紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)方法研究

王連振，吳晗平，李旭輝，李軍雨，王華澤

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紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)方法研究

王連振1,2，吳晗平1,2，李旭輝1,2，李軍雨1,2，王華澤2

（1. 湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 武漢工程大學(xué)光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430205）

紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)是紅外成像系統(tǒng)總體技術(shù)的重要組成部分。在對(duì)紅外成像系統(tǒng)各單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型分析比較的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種典型的紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了比較研究，并重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)和修正的點(diǎn)源、面源紅外成像系統(tǒng)作用距離方程進(jìn)行了相關(guān)探討，這為紅外成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

紅外成像系統(tǒng)；綜合性能評(píng)價(jià)；作用距離

0 引言

隨著紅外成像技術(shù)的不斷提高，紅外成像系統(tǒng)已從采用單元探測(cè)器加二維光機(jī)掃描、多元線陣探測(cè)器加一維光機(jī)掃描，發(fā)展到無需光機(jī)掃描的“凝視”型紅外成像系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于空間防御、火控、晝夜觀察、成像制導(dǎo)等領(lǐng)域[1]。如何將紅外成像系統(tǒng)所涉及的各種技術(shù)匹配設(shè)計(jì)以獲取最優(yōu)性能，始終是紅外成像系統(tǒng)發(fā)展歷程中所要解決的關(guān)鍵問題，而解決此問題就必須對(duì)其各組成模塊進(jìn)行建模仿真，由此來對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，即對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)[2-3]。

1 紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)及其分類

紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)是紅外成像總體技術(shù)的重要組成部分，指的是在目標(biāo)、背景和環(huán)境特征復(fù)雜多變的條件下，采用模擬或?qū)嶒?yàn)的方法對(duì)紅外成像系統(tǒng)各性能參數(shù)進(jìn)行有效的評(píng)估，進(jìn)而為實(shí)際系統(tǒng)的論證、設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)收提供可靠的技術(shù)支持。一般來說，評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)性能的方法主要有三種：試驗(yàn)測(cè)試法、半實(shí)物仿真法、性能理論模型法[3]。試驗(yàn)測(cè)試法難以在復(fù)雜多變的環(huán)境下進(jìn)行，使得系統(tǒng)性能評(píng)估受到很大限制，而半實(shí)物仿真法由于需要昂貴的紅外場(chǎng)景投影系統(tǒng)，且系統(tǒng)的響應(yīng)范圍受到限制，因此，對(duì)于紅外成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)通常采用性能理論模型法。

紅外系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)主要有[4-6]：光學(xué)系統(tǒng)的有效通光孔徑0和焦距0，它們是決定紅外成像系統(tǒng)性能和體積的關(guān)鍵參數(shù)；瞬時(shí)視場(chǎng)角、，它們反映紅外成像系統(tǒng)空間分辨率的高低；此外，還有觀察視場(chǎng)角H、V，幀時(shí)f和幀速，掃描效率（掃描系統(tǒng)）、探測(cè)靈敏度、滯留時(shí)間d，等。作為軍用系統(tǒng)使用的技術(shù)性能參數(shù)往往有：探測(cè)概率、識(shí)別概率、作用距離、可靠性、維修性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性，等。

紅外成像系統(tǒng)的各性能評(píng)價(jià)模型是在以上各基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步綜合分析得出的。通?？蓪⒏餍阅茉u(píng)價(jià)模型分為單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型和綜合性能評(píng)價(jià)模型。除了上面提到的單項(xiàng)技術(shù)參數(shù)可以作為系統(tǒng)的單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)外，往往把最小可分辨溫差（MRTD）、最小可探測(cè)溫差（MDTD）、噪聲等效溫差（NETD）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）等，從另外角度作為單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型。綜合性能評(píng)價(jià)模型主要有美國(guó)的1975NVL模型、FLIR92性能模型、NVTherm模型、荷蘭的TOD性能評(píng)價(jià)模型以及德國(guó)的MTDP/TRM3性能評(píng)價(jià)模型等。此外，作為眾多科研工作者研究熱點(diǎn)的作用距離一般既可作為單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型，也可作為綜合性能評(píng)價(jià)模型。

