武器裝備的光學(xué)隱身性能表征評(píng)估技術(shù)研究

邱守義

（中國(guó)人民解放軍31121部隊(duì)，江蘇南京210014）

武器裝備的光學(xué)隱身性能表征評(píng)估技術(shù)研究

邱守義

（中國(guó)人民解放軍31121部隊(duì)，江蘇南京210014）

近年來(lái)，隨著光學(xué)偵察技術(shù)的不斷發(fā)展，與之相對(duì)的光學(xué)隱身技術(shù)已經(jīng)成為軍事研究熱點(diǎn)。根據(jù)響應(yīng)波段、對(duì)應(yīng)偵察方法的不同，目前光學(xué)隱身技術(shù)主要包括可見光隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)和激光隱身技術(shù)等。光學(xué)隱身性能測(cè)試評(píng)估是聯(lián)系武器參數(shù)和作戰(zhàn)能力的橋梁，直接決定了武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)的隱身性能，是光學(xué)隱身技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。針對(duì)不同波段光學(xué)偵測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，研究可見光隱身、紅外隱身和激光隱身性能的表征評(píng)估方法，建立目標(biāo)隱身性能表征評(píng)估體系。

武器裝備；光學(xué)隱身性能；黑體等效溫差；色差參量

以信息化為主導(dǎo)的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式中，通過(guò)信息對(duì)抗奪取制信息權(quán)成為戰(zhàn)爭(zhēng)致勝的籌碼，而軍事偵察與隱身偽裝日益成為信息對(duì)抗的重要一環(huán)。隨著精確制導(dǎo)武器打擊能力的提高，目標(biāo)場(chǎng)景“發(fā)現(xiàn)即摧毀”已經(jīng)成為戰(zhàn)場(chǎng)常態(tài)，因此如何通過(guò)隱身偽裝盡可能地躲避敵方偵察成為當(dāng)前軍事領(lǐng)域重要的研究技術(shù)之一，日益受到世界軍事強(qiáng)國(guó)的重視，隱身特性已經(jīng)成為未來(lái)主戰(zhàn)裝備必須具備的特征[1-3]。

可見光隱身技術(shù)主要針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目視觀察、高分辨率灰度成像、彩色成像及可見光范圍的多光譜成像等偵察措施；紅外隱身技術(shù)主要針對(duì)夜視紅外成像、熱紅外制導(dǎo)等偵察方法；激光隱身技術(shù)主要針對(duì)激光雷達(dá)偵測(cè)技術(shù)[4-5]。

武器裝備的光學(xué)隱身通常包括光學(xué)隱身設(shè)計(jì)、光學(xué)隱身材料研發(fā)和光學(xué)隱身性能測(cè)試評(píng)估3個(gè)階段。其中，光學(xué)隱身性能測(cè)試評(píng)估是聯(lián)系武器參數(shù)和作戰(zhàn)能力的橋梁，直接決定武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)的隱身性能，是光學(xué)隱身技術(shù)的關(guān)鍵[6-7]。此外，光學(xué)隱身性能測(cè)試評(píng)估也是光學(xué)隱身技術(shù)的難點(diǎn)，涉及光學(xué)目標(biāo)場(chǎng)景特性參量定量反演、光學(xué)隱身效果表征等理論體系的建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)。研究和建立完善的武器裝備光學(xué)隱身性能表征評(píng)估方法對(duì)新一代武器系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃、設(shè)計(jì)論證等具有重要意義，將會(huì)進(jìn)一步提升高超速導(dǎo)彈、艦船和作戰(zhàn)飛機(jī)等新一代武器裝備的隱身效能，降低敵方對(duì)我方武器裝備的識(shí)別率，提高武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

1 可見光波段隱身性能表征評(píng)估

可見光波段偵察主要通過(guò)識(shí)別武器裝備與背景在顏色和灰度圖像特征（紋理、邊緣、梯度等）上的差異來(lái)實(shí)施。為有效表征這一波段內(nèi)武器裝備的隱身特性，研究由目標(biāo)場(chǎng)景光譜輻射信息計(jì)算CIE1976 L*a*b*色差參量的方法，用以評(píng)估武器裝備對(duì)人眼觀測(cè)和彩色成像探測(cè)技術(shù)的隱身性能。研究武器裝備光學(xué)灰度圖像與背景光學(xué)灰度圖像的相關(guān)系數(shù)參量，建立圖像與灰度直方圖、灰度共生矩陣等評(píng)估參量，用以評(píng)估武器裝備對(duì)高分辨率成像和多光譜成像偵察探測(cè)技術(shù)的隱身性能。

