多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)的夜視成像差異分析

朱小紅，藺素珍，王棟娟

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多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)的夜視成像差異分析

朱小紅，藺素珍，王棟娟

（中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原，030051）

通過分析在夜視條件下短波紅外、中波紅外和長波紅外點(diǎn)目標(biāo)輻射成像機(jī)理，明確了多波段紅外成像的影響因素，建立了短波紅外、中波紅外和長波紅外圖像點(diǎn)目標(biāo)的形成模型，并對模型進(jìn)行分析與仿真實(shí)驗(yàn)，揭示了多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)夜視成像特性差異的形成機(jī)理，比較了多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)成像的差異，并且通過實(shí)驗(yàn)圖像的差異特征驗(yàn)證了這些成像特性差異的存在性，最后得出了多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)圖像的灰度值存在差異，大氣傳輸影響存在差異以及夜光輻射影響存在差異的結(jié)論。

短波紅外；中波紅外；長波紅外；紅外點(diǎn)目標(biāo)；夜視成像；成像差異

0 引言

不同波段的紅外成像在成像機(jī)理方面存在著差異。在夜視條件下，中波紅外MWIR（Medium Wave Infrared）和長波紅外LWIR（Long Wave Infrared）主要靠目標(biāo)自身輻射成像，而短波紅外SWIR（Short Wave Infrared）則是利用常溫時物體反射夜光中的輻射成像（自身輻射可忽略），以及中高溫時既有物體反射夜光中的短波紅外輻射，又有自身發(fā)射的足夠強(qiáng)的短波紅外輻射成像[1]。這種成像機(jī)理上的差異必然帶來紅外圖像上的差異，同時也會造成應(yīng)用上的差異，進(jìn)而造成紅外成像技術(shù)，特別是紅外焦平面探測器技術(shù)發(fā)展的多樣性。因此，分析多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)的夜視成像差異可以為研究多波段紅外成像等提供參考。

多年來，國內(nèi)外針對雙波段紅外成像差異做了大量的研究，尤其是LWIR和MWIR的成像差異，例如LWIR光譜的大氣透過率比MWIR的高[2-3]；在設(shè)計(jì)紅外雙折射/衍射反遠(yuǎn)距光學(xué)系統(tǒng)中，LWIR和MWIR兩個波段的衍射效率明顯不同[4]。另外，LWIR和MWIR在紅外探測器焦平面器件的光譜響應(yīng)特性也不同[5-7]；SWIR和MWIR兩個波段在探測器響應(yīng)方面也存在差異[8-9]；SWIR、MWIR和LWIR三個波段的探測器響應(yīng)特性也不同[10-11]。目前對雙波段紅外成像差異的形成機(jī)理研究較少，對三波段紅外成像差異的文章也沒有檢索到。

為此，本文針對點(diǎn)目標(biāo)，構(gòu)建了SWIR、MWIR和LWIR圖像的形成模型，為在多波段紅外成像過程中分析成像鏈各個環(huán)節(jié)的響應(yīng)提供了一種準(zhǔn)確、有效和直觀的方法。

1 多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)夜視成像過程

在夜視條件下，中長波紅外點(diǎn)目標(biāo)自身發(fā)出的熱輻射，以及短波紅外點(diǎn)目標(biāo)反射的夜光輻射和自身輻射一起經(jīng)過大氣衰減之后，再由光學(xué)系統(tǒng)成像在紅外探測器的感光面上，并將這些紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號量，最后通過電子處理系統(tǒng)把這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成可供人眼觀察的圖像[12]。在夜視條件下多波段紅外成像的一般過程如下圖1所示。

圖1 紅外成像過程

從圖1中可以看出，在夜視條件下多波段紅外成像除受自身輻射和夜光輻射影響之外，還要受大氣傳輸，光學(xué)系統(tǒng)透射性能以及探測器光譜響應(yīng)特性的影響等。