2 紅外成像系統(tǒng)單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型

紅外成像系統(tǒng)單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型多用于描述其對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的成像性能[7]，這里主要指：MRTD、MDTD、NETD和MTF等。這些參數(shù)間相互影響和制約。因此，對(duì)各單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型進(jìn)行各指標(biāo)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析將對(duì)紅外成像系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)模型的發(fā)展起到導(dǎo)向性作用。表1給出了紅外成像系統(tǒng)各單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型的對(duì)比[8-12]。

3 紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)

3.1 國(guó)外綜合性能評(píng)價(jià)

國(guó)外對(duì)紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法研究起步較早。第一套完整用于評(píng)價(jià)紅外成像系統(tǒng)的性能模型是1975年由美國(guó)陸軍夜視實(shí)驗(yàn)室提出的，于1979年經(jīng)過不斷修改和完善后，成為紅外成像系統(tǒng)性能模型評(píng)價(jià)及研究的基礎(chǔ)。隨著二代焦平面成像技術(shù)的應(yīng)用，由于該模型單考慮了時(shí)間隨機(jī)噪聲，未包含采樣效應(yīng)，因此，無法有效對(duì)空間頻率較低或較高目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了突破這一局限性，又發(fā)展了主要用于第二代熱成像系統(tǒng)的FLIR92性能模型[13-17]，該模型采用了二維MRTD，推導(dǎo)了MRTD的新方程，引入了三維噪聲模型，提出了三維噪聲因子的定義及用于MRTD、MDTD預(yù)測(cè)時(shí)的噪聲修正函數(shù)等新概念。隨著新一代的紅外成像技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)典MRTD對(duì)新一代紅外成像系統(tǒng)的性能不能給予較好的預(yù)測(cè)，因此，國(guó)際上提出了3種用于替代的性能評(píng)價(jià)模型。分別為美國(guó)的NVTherm模型、荷蘭的TOD性能評(píng)價(jià)模型以及德國(guó)的MTDP/TRM3性能評(píng)價(jià)模型。

表1 紅外成像系統(tǒng)單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型對(duì)比

3.1.1 美國(guó)的NVTherm模型

NVTherm模型是美國(guó)陸軍通訊電子指揮部夜視光電中心主要在建立新的人眼模型和壓縮MTF兩方面對(duì)FLIR92模型進(jìn)行改進(jìn)得來[18-20]。壓縮MTF的理論模型是Vollmerhausen于1999年提出的，欠采樣致使目標(biāo)獲取性能下降，導(dǎo)致空域中系統(tǒng)模糊效果增加，而在頻域中主要反映在對(duì)MTF的壓縮或擠壓。因此，可以利用壓縮因子來反映偽響應(yīng)給系統(tǒng)帶來的性能下降程度，該因子的大小取決于虛假信號(hào)、失真和混疊的程度等。定義離散采樣系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)為：

式中：f為水平方向空間頻率；MTFpost為采樣后的調(diào)制傳遞函數(shù)；MTFpre為采樣前的調(diào)制傳遞函數(shù)。定義反映虛假信號(hào)與基帶信號(hào)混淆程度的參數(shù)為：

在進(jìn)行實(shí)際目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)過程中，將采樣成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別和辨別作為虛假響應(yīng)的函數(shù)，在目標(biāo)獲取時(shí)，壓縮取決于鑒別等級(jí)。對(duì)于識(shí)別，二維壓縮因子為：

式中：SR為水平方向的虛假響應(yīng)系數(shù)；SR為垂直方向的虛假響應(yīng)系數(shù)。

NVTherm模型能夠預(yù)測(cè)高于Nyquist頻率的MRTD值，引入的視覺模型考慮了背景亮度以及人眼視覺物理效應(yīng)，相比于FLIR92模型能夠給出更好的目標(biāo)獲取性能。

3.1.2 荷蘭的TOD評(píng)價(jià)模型

TOD評(píng)價(jià)模型是由荷蘭Human Factors提出的一種表征紅外成像系統(tǒng)性能的三角方向辨別閾值法[21]。該評(píng)價(jià)模型是利用如圖1所示的三角形測(cè)試靶，通過調(diào)節(jié)三角形靶標(biāo)的大小和對(duì)比度，然后由人眼觀察采用四選一的測(cè)量過程來鑒別所給靶標(biāo)的方向，由此得到與MRTD相類似的三角形尺寸大小與閾值對(duì)比度的二維曲線，并由此來預(yù)測(cè)目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)獲取性能，比MRTD法所有的條形靶預(yù)測(cè)效果更好。

