武器裝備紅外隱身效果評(píng)估方法研究

高 原，劉 劍,2，張俊舉，曾 萌,2

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武器裝備紅外隱身效果評(píng)估方法研究

高 原1，劉 劍1,2，張俊舉1，曾 萌1,2

（1. 南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 無(wú)錫市星迪儀器有限公司，無(wú)錫 214000）

針對(duì)武器裝備的紅外隱身，討論了隱身效果評(píng)估的基本方法，從輻射溫差、斑點(diǎn)暴露尺寸、探測(cè)概率和目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，對(duì)以往的公式進(jìn)行了修正。

紅外隱身；輻射溫差；斑點(diǎn)暴露尺寸；探測(cè)概率；紅外能見(jiàn)距離

0 引言

紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展使武器裝備的生存能力受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為對(duì)抗各種紅外探測(cè)器（或系統(tǒng)）的探測(cè)、識(shí)別和跟蹤，世界上幾個(gè)主要大國(guó)都在努力發(fā)展反紅外探測(cè)技術(shù)——紅外隱身技術(shù)。紅外隱身效果評(píng)估成為紅外隱身技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。紅外隱身效果評(píng)估是通過(guò)對(duì)比實(shí)施隱身技術(shù)前后目標(biāo)的紅外輻射特性，分析和判斷隱身技術(shù)的具體實(shí)施效果。現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法主要包括實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即將目標(biāo)置于真實(shí)環(huán)境中，利用制導(dǎo)武器的紅外導(dǎo)引裝置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，從而對(duì)目標(biāo)的紅外隱身性能進(jìn)行評(píng)估，這種方法所需成本高、靈活性較差、適用范圍有一定限制；還有就是通過(guò)人眼對(duì)紅外成像裝置形成的熱圖像進(jìn)行主觀(guān)判識(shí)，這種方法也存在與實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用差距較大，受人為主觀(guān)因素影響明顯的缺憾?？煽闯?，目前對(duì)于紅外隱身效率的評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此本文參考大量文獻(xiàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)武器裝備的紅外隱身性能評(píng)估指標(biāo)作了總結(jié)和研究，通過(guò)紅外隱身效果評(píng)估，可以更有效地研究影響目標(biāo)紅外輻射特性的各種因素，進(jìn)而指導(dǎo)紅外隱身方案，這對(duì)提高現(xiàn)有武器裝備的生存力和戰(zhàn)斗力，使其滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求具有非常重要的意義。

1 評(píng)估指標(biāo)

1.1 輻射溫差

輻射溫差或輻射溫度是評(píng)估紅外隱身效果最根本的指標(biāo)，由熱像儀的工作原理可知，熱像儀接收到的紅外輻射能量包括3部分：目標(biāo)的輻射能、環(huán)境反射的輻射能和大氣的輻射能，熱成像系統(tǒng)接收到的紅外輻射能示意圖如圖1所示。

探測(cè)器上接收到總的輻射能為：

式中：Wo為目標(biāo)的輻射能；e為目標(biāo)表面發(fā)射率；Wu為環(huán)境反射的輻射能；ta為大氣透過(guò)率；Wa為大氣輻射能。

作用于熱像儀的輻射照度滿(mǎn)足如下公式：

式中：為目標(biāo)表面吸收率；為目標(biāo)表面發(fā)射率；a為大氣透過(guò)率；a為大氣發(fā)射率；o為目標(biāo)表面溫度；a為大氣溫度；u為環(huán)境溫度；為目標(biāo)到測(cè)量?jī)x器之間的距離，當(dāng)確定時(shí)，0－2為常值，0為熱像儀最小空間張角所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積。

熱像儀通常工作在某一個(gè)很窄的波段范圍內(nèi)，3～5mm或8～14mm之間，、、a通?？烧J(rèn)為與無(wú)關(guān)。得到熱像儀的響應(yīng)電壓為：

()＝CT(4)

式中：為常數(shù)，對(duì)式(3)整理可得：

式中：r為熱像儀測(cè)得目標(biāo)的輻射溫度。當(dāng)使用不同波段的熱像儀時(shí)，的取值不同，對(duì)InSb（3～5mm）探測(cè)器，值為8.68；對(duì)HgCdTe（6～9mm）探測(cè)器，值為5.33；對(duì)HgCdTe（8～14mm）探測(cè)器，值為4.09或4。