2 多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)夜視成像建模

2.1 目標(biāo)表觀輻射模型

2.1.1 中長波紅外點(diǎn)目標(biāo)表觀建模

假定點(diǎn)目標(biāo)為灰體且紅外輻射是均勻的，根據(jù)普朗克輻射定律，則波段的輻射出射度t可以用下式描述：

式中：1,2分別是普朗克第一、第二輻射常數(shù)；(,t)是目標(biāo)表面材料的發(fā)射率，t是目標(biāo)表觀的溫度。

由于夜光的大部分能量集中在1～2.5mm的短波紅外波段內(nèi)，故中長波紅外點(diǎn)目標(biāo)的表觀輻射照度app可用下式表示：

app＝t(2)

2.1.2 短波紅外常溫點(diǎn)目標(biāo)表觀建模

夜天空輻射是由太陽、地球、月球、大氣輝光等各種自然輻射源的輻射共同形成。夜天光的光譜分布，在有月和無月情況下有較大不同。在有月時，夜天光的光譜分布取決于月光，所以對短波紅外成像比較有影響的主要是月光；無月時，大氣輝光、直射星光和散射星光是夜天光的重要組成部分，其中大氣輝光是夜天空的主要來源，此時對短波紅外成像比較有影響的是大氣輝光[1,13-14]。

在常溫下，短波紅外點(diǎn)目標(biāo)表觀輻射照度app可用下式描述：

app＝(,t)×en(3)

式中：(,t)為點(diǎn)目標(biāo)的短波紅外反射率；en為夜天空輻射照度（有月時主要指月光輻射moon，無月時主要指大氣輝光輻射airglow）。

2.1.3 短波紅外中高溫點(diǎn)目標(biāo)表觀建模

在中高溫條件下，短波紅外點(diǎn)目標(biāo)的表觀輻射照度既包括自身輻射出射度，又包括反射夜光的輻射照度，故中高溫條件下，短波紅外點(diǎn)目標(biāo)的表觀輻射照度app可用下式表示：

app＝t＋(,t)×en(5)

2.2 大氣傳輸模型

大氣對目標(biāo)表觀輻射能量的影響主要分為2部分：一部分指目標(biāo)表觀輻射能量在到達(dá)探測器之前，必須沿途穿過大氣，在大氣的傳輸過程中和大氣組分的相互作用而產(chǎn)生衰減，這由大氣透過率決定；另一部分指大氣也會發(fā)出紅外輻射，最終到達(dá)探測器，這由路徑輻射決定。

紅外輻射的大氣透過率的影響因素主要有3個：一是大氣中某些氣體分子（H2O、CO2等）的吸收；二是大氣分子、氣溶膠和微粒的散射；三是氣象條件（云、霧、雨、雪）造成的衰減[15]。因此，大氣衰減正是這些因素影響的綜合效果，分別考慮各個因素的透過率，則總的光譜透過率atm()可以表示為：

atm()＝atm1()atm2()atm3() (6)

式中：atm1()，atm2()，atm3()分別為某些分子的吸收透過率，某些分子、氣溶膠和微粒的散射透過率以及氣象條件引起的衰減透過率。

在非垂直探測條件下，經(jīng)過大氣傳輸之后的入瞳處的波段輻照度t￠分別用下式描述：

式中：D為點(diǎn)目標(biāo)的面積；為點(diǎn)目標(biāo)法線與的夾角；為探測器法線與的夾角；為點(diǎn)目標(biāo)與探測器之間的距離；atm()為波段內(nèi)的大氣平均透過率；a為到達(dá)探測器的路徑輻射；(,a)為大氣的發(fā)射率；a為大氣溫度。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)透射模型

假設(shè)采用多波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)短波紅外、中波紅外和長波紅外共口徑工作，一般設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過系數(shù)為opt(,opt)，則透過光學(xué)系統(tǒng)的波段輻射照度t可以用下式表示：