圖1 TOD法中4個(gè)不同方向（上、下、左、右）的三角形樣條

TOD法以三角形靶標(biāo)作為測(cè)試樣條、更明確的定義了觀察者任務(wù)，具有較強(qiáng)的理論優(yōu)點(diǎn)，而且該方法測(cè)量過程簡(jiǎn)單，對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程較其他模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合于掃描型、凝視型紅外成像系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)，能夠更好的對(duì)外場(chǎng)目標(biāo)的獲取性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1.3 德國(guó)的MTDP/TRM3性能模型

考慮到經(jīng)典的MRTD預(yù)測(cè)曲線限制在Nyquist頻率以內(nèi)，德國(guó)的Wittenstein于1999年提出了用于評(píng)價(jià)欠采樣紅外成像系統(tǒng)的MTDP方法，并將其用于熱范圍模型（TRM3）中。

MTDP/TRM3性能評(píng)價(jià)模型是MRTD性能評(píng)價(jià)模型的擴(kuò)展。TRM3主要用于預(yù)測(cè)紅外成像系統(tǒng)的作用距離，基于MTDP與Johnson準(zhǔn)則，對(duì)紅外成像系統(tǒng)各任務(wù)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。它是在基于4桿靶的基礎(chǔ)來測(cè)量的，但是對(duì)NVTerm的測(cè)試細(xì)節(jié)做了改進(jìn)，可以對(duì)采樣陣列系統(tǒng)的4桿靶圖案相位進(jìn)行優(yōu)化，在對(duì)于欠采樣系統(tǒng)的測(cè)量，靶標(biāo)條數(shù)的選取可能是2條也可能是3條[18,22]。

針對(duì)NVTherm/TOD/TRM33種評(píng)價(jià)模型，表2給出了這3種評(píng)價(jià)模型針對(duì)不同探測(cè)器在不同對(duì)比度區(qū)域的性能預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比[23]。

表2 NVTherm/TOD/TRM3三種評(píng)價(jià)模型不同探測(cè)器各對(duì)比度區(qū)域性能預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.2 國(guó)內(nèi)綜合性能評(píng)價(jià)

隨著我國(guó)紅外成像技術(shù)的發(fā)展，對(duì)紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)模型的研究也得到相應(yīng)的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)多家部門，如航天和航空工業(yè)集團(tuán)、兵器集團(tuán)和試驗(yàn)基地對(duì)多種武器系統(tǒng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)開展了廣泛研究，建立了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)性能評(píng)估方面，進(jìn)行了計(jì)算系統(tǒng)的作用距離，基本性能指標(biāo)和系統(tǒng)的目標(biāo)捕獲概率以及相關(guān)方面的研究。但是這些性能模型僅針對(duì)成像系統(tǒng)的靜態(tài)成像特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，而無法準(zhǔn)確描述成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成像特性及性能?？傮w上，國(guó)內(nèi)在紅外成像系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)方面的研究缺乏系統(tǒng)性[24]。

近年來，金偉其等人較系統(tǒng)地研究熱成像系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型，吸收了美國(guó)1979年模型和英國(guó)SPRITE模型，并加以研究改進(jìn)，建立了一代通用組件紅外成像系統(tǒng)的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)模型及模擬軟件，可對(duì)紅外成像系統(tǒng)的各靜態(tài)性能模型和作用距離進(jìn)行計(jì)算與預(yù)測(cè)。系統(tǒng)的完整性及工程化得到提升，該系統(tǒng)已應(yīng)用于工程實(shí)際[18,25]。楊應(yīng)槐提出了基于系統(tǒng)品質(zhì)因子的綜合性能評(píng)價(jià)模型，利用系統(tǒng)品質(zhì)因子大小，可客觀、定量地評(píng)估各種不同紅外系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，此后，吳晗平在其基礎(chǔ)上對(duì)該品質(zhì)因子進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，將探測(cè)概率與虛警率等要素綜合考慮到新的性能評(píng)價(jià)模型中，得出了更加全面的綜合性能評(píng)價(jià)模型[2,26]。

