)熱像儀鏡頭處得到的照度和照度增量為:

近距離時(shí)，紅外成像跟蹤系統(tǒng)熱像儀鏡頭處得到的照度和照度增量為:

要使熱像儀遠(yuǎn)近距離成像時(shí)目標(biāo)與背景的圖像反差不變，必須使鏡頭處得到的照度增量不變(ΔE1=ΔE2)，于是有下式:

由于遠(yuǎn)近成像像素不變，即目標(biāo)所占視場(chǎng)角不變，則有:

式中，T1、T2為同一背景溫度。τa1、τa2、ΔT1已知，通過(guò)公式(8)可求得近距離處目標(biāo)背景溫差ΔT2。

2．2 等效測(cè)試方法

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)檢測(cè)所需求的特定環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用紅外參數(shù)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，以檢測(cè)設(shè)備的作用距離。通過(guò)調(diào)整紅外參數(shù)校準(zhǔn)裝置與合作目標(biāo)的距離，使合作目標(biāo)在紅外參數(shù)校準(zhǔn)裝置焦平面上成像的像素?cái)?shù)不小于4×4;同時(shí)設(shè)定合作目標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫差為ΔT2。因此在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中如果合作目標(biāo)靶的溫度在不大于T2+ΔT2條件下，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，說(shuō)明該系統(tǒng)的作用距離達(dá)到15 km的指標(biāo)要求。

具體測(cè)試過(guò)程如下:

(1)紅外熱像儀參數(shù)校準(zhǔn)裝置加電工作;

(2)紅外成像跟蹤系統(tǒng)加電工作，瞄準(zhǔn)目標(biāo)靶面，切換視場(chǎng)并調(diào)整焦距直至完全觀測(cè)黑體目標(biāo)靶面大小且成像清晰;

(3)手動(dòng)控制中波紅外成像跟蹤系統(tǒng)鎖定合作目標(biāo)，切換跟蹤模式使系統(tǒng)對(duì)合作目標(biāo)靶面進(jìn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，觀察系統(tǒng)對(duì)合作目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性;

(4)重復(fù)步驟(3)，改變對(duì)系統(tǒng)的跟蹤方式(如相關(guān)、邊緣和形心)，如果紅外成像跟蹤系統(tǒng)能穩(wěn)定跟蹤合作目標(biāo)，則作用距離滿足指標(biāo)要求;

(5)測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，滿足作用距離指標(biāo)要求。

3 遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)作用距離受較多因素影響，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室作用距離測(cè)試的基礎(chǔ)上，還需通過(guò)空中動(dòng)態(tài)測(cè)試來(lái)評(píng)估紅外成像系統(tǒng)的作用距離，其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境模擬逼真，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，評(píng)估結(jié)果可信，缺點(diǎn)是試驗(yàn)費(fèi)用高，靈活性差。

根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)，在紅外成像跟蹤系統(tǒng)對(duì)地面目標(biāo)探測(cè)跟蹤試驗(yàn)中，作用距離動(dòng)態(tài)測(cè)試原理圖如圖1所示，地面上搭建一個(gè)紅外分辨率合作目標(biāo)靶，靶板上均勻安放輻射功率基本一致的輻射源，輻射源與環(huán)境的溫差可以人為控制，紅外成像跟蹤系統(tǒng)安裝在升空平臺(tái)上，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信鏈路與地面監(jiān)視操控設(shè)備連接，升空平臺(tái)按照既定航線飛行過(guò)程中，利用紅外成像跟蹤系統(tǒng)對(duì)靶板進(jìn)行探測(cè)識(shí)別與跟蹤，以地面操控人員識(shí)別和穩(wěn)定跟蹤合作目標(biāo)靶板為準(zhǔn)，通過(guò)通信鏈路記錄下當(dāng)時(shí)紅外成像跟蹤系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)(包括經(jīng)緯度和海拔高程)。根據(jù)靶板位置坐標(biāo)和紅外成像跟蹤系統(tǒng)GPS的數(shù)據(jù)，計(jì)算紅外成像跟蹤系統(tǒng)的最大識(shí)別跟蹤距離。

試驗(yàn)布局及航線設(shè)計(jì)如圖2所示，紅外合作目標(biāo)架設(shè)在T(XT，YT)點(diǎn)，朝向正南正北方向。升空平臺(tái)起飛后飛行H(km)到達(dá)A點(diǎn)(海拔900 m)后轉(zhuǎn)向并懸停，操控紅外成像跟蹤系統(tǒng)迎頭瞄準(zhǔn)合作目標(biāo)所在位置的大致方向，然后升空平臺(tái)以勻速由A點(diǎn)向目標(biāo)飛行，通過(guò)顯控單元的視頻圖像場(chǎng)景人工搜索目標(biāo)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后人工捕獲并切換到自動(dòng)跟蹤模式，穩(wěn)定跟蹤時(shí)記錄該幀圖像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的平臺(tái)位置G(Xg，Yg)。

圖1 作用距離測(cè)試原理圖

圖2 試驗(yàn)布局及航線示意圖

根據(jù)對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)作用距離的測(cè)試要求，選擇滿足條件的天氣，控制升空平臺(tái)不同航次的飛行高度和飛行速度，分別進(jìn)行作用距離測(cè)試，記錄下當(dāng)時(shí)紅外成像跟蹤系統(tǒng)對(duì)地面合作目標(biāo)靶識(shí)別并穩(wěn)定跟蹤時(shí)的位置信息。根據(jù)公式(9)進(jìn)行計(jì)算，采取求平均值的方法得到可信度較高穩(wěn)定跟蹤距離:

其中，X、Y為各點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo);h為平臺(tái)海拔高度;h0為合作目標(biāo)靶板位置的海拔高度(本次測(cè)試位置海拔為524 m，地球平均半徑6371．004 km)。

選擇試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中如圖3所示的兩個(gè)有代表性穩(wěn)定跟蹤架次，根據(jù)紅外合作目標(biāo)的位置(E 113．602535°，N 36．11899°)和表1提供的兩次系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤時(shí)的平臺(tái)位置數(shù)據(jù)。由公式(9)計(jì)算兩次穩(wěn)定跟蹤的平均距離為12．495 km和12．466 km?？紤]到試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)的大氣能見(jiàn)度、環(huán)境溫濕度及合作目標(biāo)尺寸與指標(biāo)要求的差別，采用公式(10)進(jìn)行等效折算［7－8］即可得到指標(biāo)要求條件下的穩(wěn)定跟蹤距離，經(jīng)過(guò)折算得到的穩(wěn)定跟蹤距離不小于15 km，滿足指標(biāo)要求。

圖3 系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)圖像

其中，L為穩(wěn)定跟蹤距離;A為合作目標(biāo)面積;τ為大氣對(duì)紅外波段的平均透過(guò)率;M為合作目標(biāo)的輻射出射度;ΔT為合作目標(biāo)與環(huán)境的溫差(下標(biāo)zb為指標(biāo)規(guī)定條件;sc為實(shí)測(cè)條件)。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)時(shí)平臺(tái)特征參量

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于對(duì)紅外成像跟蹤系統(tǒng)作用距離測(cè)試相對(duì)復(fù)雜，本文提出了基于合作目標(biāo)成像像素大小和目標(biāo)與背景圖像反差不變的近距小目標(biāo)小溫差等效測(cè)試方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室等效測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，等效測(cè)試方法能夠?qū)t外成像跟蹤系統(tǒng)的作用距離進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估。

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