2.4 探測器響應(yīng)模型

探測器響應(yīng)模型包括光譜響應(yīng)、幾何響應(yīng)和空間響應(yīng)等。由于探測器響應(yīng)與所選波長以及目標(biāo)溫度有關(guān)，故設(shè)探測器響應(yīng)為(,t)[16]。假設(shè)成像儀的光學(xué)增益為，在波段的電子增益為G，則其輸出電壓(,t)和紅外圖像的像素灰度值(,t)分別用下式表示[17]：

3 多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)夜視成像特性差異仿真

3.1 目標(biāo)表觀輻射比較

對公式(1)～(2)計(jì)算得到MWIR和LWIR點(diǎn)目標(biāo)的表觀輻射照度，對公式(3)～(4)計(jì)算得到SWIR常溫點(diǎn)目標(biāo)表觀輻射照度；當(dāng)溫度大于500K，對公式(5)計(jì)算得到SWIR中高溫點(diǎn)目標(biāo)表觀輻射照度[21]。仿真出溫度在200～2000K范圍內(nèi)的目標(biāo)輻射照度，為便與常溫比較，對常溫200～500K也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖2和3所示。

從圖2和圖3中可以看出：當(dāng)目標(biāo)溫度在200～700K（參數(shù)取值不同，范圍不同，下同）范圍內(nèi)，LWIR表觀輻射照度明顯大于MWIR，MWIR表觀輻射照度又大于SWIR，故對于常溫目標(biāo)，紅外長波波段更適合探測事件。

圖2 溫度在200～2000K范圍內(nèi)的目標(biāo)表觀輻射照度

圖3 溫度在200～500K范圍內(nèi)的目標(biāo)表觀輻射照度

當(dāng)目標(biāo)溫度在700～1250K范圍內(nèi)，MWIR表觀輻射照度大于LWIR，而且隨著溫度的增加兩者之間變化幅度在增大；LWIR表觀輻射照度又大于SWIR，并且隨著溫度的增加變化幅度在減小。當(dāng)目標(biāo)溫度在1250～1700K范圍內(nèi)，MWIR表觀輻射照度大于SWIR，而且隨著溫度的增加兩者之間變化幅度在減小，SWIR表觀輻射照度又大于LWIR，并且隨著溫度的增加兩者之間的變化輻射在減小，故對于中溫目標(biāo)，紅外中波波段更適合探測事件，例如第三代及其以后的被動紅外尋的制導(dǎo)空空導(dǎo)彈首選中波紅外波段。

當(dāng)目標(biāo)溫度大于1700K（這也是戰(zhàn)斗機(jī)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)尾噴管的溫度）之后，SWIR表觀輻射照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MWIR，MWIR輻射照度又大于LWIR，故對于高溫目標(biāo)，紅外短波波段更適合探測事件，所以第一代、第二代被動紅外尋的制導(dǎo)空空導(dǎo)彈選用的短波紅外波段[22-24]。

3.2 大氣傳輸比較

3.2.1 大氣平均透過率比較

由以上分析可知，大氣傳輸對不同波段點(diǎn)目標(biāo)輻射的影響主要有2個因素：一是大氣透過率atm()；二是路徑輻射a。由于理論分析計(jì)算大氣透過率必須得知道引起吸收和散射的大氣分子的分布、濃度，以及懸浮粒子的形狀、尺寸、含量等資料，而大氣是不斷變化的，很多參數(shù)都難以精確測定。故本文采用MODTRAN軟件模擬在特定條件下的大氣透過率隨波長的變化曲線如下圖4所示。這些特定條件包括：1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，觀察點(diǎn)初始高度為13.4352km，路徑長度為35km（人與傳感器的距離為35m，測試范圍為42°對角線的視場角），Rural with 23km visibility，其他都是默認(rèn)參數(shù)。

圖4 大氣透過率

3.2.2 入瞳處的輻射照度比較

對公式(8)分別計(jì)算得到SWIR、MWIR和LWIR的路徑輻射as,am,al為：as＝1.69×10－7W/m2，am＝1.78W/m2，al＝29.33W/m2。由此可知，路徑輻射對LWIR波段的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MWIR和SWIR波段，故在使用紅外長波波段探測常溫事件時應(yīng)盡量減小路徑輻射的影響。

