海天背景典型艦船目標(biāo)紅外特性測量方法研究

李桂芝，孫健，呂瑤

（1.中國人民解放軍92941部隊91分隊，葫蘆島　125001；2.中國人民解放軍92941部隊93分隊，葫蘆島　125001）

海天背景典型艦船目標(biāo)紅外特性測量方法研究

李桂芝1，孫健2，呂瑤1

（1.中國人民解放軍92941部隊91分隊，葫蘆島125001；2.中國人民解放軍92941部隊93分隊，葫蘆島125001）

針對水面紅外靶標(biāo)自身特性，通過紅外測量設(shè)備的組合，形成了紅外特性定量測量能力。利用外場便攜式黑體輻射源、單/多點(diǎn)熱成像坐標(biāo)變換解算方法，實(shí)現(xiàn)了外場實(shí)時定標(biāo)，非合作目標(biāo)位置信息解算；分析紅外定量測量的不確定度，驗(yàn)證該方案有效地保證了紅外特性定量測量的精度。利用所設(shè)計的測量方法對海天背景下典型艦艇的紅外特性進(jìn)行分析，并在測量過程中，同步獲取大氣參數(shù)，為后續(xù)目標(biāo)紅外特性定量處理分析提供了原始數(shù)據(jù)保障。

艦船目標(biāo)；紅外特性；測量方法；分析評估

水面紅外靶標(biāo)通過模擬典型艦船目標(biāo)［1］的紅外特性，應(yīng)用于對反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的鑒定與考核，其逼真度直接關(guān)系到反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的鑒定與考核的可靠性和精度。紅外特性數(shù)據(jù)的獲取，最終要為武器鑒定考核服務(wù)，因此對于模擬的艦船靶標(biāo)的紅外特性數(shù)據(jù)要進(jìn)行定量處理分析和評估，掌握模擬艦船的紅外特征［2，3］，如溫度分布、輻射亮度、輻射強(qiáng)度等特征參數(shù)。在實(shí)際紅外特性測量過程中，如何在設(shè)備、環(huán)境等變化因素的影響下，對非合作被測目標(biāo)，通過有效的測量方法盡可能獲得真實(shí)的定量化的被測目標(biāo)紅外特性數(shù)據(jù)是一個急待解決的問題。

本文主要針對艦船等典型目標(biāo)紅外特性受環(huán)境因素（包括目標(biāo)距離、大氣狀態(tài)和目標(biāo)表面材料以及與太陽的相對位置）影響較大的特點(diǎn)，通過對測量站位合理配置，有效利用測量設(shè)備和參試資源，研究了海天背景下典型艦船目標(biāo)紅外特性測量方法，并形成了一套較為完備的紅外定量測試規(guī)范。

1　紅外特性測量規(guī)范

1.1測量內(nèi)容

測量內(nèi)容除了測量艦船目標(biāo)的紅外特性外，還包括艦船的目標(biāo)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。其中目標(biāo)參數(shù)包括艦船的停放位置、角度、距離、尺寸信息、工作狀態(tài)等；環(huán)境參數(shù)包括海面常規(guī)氣象參數(shù)，條件允許的情況下還需要獲取太陽位置、太陽輻照度、天空紅外輻照度等參數(shù)。

1.2測量系統(tǒng)

根據(jù)測量任務(wù)試驗(yàn)場地條件，選擇合適的紅外特性測量系統(tǒng)。本項目紅外特性測量系統(tǒng)主要由中波紅外熱像儀、長波紅外熱像儀、氣象站、外場黑體標(biāo)準(zhǔn)源、測距儀、GPS定位設(shè)備等組成。其中中波紅外熱像儀和長波紅外熱像儀用于獲取被測目標(biāo)的紅外特性數(shù)據(jù)；氣象站用于獲取環(huán)境的溫度、濕度、壓力等大氣參數(shù)；測距儀用于測量目標(biāo)與測量系統(tǒng)的距離，GPS用于輔助定位功能。