當(dāng)被測(cè)表面滿(mǎn)足灰體近似時(shí)，即＝，對(duì)于大氣可認(rèn)為a＝1－a，則上式變?yōu)椋?/p>

所以被測(cè)表面的表觀(guān)輻射溫度為：

目標(biāo)與背景的表觀(guān)輻射溫差為：

若已知探測(cè)距離下目標(biāo)表觀(guān)輻射溫度為ro，在探測(cè)距離￠時(shí)，大氣透過(guò)率為a，則目標(biāo)的表觀(guān)輻射溫度可表示為：

則目標(biāo)和背景的輻射溫差為：

通常認(rèn)為a＝u，當(dāng)探測(cè)距離為零時(shí)，即a￠＝1，式(7)變?yōu)椋?/p>

當(dāng)目標(biāo)溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境和大氣溫度時(shí)，u/o、a/o很小，上式化簡(jiǎn)為：

若選用HgCdTe（8～14mm）探測(cè)器，值為4.09或4，即：

以上是熱像儀測(cè)溫的基本原理。已知某探測(cè)距離下的表觀(guān)溫度和大氣透過(guò)率，可求解其他探測(cè)距離下的輻射溫度及不同區(qū)域間的溫差。

1.2 斑點(diǎn)暴露尺寸

斑點(diǎn)暴露尺寸是指?jìng)窝b區(qū)域與背景有明顯反差斑點(diǎn)暴露的幾何尺寸，依據(jù)相關(guān)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)給定輻射溫差閾值，經(jīng)圖像處理技術(shù)確定暴露斑點(diǎn)，通過(guò)比例尺換算，計(jì)算斑點(diǎn)暴露的實(shí)際尺寸，求其最大值和平均值。流程圖如圖2所示。

光斑暴露尺寸計(jì)算示意圖如圖3所示，通過(guò)圖像處理技術(shù)可得，暴露斑點(diǎn)在探測(cè)器靶面上的尺寸為P，則可求斑點(diǎn)實(shí)際尺寸1：

1＝P/(8)

式中：為探測(cè)距離；為焦距。

圖2 光斑暴露尺寸計(jì)算流程圖

圖3 光斑暴露尺寸計(jì)算示意圖

1.3 紅外能見(jiàn)距離

紅外能見(jiàn)距離是指在給定的探測(cè)等級(jí)下，探測(cè)概率達(dá)到50%時(shí)的探測(cè)距離。

等效目標(biāo)長(zhǎng)寬比按公式(9)計(jì)算：

＝2/(9)

式中：為視覺(jué)探測(cè)等級(jí)要求的線(xiàn)對(duì)數(shù)；為真實(shí)目標(biāo)長(zhǎng)度，m；為真實(shí)目標(biāo)寬度，m；目標(biāo)等效空間頻率T，按公式(10)計(jì)算：

T＝i/(10)

式中：i為待求的目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離，km；

修正最小可分辨溫差，按公式(11)計(jì)算：

式中：MRTD0(T)為儀器的最小可分辨溫差，K。

當(dāng)目標(biāo)辨識(shí)概率為50%時(shí)，目標(biāo)閾值分辨溫差DY，按公式(12)計(jì)算：

DY＝MRTDexp(sT＋a) (12)

式中：s為儀器的瞬態(tài)視場(chǎng)（系統(tǒng)物方與探測(cè)器有效面積張角），儀器固有常數(shù)；a為大氣消光系數(shù)。

當(dāng)目標(biāo)與背景溫度經(jīng)大氣衰減后，降低到目標(biāo)閾值分辨溫差時(shí)，其目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離i按公式(13)計(jì)算：

式中：D表現(xiàn)為目標(biāo)與背景的表觀(guān)輻射溫差，K；為修正系數(shù)，夜間取25，白晝?nèi)?5。

值得注意的是，式(13)中的D表現(xiàn)是探測(cè)距離為紅外能見(jiàn)距離i時(shí)的表觀(guān)輻射溫差，利用式(7)求得，式(7)中的a￠又是紅外能見(jiàn)距離i的函數(shù)；MRTD0是空間頻率的函數(shù)，而空間頻率又與紅外能見(jiàn)距離i有關(guān)，即式(13)等號(hào)右邊也包含紅外能見(jiàn)距離i，通過(guò)反復(fù)迭代可求出紅外能見(jiàn)距離i。