對公式(7)計(jì)算得到經(jīng)過大氣傳輸之后的入瞳處的波段輻射照度t￠，在200～2000K溫度范圍內(nèi)仿真，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 目標(biāo)溫度在200～2000K的入瞳處輻照度

圖6 目標(biāo)溫度在200～500K的入瞳處輻照度

將圖6與圖3對比分析，同樣溫度在300K，目標(biāo)在SWIR，MWIR，LWIR波段表觀輻射照度分別是8.0×10－5W/m2、5.5680W/m2和165.5074W/m2，而入瞳處輻射照度分別減小到5.94×10－5W/m2、5.0735W/m2和158.8246W/m2。一方面，在此過程中的SWIR、MWIR和LWIR輻射照度分別減小了約25.75%、8.88%和4.04%。由此可知，大氣透過率和路徑傳輸整體對波段的影響從大到小依次為：SWIR、MWIR和LWIR，故說明了紅外長波波段受大氣傳輸影響最小，適合探測常溫事件。另一方面，從圖3和圖6中可以看出，SWIR目標(biāo)表觀輻射照度小于MWIR，MWIR目標(biāo)表觀輻射照度又小于LWIR，并且入瞳處的SWIR、MWIR和LWIR輻射照度與表觀輻射照度有同樣的規(guī)律。

3.3 探測器響應(yīng)特性比較

Anand Singh和P. Martyniuk[10-11]等人分別給出了SWIR、MWIR和LWIR等不同波段上的HgCdTe光電二極管帶寬響應(yīng)隨吸收區(qū)寬度和探測靈敏度隨操作溫度的變化曲線，反映了這3個波段在探測器成像響應(yīng)上的差異性。由公式(11)可知，紅外圖像的像素灰度值與探測電壓成近似的線性關(guān)系，故點(diǎn)目標(biāo)夜視紅外圖像的像素灰度值隨入瞳處的輻射照度增加而增加，也就是說不同紅外波段上的點(diǎn)目標(biāo)的像素灰度值也具有上述仿真同樣的規(guī)律。

4 結(jié)果驗(yàn)證

本文分別通過2組已配準(zhǔn)的同一場景短波紅外、中波紅外和長波紅外圖像[18,25]以及第三組的3個場景紅外圖像[26-28]來驗(yàn)證上述結(jié)果，分別選取一小塊區(qū)域作為點(diǎn)目標(biāo)來進(jìn)行分析，圖7～圖9中已用紅色方框表示。

從圖7、8和9中可知，SWIR圖像很接近可見光圖像，MWIR圖像則能更好的反映目標(biāo)的細(xì)節(jié)，而LWIR圖像反映的目標(biāo)與熱相關(guān)的信息最為豐富。

圖7 第一組紅外圖像

圖8 第二組紅外圖像

圖9 第三組紅外圖像

4.1 主觀分析比較

由圖8中可以看出：SWIR圖像大部分區(qū)域被噪聲淹沒，只有頭部和胳膊等區(qū)域可以分辨出來，故選取頭部區(qū)域作為點(diǎn)目標(biāo)與MWIR和LWIR圖像比較，又MWIR和LWIR圖像中的頭部以白色呈現(xiàn)，接近飽和，故又選取MWIR和LWIR圖像的褲子區(qū)域進(jìn)行比較。圖7、8和9中的點(diǎn)目標(biāo)所呈現(xiàn)出的顏色見下表1所示。

表1 三組圖像的點(diǎn)目標(biāo)顏色表

由此可以看出：常溫點(diǎn)目標(biāo)在夜視條件下SWIR圖像的灰度值比MWIR和LWIR圖像的灰度值都小，MWIR圖像的灰度值又比LWIR圖像的灰度值小。

4.2 客觀分析比較

不考慮運(yùn)動特征，本文僅對點(diǎn)目標(biāo)的像素灰度值進(jìn)行比較，根據(jù)近似點(diǎn)目標(biāo)位置，分別求出圖7、8和9三組紅外圖像中點(diǎn)目標(biāo)的中心點(diǎn)像素灰度值見下表2所示。