1.3測量設(shè)備的選型

主要考慮中波熱像儀和長波熱像儀的波段、視場、量程的選擇。波段選擇要與鑒定考核的作戰(zhàn)武器導(dǎo)引頭的波段匹配，可通過濾光片實(shí)現(xiàn)；視場的選擇，一般要求被測目標(biāo)充滿全視場的四分之三，因此選擇鏡頭時需充分考慮目標(biāo)尺寸、作用距離。

1.4測量設(shè)備標(biāo)定

紅外測量設(shè)備必須在定標(biāo)或檢定的有效期內(nèi)使用，因此在試驗(yàn)前需要利用黑體完成定標(biāo)工作。為了提高定標(biāo)精度，本規(guī)范提出外場利用輻射源開展現(xiàn)場實(shí)時定標(biāo)的要求。

1.5測量方案實(shí)施

依據(jù)試驗(yàn)方案，布設(shè)測量設(shè)備。測量過程中，利用氣象站同步獲取溫度、濕度、壓力等氣象參數(shù)；利用測距儀獲取目標(biāo)距離，利用GPS獲取測量系統(tǒng)定位信息。按照試驗(yàn)方案獲取目標(biāo)紅外特性數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測量完畢后，對紅外特性測量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、輔助信息等內(nèi)容進(jìn)行整理記錄。

以某型艦船測量為例，艦長約157米，作用距離5000米，為了使目標(biāo)能夠全部在視場內(nèi)，同時盡量充滿視場的四分之三，計算得熱像儀瞬時視場值。艦船應(yīng)占像素數(shù)為：640×3/4=480；像素對應(yīng)的空間分辨率為：157/480=0.327m；熱像儀瞬時視場為：0.327/5=0.0654mrad；熱像儀視場為：0.0654×180×640/π/1000=2.4°。由以上參數(shù)可知在熱像儀可選鏡頭中，只有中波的2.75°×2.2°和長波的2.9°×2.3°鏡頭滿足需求。圖1和圖2為在不同環(huán)境下實(shí)測某型艦的紅外圖像。

圖1　某型艦船向陽面的紅外熱圖

圖2　某型艦船背陽面紅外熱圖

2　外場實(shí)時定標(biāo)

外場環(huán)境復(fù)雜，紅外測量設(shè)備標(biāo)定和測量誤差受環(huán)境變化因素影響較大，因此試驗(yàn)前需對設(shè)備進(jìn)行定標(biāo)。為了有效降低定標(biāo)和測量誤差，一般利用便攜式黑體輻射源，在外場實(shí)現(xiàn)實(shí)時現(xiàn)場標(biāo)定和定量參考測量［4］。具體方法為，將輻射源放置于熱像儀鏡頭前，此時大氣衰減可以忽略，設(shè)置多組輻射源溫度，溫度設(shè)置的原則是覆蓋到所測目標(biāo)溫度范圍，溫度間隔根據(jù)測量精度需求設(shè)置，定標(biāo)有效溫度范圍根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況確定，最終生成外場熱像儀的定標(biāo)曲線。

“士”者，春秋下層貴族之謂也。因?yàn)椤笆俊蹦松鐣鄣闹饕袚?dān)者，故學(xué)人多稱之曰武士。關(guān)于“士”是“國人”的主體這一問題，目前學(xué)者已達(dá)共識，不贅。根據(jù)我們的研究，下面兩個學(xué)術(shù)問題則必須予以清理。

已知輻射源溫度T和發(fā)射率系數(shù)ε，可求出輻射源的輻射亮度Lb：

其中，C1=3.741382×10-12W·cm-2，C2=1.438786cm· K；輻射源輻射亮度與熱像儀電平值，在一定溫度范圍內(nèi)成線性關(guān)系。DN=aL+b表示熱像儀的電平值；L表示輻射源的亮度值；a，b為系數(shù)。利用兩點(diǎn)法可以求出a，b，建立有效的定標(biāo)曲線。