1.4 探測(cè)概率

探測(cè)概率是在特定距離處特定目標(biāo)被探測(cè)到的可能性，不同參考文獻(xiàn)上給出了不同的算法，本文選用如下公式計(jì)算目標(biāo)紅外探測(cè)概率：

式中：e為目標(biāo)上可分辨的最大周數(shù)，由目標(biāo)的臨界尺寸的張角/i，并用公式(15)計(jì)算：

i(15)

式中：f為最大可分辨頻率，由表觀(guān)輻射溫差D和MRTD確定。50為Johnson準(zhǔn)則中探測(cè)概率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的周數(shù)；為隨觀(guān)察等級(jí)而定的系數(shù)，通常：

1.5 隱身效率

隱身效率為實(shí)施隱身方案后目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離的減少量與實(shí)施隱身方案前目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離的比值。按分式(16)計(jì)算：

式中：i非隱身為實(shí)施隱身方案前目標(biāo)的紅外能見(jiàn)距離；i隱身為實(shí)施隱身方案后目標(biāo)的紅外能見(jiàn)距離。

2 評(píng)估方法

本文選取了5個(gè)紅外隱身性能評(píng)估指標(biāo)，其中有些評(píng)估指標(biāo)并不是獨(dú)立的，求解過(guò)程中需要用到其他指標(biāo)作為參數(shù)，下面提供一種基于紅外熱成像系統(tǒng)的武器裝備紅外隱身性能評(píng)估方法和流程，在評(píng)估之前紅外熱成像系統(tǒng)的固有指標(biāo)是已知的，系統(tǒng)的輻射溫度——圖像灰度曲線(xiàn)和最小可分辨溫差曲線(xiàn)已經(jīng)過(guò)標(biāo)定，大氣透過(guò)率/消光系數(shù)通過(guò)第三方軟件確定。評(píng)估流程按圖4進(jìn)行，具體步驟如下：

1）獲取目標(biāo)的紅外圖像，根據(jù)具體要求給定輻射溫差閾值，利用黑體標(biāo)定曲線(xiàn)計(jì)算灰度差閾值；

2）通過(guò)相關(guān)圖像算法確定目標(biāo)暴露區(qū)和背景區(qū)，并統(tǒng)計(jì)暴露區(qū)和背景區(qū)所占像元個(gè)數(shù)；

3）計(jì)算暴露區(qū)和背景區(qū)的平均灰度，利用黑體標(biāo)定曲線(xiàn)計(jì)算平均輻射溫度，并求暴露區(qū)和背景區(qū)表觀(guān)溫差；給定像元尺寸，計(jì)算探測(cè)器靶面上暴露區(qū)尺寸，并利用探測(cè)距離和探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)焦距計(jì)算目標(biāo)暴露區(qū)實(shí)際尺寸；

4）給定大氣透過(guò)率和環(huán)境溫度，利用表觀(guān)溫差計(jì)算暴露區(qū)和背景區(qū)的實(shí)際溫差；

5）給定視覺(jué)等級(jí)要求的線(xiàn)對(duì)數(shù)，利用目標(biāo)暴露區(qū)實(shí)際尺寸計(jì)算目標(biāo)等效長(zhǎng)寬比和空間頻率；

6）通過(guò)最小可分辨溫差——空間頻率曲線(xiàn)，計(jì)算目標(biāo)在當(dāng)前空間頻率下對(duì)應(yīng)的最小可分辨溫差；

7）給定瞬態(tài)視場(chǎng)、大氣消光系數(shù)等參數(shù)計(jì)算目標(biāo)在辨識(shí)概率為50%時(shí)的閾值探測(cè)溫差；

8）給定探測(cè)距離和相應(yīng)的大氣透過(guò)率，計(jì)算探測(cè)距離時(shí)的表觀(guān)溫差，與辨識(shí)概率為50%時(shí)的閾值探測(cè)溫差相比較，通過(guò)反復(fù)迭代，當(dāng)探測(cè)距離時(shí)的表觀(guān)溫差，與辨識(shí)概率為50%時(shí)的閾值探測(cè)溫差相等時(shí)，此時(shí)的探測(cè)距離即為該目標(biāo)的紅外能見(jiàn)距離；