表2 三組圖像的點(diǎn)目標(biāo)的像素灰度值

從表2可以得到：常溫點(diǎn)目標(biāo)夜視條件下SWIR圖像的灰度值比MWIR和LWIR都小，MWIR圖像的灰度值又比LWIR小，并且可知這與仿真時不同波段紅外圖像入瞳處的輻射照度差異特性一致。

由于大氣輝光的光譜在接近2mm時有一峰值[20]，故大氣輝光對SWIR波段的影響比MWIR和LWIR波段都大。

當(dāng)目標(biāo)溫度為中溫時，MWIR輻射出射度比SWIR和LWIR的輻射出射度大；當(dāng)目標(biāo)溫度為高溫時，SWIR輻射出射度比MWIR和LWIR的輻射出射度都大，這與文獻(xiàn)[22]中的結(jié)論一致，故本文不再驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過以上分析對比，多波段紅外點(diǎn)目標(biāo)夜視條件下的成像特性差異體現(xiàn)在以下3個方面：

1）點(diǎn)目標(biāo)圖像的像素灰度值差異：常溫（仿真時為200～500K）點(diǎn)目標(biāo)LWIR圖像的像素灰度值比MWIR和SWIR都大，MWIR圖像的像素灰度值又比SWIR大；中溫（仿真時為700～1700K）點(diǎn)目標(biāo)MWIR圖像的像素灰度值比SWIR和LWIR都大；高溫（仿真時大于1700K）點(diǎn)目標(biāo)SWIR圖像的像素灰度值比MWIR和LWIR都大，MWIR圖像的灰度值又比LWIR大。

2）大氣傳輸對點(diǎn)目標(biāo)成像差異：點(diǎn)目標(biāo)成像在紅外長波波段上受大氣傳輸影響比在短中波紅外波段上都小。

3）夜光輻射對點(diǎn)目標(biāo)成像差異：點(diǎn)目標(biāo)成像在短波紅外波段上受夜光輻射的影響比中長波紅外波段上都大。

由于條件限制和篇幅原因，本文仿真時未涉及到成像過程中某些因素（如背景輻射等），構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng)透射模型也較簡單，以及月光輻射照度、目標(biāo)發(fā)射率、波長和不同波段的大氣透過率等參數(shù)都取了定值，這些都會對仿真結(jié)果有影響。另外，選取近似點(diǎn)目標(biāo)位置存在誤差，這些都有一定的局限性。

[1] 蔡毅, 胡旭. 短波紅外成像技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(6): 643-647.

[2] John Lester Miller. Future sensor system needs for staring arrays[J]., 2011, 54(3): 164-169.

[3] 鄭晶, 王祖林, 趙毅寰. 被動式紅外探測器多波段成像的仿真[J]. 紅外與激光工程, 2007(z1): 152-155.

[4] Chang-Jiang Fan, Zhao-Qi Wang, Mei Zhang, et al. The design of infrared double-layer refractive–diffractive inverted telephoto optical system[J]., 2008, 119(13): 603-607.

[5] Antoni Rogalski. Heterostructure infrared photovoltaic detectors[J]., 2000, 41(4): 213-238.

[6] Rogalski A. Infrared detectors: status and trends[J]., 2003, 27(2): 59-210.

[7] Shih-Yen Lin, Shu-Ting Chou, Wei-Hsun Lin. The transition mechanisms of quantum-dot/quantum-well mixed-mode infrared photodetectors[J]., 2009, 52(6): 268-271.

[8] L.A. Almeida, J.H. Dinan. In situ compositional control of advanced HgCdTe-based IR detectors[J]., 1999(201-201): 21-25.

[9] 葉振華, 尹文婷, 黃建, 等. 128×128短波/中波雙色紅外焦平面探測器[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2010, 29(6): 415-418.

[10] Anand Singh, Vanya Srivastav, Ravinder Pal. HgCdTe avalanche photodiodes:A review[J]., 2011, 43(7): 1358-1370.