1.1 色差參量

色差是在可見光彩色圖像中識(shí)別武器裝備和背景的重要參量，采用相對(duì)色差參量作為人眼觀測(cè)彩色目標(biāo)場(chǎng)景圖像的隱身評(píng)估參量，相對(duì)色差參量參照CIE1976中標(biāo)準(zhǔn)色差參量建立，包括心理明度L*和2個(gè)心理色度a*，b*，成為L(zhǎng)*a*b*體系[8]。該體系可以由經(jīng)典的CIE-XYZ坐標(biāo)通過(guò)數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方程為：

式（1）中：X，Y，Z是物體的三刺激值；X0，Y0，Z0為CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體的三刺激值。

物體的三刺激值可以由目標(biāo)場(chǎng)景在可見光譜波段的光譜信息直接計(jì)算得到。在L*a*b*體系中，色差表達(dá)式為：

式（2）中：ΔL*為武器裝備與背景的明度差，Δa*、Δb*為武器裝備與背景的色度差，滿足

表1 人眼對(duì)色差ΔE*的敏感程度

通過(guò)對(duì)比武器裝備與背景的色差ΔE*，可以表征裝備與背景在色彩上的差異。色差表征參量主要用于目視偵察探測(cè)的隱身性能表征，參照色彩復(fù)印質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，人眼對(duì)色差ΔE*的敏感程度如表1所示。

1.2 灰度圖像特征參量

高分辨率灰度圖像是可見光偵察手段獲取的另一種常見的目標(biāo)場(chǎng)景光學(xué)載體，例如采用高分辨率相機(jī)、多光譜成像儀等設(shè)備。在現(xiàn)代圖像處理中，描述圖像性質(zhì)通常采用灰度直方圖、灰度共生矩陣等參量[9]。采用武器裝備圖像與背景圖像的灰度直方圖相關(guān)系數(shù)Sg和共生矩陣相關(guān)系數(shù)Sgc來(lái)表征目標(biāo)場(chǎng)景隱身特性。

灰度直方圖相關(guān)系數(shù)Sg的表達(dá)式為：

式（3）中：ni為武器裝備圖像中灰度級(jí)為i的像素?cái)?shù)；mi為背景圖像中灰度級(jí)為i的像素?cái)?shù)；E（n）為武器裝備圖像中像素的灰度值均值；E（m）為背景圖像中像素的灰度值均值。

Sg用來(lái)表征2幅圖像之間的相似程度，當(dāng)Sg較大時(shí)，表明2幅圖像灰度統(tǒng)計(jì)特性比較相似；反之，當(dāng)Sg較小時(shí)，表明2幅圖像灰度統(tǒng)計(jì)特性差別較大。武器裝備圖像與背景區(qū)域圖像的共生矩陣相關(guān)系數(shù)Sgc的表達(dá)式為：

式（4）中：PA（i，j）為武器裝備圖像灰度共生矩陣第i＋1行和第j＋1的元素；PB（i，j）為背景圖像灰度共生矩陣第i＋1行和第j＋1的元素；E（PA）為武器裝備圖像灰度共生矩陣的均值；E（PB）為背景圖像的灰度共生矩陣的均值。Sgc主要用來(lái)表示武器裝備圖像與背景圖像在紋理上的差異程度，Sgc越大，表明2幅對(duì)比圖像紋理差異越大，武器裝備與背景越容易被區(qū)分。

灰度圖像特征參量主要用來(lái)評(píng)估采用基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別算法的隱身目標(biāo)場(chǎng)景探測(cè)方法，包括Camaeleon、CAMWVA等。根據(jù)不同探測(cè)方法的靈敏度及具體探測(cè)設(shè)備獲取的圖像分辨率等，可確定最小區(qū)分的圖像灰度特征參數(shù)Sgmin和Sgcmin.如果武器裝備和背景圖像的灰度特征參量大于這2個(gè)最小值，則目標(biāo)場(chǎng)景可以被識(shí)別；如果小于2個(gè)最小值參量，則可以認(rèn)為被發(fā)現(xiàn)的概率較低，隱身效果較好。

2 紅外隱身性能表征評(píng)估

目前，紅外波段的偵測(cè)手段主要是通過(guò)熱紅外成像儀進(jìn)行探測(cè)的，紅外成像儀主要通過(guò)識(shí)別目標(biāo)場(chǎng)景與背景在輻亮度上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。紅外探測(cè)器獲取的目標(biāo)場(chǎng)景紅外輻射圖像亮度差異取決于目標(biāo)場(chǎng)景的黑體等效溫度。因此，采用黑體等效溫差來(lái)表征紅外光學(xué)隱身性能。