為了精確測算大氣透過率，可將輻射源放置于被測目標(biāo)上，利用已知參考輻射源溫度和定量處理出的輻射源溫度，反演出實(shí)際的大氣透過率。該方法在測量條件允許下，較利用大氣傳輸軟件計算透過率更簡單實(shí)用。其中，τ為大氣透過率；T1為輻射源真實(shí)溫度；T2為遠(yuǎn)距離下熱像儀測量到的表觀等效輻射源溫度；Tb為環(huán)境溫度；L（）為各自對應(yīng)的輻射亮度。

3　非合作目標(biāo)姿態(tài)解析

由于被測目標(biāo)為非合作目標(biāo)，為了有效實(shí)現(xiàn)定量紅外特性的測量，需要解決非合作目標(biāo)姿態(tài)信息的解算，特別是被測艦船相對于測量設(shè)備的角度問題。根據(jù)實(shí)際的測量條件，提出了利用單點(diǎn)和多點(diǎn)熱成像非合作艦船姿態(tài)解算方法。

3.1單點(diǎn)熱像非合作目標(biāo)姿態(tài)解算

本方法是基于已知測量設(shè)備與被測目標(biāo)距離和被測目標(biāo)尺寸信息的前提下進(jìn)行解算的，其中測量設(shè)備與被測目標(biāo)距離是利用測距儀獲取。測量示意圖如圖3所示。

圖3　單點(diǎn)測量姿態(tài)示意圖

其中，L艦表示被測艦船的船長（m）；L表示測量設(shè)備距離被測艦船的距離（m）；θ表示測量設(shè)備的瞬時視場（mrad）；α表示艦船與測量設(shè)備法線方向夾角（°）；n在熱像儀上所占像素數(shù)。則被測目標(biāo)在熱像儀焦平面上所成像的尺寸為θLn/1000，被測目標(biāo)與設(shè)備間夾角可由下式求出：3

3.2多點(diǎn)熱像非合作目標(biāo)姿態(tài)解算

圖4　多點(diǎn)測量姿態(tài)示意圖

4　定量測量不確定度估計

4.1輻射亮度計算不確定度估計

（ΔL）2屬于測量的定量不確定度，主要取決于標(biāo)定的不確定度和量化不確定度。根據(jù)熱像儀的工作原理，用黑體溫度來標(biāo)定被測目標(biāo)，通過溫度計算等效黑體亮度等輻射參數(shù)。根據(jù)黑體輻射計算公式：L=σT4

4.2目標(biāo)能量擴(kuò)展像元大小N對測量結(jié)果的不確定度估計

（ΔN）2屬于目標(biāo)區(qū)域選取的不確定度，主要取決于成像質(zhì)量。如果對比度高，則目標(biāo)和背景的灰階變化明顯，目標(biāo)邊緣很容易確定，而且置信度較高；反之，如果對比度低，目標(biāo)邊緣很難確定，目標(biāo)廓線的置信度比較低。標(biāo)區(qū)域選擇引起的測量結(jié)果不確定度估計，通過分析目標(biāo)區(qū)域不確定度應(yīng)該在10%范圍之內(nèi)。

4.3斜距R不確定度估計

（ΔR）2斜距計算的不確定度主要取決于測量和解算的不確定度。

4.4大氣修正不確定度估計

（ΔτAIR）2屬于大氣傳輸誤差項，主要是跟據(jù)測量的氣象參數(shù)用大氣傳輸模型計算的大氣透過率，假設(shè)在理想的測量條件下進(jìn)行，（ΔτAIR）為20%左右。利用參考源測量的方法可以提高到10%左右根據(jù)上述的分析，我們可以初步得到計算輻射源的輻射強(qiáng)度誤差計算結(jié)果為：