9）利用表觀(guān)溫差，結(jié)合最小可分辨溫差——空間頻率曲線(xiàn)，計(jì)算在該表觀(guān)溫差下目標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大可分辨頻率；

10）利用最大可分辨頻率，結(jié)合探測(cè)距離和目標(biāo)暴露區(qū)的實(shí)際尺寸，計(jì)算該目標(biāo)上最大可分辨周數(shù)；

11）利用最大可分辨周數(shù)，并給定Johnson準(zhǔn)則中50%概率時(shí)要求的周數(shù)，計(jì)算目標(biāo)在當(dāng)前探測(cè)距離下的探測(cè)、取向、識(shí)別和確認(rèn)的概率；

12）利用目標(biāo)在實(shí)施紅外隱身方案前后的紅外能見(jiàn)距離計(jì)算隱身效率。

圖4 紅外隱身性能評(píng)估流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用了特制的“紅外雙波段自適應(yīng)偽裝裝置”仿造熱源目標(biāo)，如圖5所示。圖6和圖7是紅外熱成像系統(tǒng)獲取的熱源目標(biāo)的紅外圖像，分別作為熱源目標(biāo)實(shí)施隱身方案前后，使用評(píng)估軟件進(jìn)行評(píng)估。

圖5 紅外雙波段自適應(yīng)偽裝裝置

圖6 (a)目標(biāo)“隱身前”紅外圖像(b)目標(biāo)“隱身后”紅外圖像

如圖7所示，給定紅外溫差閾值為3K（以高于背景環(huán)境某一溫度為準(zhǔn)設(shè)定），在遠(yuǎn)紅外圖像上確定暴露區(qū)和背景區(qū)；如圖8所示，暴露區(qū)平均灰度為42，背景區(qū)平均灰度為28，計(jì)算暴露區(qū)和背景的表觀(guān)溫度分別為298.715K、295.497K，并求其表觀(guān)溫差為3.21832K，探測(cè)距離為20m、給定大氣消光系數(shù)0.112和環(huán)境溫度298.5K，計(jì)算暴露區(qū)和背景的實(shí)際溫差為3.22565K；圖9中求得了暴露區(qū)的實(shí)際長(zhǎng)度和寬度，分別為0.82m和0.40m；圖10中則利用圖8中的實(shí)際溫差和圖9中的暴露區(qū)尺寸，計(jì)算了在黑夜情況下目標(biāo)的紅外發(fā)現(xiàn)距離和發(fā)現(xiàn)概率，紅外發(fā)現(xiàn)距離為1525.29m，20m處的發(fā)現(xiàn)概率為0.999999；改變探測(cè)等級(jí)，可求出目標(biāo)在不同探測(cè)等級(jí)下的能見(jiàn)距離和發(fā)現(xiàn)概率。

同理對(duì)熱源目標(biāo)實(shí)施隱身方案前進(jìn)行評(píng)估，表1和表2給出了熱源目標(biāo)在實(shí)施隱身前和實(shí)施隱身后在探測(cè)距離為300m時(shí)的紅外隱身性能評(píng)估結(jié)果。

圖7 評(píng)估界面

圖8 輻射溫差評(píng)估界面

圖9 斑點(diǎn)暴露尺寸評(píng)估界面

圖10 能見(jiàn)距離和發(fā)現(xiàn)概率評(píng)估界面

表1 目標(biāo)隱身前后紅外隱身性能對(duì)比

表2 目標(biāo)在不同距離下的隱身效率

從表1可知，實(shí)施隱身后的暴露區(qū)與背景的實(shí)際溫差比實(shí)施隱身前下降了30.17215K，而斑點(diǎn)暴露尺寸明顯縮小，探測(cè)概率均明顯降低，如辨識(shí)概率從隱身前的0.459035下降到0.183625。從表2可知，實(shí)施隱身后的能見(jiàn)距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)施隱身前，如發(fā)現(xiàn)距離從隱身前的1875.87m下降到1525.29m。利用不同探測(cè)等級(jí)下的能見(jiàn)距離計(jì)算的隱身效率比較接近，上表中所示的誤差小于0.01，該目標(biāo)的隱身效率可認(rèn)為是0.18，隱身效率與探測(cè)器的性能有關(guān)，目標(biāo)在不同探測(cè)器下表現(xiàn)出的隱身效率不同，但接近。