黑體等效溫度是用來(lái)描述物體紅外輻射的基本參量，武器裝備與背景的黑體等效溫差ΔTos的表達(dá)式為：

式（5）中：To為武器裝備的黑體等效溫度；Ts為背景的等效黑體溫度。

ΔTos越大，則武器裝備紅外特征與背景紅外特征差異越明顯，越容易被紅外探測(cè)裝置捕獲。此外，針對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景紅外成像設(shè)備空間分辨率越來(lái)越高的趨勢(shì)，采用目標(biāo)場(chǎng)景區(qū)域的黑體等效溫度均方根參數(shù)Torms作為表征參量，表達(dá)式為：

式（6）中：Torms表述武器裝備區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的等效溫度分布情況；N為武器裝備圖像區(qū)域點(diǎn)數(shù)；（i＝1，2，…，N）為各點(diǎn)的黑體等效溫度。

熱紅外成像系統(tǒng)綜合性能的一個(gè)重要參數(shù)是最小可分辨溫差ΔTmin，當(dāng)武器裝備與背景的黑體等效溫差ΔTos大于最小可分辨溫差ΔTmin時(shí)，可認(rèn)為武器裝備可以被探測(cè)。最小可分辨溫差ΔTmin主要與紅外探測(cè)器的性能和成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)有關(guān)，可以通過(guò)專業(yè)的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到。

3 激光隱身性能表征評(píng)估

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光探測(cè)雷達(dá)和激光制導(dǎo)已經(jīng)成為成熟的偵察設(shè)備，與光學(xué)成像偵察技術(shù)相比，激光偵察技術(shù)屬于主動(dòng)探測(cè)型，具有效率高、穿透能力強(qiáng)、定向性好等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)激光偵察技術(shù)特點(diǎn)，采用激光雷達(dá)截面LRCS參數(shù)來(lái)表征武器裝備對(duì)激光偵測(cè)的隱身性能。目標(biāo)場(chǎng)景對(duì)激光雷達(dá)截面LRCS的定義為激光雷達(dá)在接收機(jī)上產(chǎn)生同樣光強(qiáng)的全反射球體的橫截面積，即：

式（7）中：ρ是武器裝備的激光反射率；A是武器裝備的實(shí)際投影面積；Ω是武器裝備的散射波束立體角。

LRCS值越大，表明武器裝備越容易被激光雷達(dá)偵測(cè)或者被激光制導(dǎo)鎖定。激光雷達(dá)可探測(cè)的最小LRCS值與激光雷達(dá)的發(fā)射功率、探測(cè)距離、武器裝備材料的反射特性以及大氣傳輸特性等有關(guān)，可以通過(guò)探測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在一定的探測(cè)條件下，當(dāng)武器裝備的雷達(dá)截面LRCS小于激光雷達(dá)最小探測(cè)LRCS值時(shí)，可以認(rèn)為武器裝備無(wú)法被識(shí)別；反之，則表明武器裝備能夠被激光雷達(dá)偵測(cè)到。

4 結(jié)束語(yǔ)

武器裝備光學(xué)隱身性能表征參量直接影響著目標(biāo)場(chǎng)景隱身性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。利用目標(biāo)三維場(chǎng)景模型，研究不同偵察探測(cè)技術(shù)條件下武器裝備隱身光學(xué)性能的表征方法。隱身性能表征體系建立的關(guān)鍵在于建立目標(biāo)場(chǎng)景輻射特性、偵察背景等參數(shù)與表征參量的關(guān)系；隱身性能評(píng)估體系建立的關(guān)鍵在于建立表征參量與隱身效果之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合要評(píng)估的偵察背景參數(shù)，建立目標(biāo)場(chǎng)景隱身性能表征體系，表征參量包括CIE1976標(biāo)準(zhǔn)色差、灰度圖像特征參量、黑體等效溫差、黑體等效溫度均方根和有效橫截面等。然后根據(jù)不同光譜波段偵察方法、輻射特性的不同，建立可見光、紅外和激光偵察的隱身效果評(píng)估方法。

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〔編輯：劉曉芳〕

O433

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.030

2095－6835（2017）18－0030－04

邱守義（1975—），男，工程師，主要從事光纖通信技術(shù)研究。