最終可得到外場試驗(yàn)的不確定度優(yōu)于30%。利用本文提出的外場輻射源實(shí)時定標(biāo)和非合作目標(biāo)姿態(tài)解算方法，依據(jù)本項目制定的詳細(xì)測量規(guī)范，不僅解決了非合作目標(biāo)姿態(tài)的解算問題，而且有效地保證了紅外特性定量測量的精度。

5　典型艦船紅外輻射特性測量

測量海上航行艦船的紅外特性是在海天背景下進(jìn)行的，紅外成像制導(dǎo)的導(dǎo)彈對艦船的攻擊也在海天背景下實(shí)施，因此在研究艦船本身的紅外特性的同時需關(guān)注海天背景對艦船紅外特性的影響。海天背景的特性隨著季節(jié)、氣象、時間及地理位置等因素而變化。海水既是輻射體又是反射體，在夜間的海水表面輻射有自身輻射和反射天空的輻射，白天則要加上反射太陽的輻射。海水的表面褶皺程度影響著海水反射和輻射特性。海水自身溫度的高低也直接影響到艦船與海水間的溫差［5］。利用熱像儀對某艦進(jìn)行了不同時間的紅外輻射特性測量，如圖5所示，并分析處理了某艦和海面的紅外輻射特性，計算得出了某型艦煙囪壁及煙囪口與海面的輻射溫差，如表1、表2所示。

圖5　某艦紅外熱像圖

表1　某型艦煙囪和煙囪口與海面輻射溫差測量表

表2　某型艦與海面背景紅外7.7～9.3mm輻射溫度對比

6　結(jié)論

本文依據(jù)紅外特性測量通用要求，確定了目標(biāo)紅外特性、目標(biāo)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等具體測量內(nèi)容，依據(jù)測量波段和視場要求提出了紅外特性測量系統(tǒng)的選取要求，提出了利用標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源實(shí)現(xiàn)外場實(shí)時定標(biāo)和參考測量的紅外測量設(shè)備標(biāo)定方法，形成了針對不同的測量條件，利用單/多點(diǎn)熱成像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方法完成非合作艦船姿態(tài)位置解算的測量實(shí)施方案。試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能有效定量獲取被測目標(biāo)紅外特性數(shù)據(jù)，并保證測量精度。

［1］ 李朝暉，陳明.對于雜散背景中的目標(biāo)特性研究［J］.紅外技術(shù)，2005，27（2）：109-114.

［2］ 方有培，錢建平.對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾技術(shù)研究［J］.紅外與激光工程，2000，29（3）：7-14.

［3］ 徐南榮.紅外輻射與制導(dǎo)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［4］ 朱學(xué)芳，智文廣.計算機(jī)圖像處理導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2003.

［5］ 高蘭香.航空母艦非穩(wěn)態(tài)溫度場及紅外輻射場中太陽輻射因素的研究［J］.目標(biāo)與環(huán)境特性研究，2002，21 （1）：10-l2.

The Infrared Characteristic Measurement Method of Vessel Target Under the Sea-sky Background

LI Guizhi1，SUN Jian2，LV Yao1
（1.91 Detachments Unit 92941 of CPLA，Huludao 125001；2.93 Detachments Unit 92941 of CPLA，Huludao 125001）

According to the characteristics of infrared target ship，the infrared measuring equipment is combined to satisfy the measurement capability.The portable black body radiation source and single/many thermal imagery coordinate conversion are used to out-field scale at real time and solve the non-cooperation target’s infrared characteristic.The uncertainty of infrared measurement which is analyzed can prove the accuracy.The method is used to analyze the infrared characteristic of vessel target under sea-sky background.In this process，the atmospheric parameters are obtained for follow-up analysis.

target ship；infrared characteristic；measurement method；analysis and evaluation

TJ760.7

A

1672-9870（2015）05-0044-04

2015-09-09

李桂芝（1967-），女，碩士，高級工程師，E-mail：13787001704@163.com