對(duì)某一目標(biāo)進(jìn)行紅外隱身性能評(píng)估時(shí)，不但要知道目標(biāo)在某一探測(cè)距離下的探測(cè)概率，還要知道目標(biāo)在不同探測(cè)距離下的探測(cè)概率，以圖6(b)為例，在其他條件不變的情況下，改變探測(cè)距離，并畫(huà)出探測(cè)概率——探測(cè)距離曲線(xiàn)如圖11所示。從圖中可以看出，探測(cè)距離增大，探測(cè)概率減??；探測(cè)距離相同時(shí)，探測(cè)等級(jí)越高，探測(cè)概率越??；探測(cè)概率為50%時(shí)的探測(cè)距離為能見(jiàn)距離，在能見(jiàn)距離附近曲線(xiàn)下降速度較快，向兩側(cè)遠(yuǎn)離能見(jiàn)距離，曲線(xiàn)下降速度變慢。探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)，經(jīng)大氣衰減，到達(dá)探測(cè)器的輻射溫差變小，紅外特征不明顯，目標(biāo)對(duì)探測(cè)器的張角變小，所以探測(cè)概率較低。按照探測(cè)等級(jí)，紅外能見(jiàn)距離分別為：1525.29m、1091.91m、383.397m、239.776m，以發(fā)現(xiàn)概率為例，當(dāng)輻射溫差為3.22565K，暴露區(qū)最小尺寸0.4m時(shí)，在1525.29m處的發(fā)現(xiàn)概率高達(dá)50%。

圖11 探測(cè)概率與探測(cè)距離關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

文章從輻射溫差、斑點(diǎn)暴露尺寸、探測(cè)概率、目標(biāo)紅外能見(jiàn)距離和隱身效率幾個(gè)方面，對(duì)紅外隱身效果的評(píng)估方法進(jìn)行了討論。利用這些評(píng)估指標(biāo)可以比較準(zhǔn)確地對(duì)武器裝備的紅外隱身性能作出評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn)武器裝備隱身方案中的缺點(diǎn)和不足，利用這些數(shù)學(xué)模型評(píng)估，避免了通過(guò)人眼進(jìn)行主觀(guān)判識(shí)時(shí)的誤差。紅外隱身性能評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，評(píng)估前需要對(duì)評(píng)估設(shè)備作相關(guān)標(biāo)定，如用標(biāo)準(zhǔn)黑體標(biāo)定紅外熱像儀的輻射溫度——圖像灰度曲線(xiàn)，標(biāo)定或通過(guò)理論計(jì)算探測(cè)器的最小可分辨溫差、最小可探測(cè)溫差，還需要關(guān)注大氣紅外通過(guò)率的影響，可通過(guò)LOWTRAN等第三方軟件進(jìn)行模擬。另外紅外隱身效能的評(píng)估一般以敵方探測(cè)器為準(zhǔn)，若以知敵方探測(cè)器的性能參數(shù)，可利用評(píng)估模型，計(jì)算相對(duì)于敵方探測(cè)器，目標(biāo)的紅外隱身性能。這些評(píng)估方法，對(duì)未來(lái)武器裝備紅外隱身性能評(píng)估方法的研究有一定的借鑒和參考作用。

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Research on Weapon Equipment based on Method for Infrared Stealth Effect Evaluation

GAO Yuan1，LIU Jian1,2，ZHANG Junju1，ZENG Meng1,2

(1.,,210094,2.,214000,)

The basic method for stealth effect evaluation is discussed in this paper, considering the infrared stealth of weapon equipment. The author analyzes aspects such as radiation temperature difference, exposure speckle size, detection probability, and target distance. In addition, the previous formulas are modified.

infrared stealth，radiation temperature difference，exposure speckle size，detection probability and target distance

TN211

A

1001-8891(2017)11-1060-06

2016-11-05；

2017-06-05.

高原（1992-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)工程。