[11] P. Martyniuk, A. Rogalski. Quantum-dot infrared photodetectors: Status and outlook[J]., 2008, 32(3-4): 89-120.

[12] 李相迪, 黃英, 張培晴, 等. 紅外成像系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 激光與紅外, 2014, 44(3): 229-234.

[13] 史繼芳. 用于微光夜視系統(tǒng)性能評價的夜天光模擬光源研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué). 2004.

[14] 蔡柯珺. 微光夜視儀野外視距仿真實(shí)驗(yàn)的研究[D]. 長春: 長春理工大學(xué). 2007.

[15] 孫繼銀, 孫向東, 王忠, 等. 前視紅外景象匹配技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011: 23-24.

[16] 朱瑞飛, 王超, 魏群, 等. 紅外探測器非均勻性校正系統(tǒng)研制[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(7): 1669-1673.

[17] 張建奇, 王曉蕊. 光電成像系統(tǒng)建模及性能評估理論[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2010: 21-50.

[18] D.A. Fay, A.M. Waxman, M. Aguilar, et al. Fusion of Multi-Sensor Imagery for Night Vision:Color Visualization, Target Learning and Search[C]//, 2000.

[19] 百度文庫. 發(fā)射率表[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/fc5a5a306 bd97f192279e97b.html.2013-10-25.

[20] 楊風(fēng)暴. 紅外物理與技術(shù)[M]. 電子工業(yè)出版社. 2014: 96.

[21] 朱亞靜, 邢立新, 潘軍, 等. 短波紅外遙感高溫地物目標(biāo)識別方法研究[J]. 遙感信息. 2011(6): 33-36, 41.

[22] 蔡毅, 王嶺雪. 紅外成像技術(shù)中的9個問題[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(11): 671-682.

[23] 陳寶國, 劉珂. 紅外探測技術(shù)的發(fā)展研究[C]//第十屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集. 北京: 中國宇航學(xué)會. 2012.

[24] G Arvind Rao, Shripad P Mahulikar. New criterion for aircraft susceptibility to infrared guided missiles[J]., 2005, 9(8): 701-712.

[25] Boettcher EJ, Leonard K, Hodgkin V, et al. New Target Acquisition Task for Contemporary Operating Environments: Personnel in MWIR, LWIR and SWIR [C]//, 2010.

[26] Protective Fabrics. Military-Special Operations[EB/OL]. http://www. goreprotectivefabrics.com/remote/Satellite/Military-Special-Operations-Concealment/GORE-Multispectral-Concealment-Garments, 2014.

[27] Y Arslan, S U Eker, M Kaldirim, et al. Large format voltage tunable dual-band QWIP FPAs[J]., 2009, 52(6): 399-402.

[28] Fay D, Ilardi P, Sheldon N, et al. Realtime image fusion and target learning & detection on a laptop attached processor[C]//7th(), 2005.

Analysis of Multi-band Infrared Point Targets Night Vision Imaging Difference

ZHU Xiao-hong，LIN Su-zhen，WANG Dong-juan

(,,030051,)

Through analysing the SWIR, MWIR and LWIR point targets radiation night vision imaging mechanism, multi-band infrared imaging influence factors are proposed, the formation models of point targets in SWIR, MWIR and LWIR images are set up, and these models analysed and simulated. It is revealed that the formation mechanism of multi-band infrared point targets night vision imaging characteristic differences. The differences among the multi-band infrared point targets imaging are compared, and the existence of imaging characteristics differences is verified through features differences in experiments images.At last the conclusion is drawn that there are differences among the gray value, atmospheric transmission effect and the night sky light radiation effect.

SWIR，MWIR，LWIR，infrared point target，night vision imaging，imaging differences

TP391.41

A

1001-8891(2015)04-0289-07

2014-09-09；

2015-02-03.

朱小紅（1990-），女，山西大同人，碩士研究生，主要從事紅外信息處理的研究。

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號：2013011017-4。