4 紅外成像系統(tǒng)作用距離

作用距離一直以來都是作為紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)模型中最重要的項(xiàng)目之一，既可作為單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，也可作為綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，一直以來都是眾科研工作者研究的重點(diǎn)，它不僅與內(nèi)部的參數(shù)有關(guān)，而且受到外部條件制約。在對(duì)紅外成像系統(tǒng)作用距離的研究中，許多科研工作者也取得了一些成果，總結(jié)與推導(dǎo)出了相應(yīng)的作用距離預(yù)測(cè)方程。

4.1 傳統(tǒng)紅外系統(tǒng)作用距離方程及其修正

4.1.1 傳統(tǒng)紅外系統(tǒng)作用距離方程

由Hudson給出的傳統(tǒng)的紅外系統(tǒng)作用距離方程[5]：

式中：NA為系統(tǒng)的數(shù)值孔徑；t為目標(biāo)輻射強(qiáng)度；為紅外系統(tǒng)的瞬時(shí)立體視場(chǎng)角。

該方程主要有三點(diǎn)不足：第一，該方程未考慮彌散效應(yīng)對(duì)點(diǎn)源作用距離的影響；第二，未考慮探測(cè)率溫度特性的影響；第三，未考慮背景輻射效應(yīng)的影響，存在一定的局限性。雖然該方程存在一定的局限性，但卻為早期紅外系統(tǒng)作用距離的預(yù)測(cè)提供了重要的理論參考。

4.1.2 修正后的紅外系統(tǒng)作用距離方程

文獻(xiàn)[4]中對(duì)傳統(tǒng)作用距離方程做了修正，得出了基于探測(cè)率溫度特性與背景影響的紅外系統(tǒng)作用距離方程：

該方程在考慮探測(cè)率溫度特性和背景的影響的情況下，對(duì)傳統(tǒng)的紅外點(diǎn)目標(biāo)作用距離方程進(jìn)行了修正。從探測(cè)率的理論基礎(chǔ)出發(fā)，引入波段探測(cè)率修正因子，并重新對(duì)紅外系統(tǒng)作用距離方程進(jìn)行了推導(dǎo)。

健全的財(cái)務(wù)管理制度規(guī)范了財(cái)務(wù)工作行為，使財(cái)務(wù)活動(dòng)得到了規(guī)范化、制度化及其標(biāo)準(zhǔn)化的管理，從而使各崗位職責(zé)清晰明了、信息對(duì)稱，增強(qiáng)了廣大干部職工的工作積極性和主動(dòng)性，使各項(xiàng)活動(dòng)能按制度有條不紊地進(jìn)行，從而使日常工作的服務(wù)效率得到切實(shí)提高。

4.2 其他變形的紅外成像系統(tǒng)作用距離方程

紅外成像系統(tǒng)作用距離方程是在紅外系統(tǒng)作用距離方程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)得到的，對(duì)于紅外成像系統(tǒng)作用距離通常分為點(diǎn)源目標(biāo)作用距離和面源目標(biāo)作用距離兩種情況。

4.2.1 紅外成像系統(tǒng)點(diǎn)源作用距離方程

紅外成像系統(tǒng)點(diǎn)源目標(biāo)作用距離在大部分文獻(xiàn)中都給出了相應(yīng)的推導(dǎo)過程，常見的有如下幾種。

1）文獻(xiàn)[1]中提出的NETD法作用距離方程：

式中：為大氣消光系數(shù)；D為目標(biāo)與背景溫差；為目標(biāo)投影面積。由上式可知，消光系數(shù)的減小對(duì)提高作用距離有利，值也是波長(zhǎng)和作用距離的函數(shù)。此外，該方程比較簡(jiǎn)單，適合點(diǎn)目標(biāo)作用距離手工計(jì)算，但是其未考慮傳遞函數(shù)的影響[27-30]。

2）文獻(xiàn)[31]中提出的考慮彌散效應(yīng)的作用距離方程：

式中：t為目標(biāo)的輻射出射度；b為自然背景亮度；s為目標(biāo)的有效輻射面積；m為彌散斑面積；M為調(diào)制對(duì)比度。該方程結(jié)合了工程實(shí)際要求，綜合考慮了背景輻射和點(diǎn)目標(biāo)成像彌散效應(yīng)影響，特別適用于紅外焦平面成像系統(tǒng)作用距離預(yù)測(cè)，但是該公式對(duì)于非水平觀測(cè)條件不能很好的給出作用距離的預(yù)測(cè)。

式中：為背景起伏系數(shù)。該方程全面考慮了目標(biāo)與背景對(duì)比度及紅外圖像空間起伏噪聲特性，對(duì)于影響紅外成像系統(tǒng)作用距離的噪聲來源做了深入分析，特別適用于凝視成像探測(cè)系統(tǒng)作用距離預(yù)測(cè)。

4.2.2 紅外成像系統(tǒng)面源作用距離方程

對(duì)于面源目標(biāo)作用距離的預(yù)測(cè)主要以系統(tǒng)的MRTD為依據(jù)，綜合考慮目標(biāo)與外場(chǎng)環(huán)境實(shí)際情況以及觀察等級(jí)和探測(cè)概率，從而計(jì)算出各不同情況下的面源作用距離，文獻(xiàn)[33]中給出了該方法的詳細(xì)介紹，其作用距離計(jì)算方程為：

式中：D0為目標(biāo)與背景的初始溫差；a()為距離上的平均大氣透射比；T為極限空間頻率。對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

式中：為目標(biāo)的臨界尺寸；c為約翰遜半周期數(shù)。

該方法對(duì)于信噪比的選取與點(diǎn)源目標(biāo)作用距離信噪比的選取不同，它是與人眼視覺判讀相關(guān)的閾值顯示信噪比，根據(jù)不同的觀察等級(jí)和探測(cè)概率取值，文獻(xiàn)[14]中給出了相應(yīng)的對(duì)照表。其中系統(tǒng)的MRTD是關(guān)于空間頻率的函數(shù)，對(duì)于確定的紅外成像系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是已知的。而對(duì)于MRTD值，在實(shí)驗(yàn)室針對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圖案可測(cè)量。通過查詢文獻(xiàn)[14]中所給出的性能與可分辨周期數(shù)的關(guān)系表，將數(shù)據(jù)代入式(10)中即可快速估算出不同探測(cè)概率以及不同探測(cè)等級(jí)下的面源目標(biāo)作用距離?？紤]到野外環(huán)境及目標(biāo)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差，文獻(xiàn)[1]給出了對(duì)目標(biāo)外形尺寸以及野外環(huán)境目標(biāo)溫度修正因子，使得該方法對(duì)面源目標(biāo)作用距離的估算更加精確。

5 結(jié)束語(yǔ)

紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)方法的研究對(duì)紅外成像總體技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的作用。國(guó)外對(duì)該技術(shù)的研究起步較早，研究成果較國(guó)內(nèi)先進(jìn)。未來紅外成像系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)方法主要圍繞單項(xiàng)性能評(píng)價(jià)與綜合性能評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合、靜態(tài)性能評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)有效互補(bǔ)、理論模型法和實(shí)物仿真法綜合運(yùn)用等方面展開。這將對(duì)紅外成像總體技術(shù)的發(fā)展提供可靠的理論基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支持。

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Research on the Methods of IR Imaging System Comprehensive Performance Evaluation

WANG Lian-zhen1,2，WU Han-ping1,2，LI Xu-hui1,2，LI Jun-yu1,2，WANG Hua-ze2

(1.,411105,; 2.,,430205,)

Infrared imaging system performance evaluation is an important part of the overall technology of infrared imaging system. On the basis of analysis and comparison of each individual infrared imaging system performance model, the paper comparatively researches the comprehensive performance evaluation of several typical models at home or abroad, and mainly discusses the effects of traditional and modified point source, non-point source operating-range equations of infrared imaging system, which would provide reliable theoretical basis for infrared imaging system performance evaluation with certain practical guiding significance for the design of infrared imaging system.

infrared imaging system，comprehensive performance evaluation，operating range

TN216

A

1001-8891(2015)01-0057-06

2014-09-28；

2014-11-11.

王連振（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外成像系統(tǒng)總體技術(shù)。E-mail：535217024@qq.com。

吳晗平（1964-），男，湖南澧縣人，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楣怆娮酉到y(tǒng)總體技術(shù)及設(shè)計(jì)。E-mail：wuhanping601@sina.com。