煙幕對光電制導(dǎo)目標(biāo)識別能力干擾效果研究

薛 鵬,董文鋒,羅 威

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

1 引 言

光電成像末制導(dǎo)武器效費比高,在戰(zhàn)場應(yīng)用中顯示了巨大的威力,對重要目標(biāo)的戰(zhàn)場生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。煙幕作為光電無源對抗的一種重要手段,能夠?qū)怆娭茖?dǎo)武器造成有效干擾。煙幕是由以空氣為分散介質(zhì),懸浮在空氣中大量的細小微粒組成的混合物、化合物或單質(zhì)構(gòu)成,通常稱為氣溶膠(固體、液體或混合體)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中煙幕的作用越來越大,應(yīng)用范圍越來越廣,已經(jīng)從早期對抗可見光波段,發(fā)展到可以對抗紫外、微光、紅外,甚至擴展到毫米波波段,集遮蔽、偽裝、掩護和支援于一體,又兼具很高的性價比[2-3]。

對煙幕干擾的效果研究:文獻[1]仿真分析了煙幕干擾條件下的導(dǎo)彈脫靶量,結(jié)果表明煙幕干擾后的彈道傾角減小,彈著點散布中心的分布位于攻擊方向前側(cè),側(cè)向偏離目標(biāo)不大；文獻[3]和文獻[4]以紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈收到的制導(dǎo)信號信噪比(SNR)為指標(biāo),評估了煙幕的干擾效果,得出了煙幕干擾使用原則和方法；文獻[5]結(jié)合煙幕彈發(fā)射延誤和艦艇機動等因素,建立了艦載煙幕遮蔽干擾效果成功概率模型,得到了干擾的最佳決策；文獻[6]分析了實施煙幕干擾后制導(dǎo)武器的跟蹤回路信號狀態(tài)變化造成導(dǎo)彈精度的變化情況。本文研究煙幕對可見光和紅外目標(biāo)識別性能的影響。通過搭建煙幕干擾實驗平臺,分別研究煙幕對紅外成像制導(dǎo)和景象匹配制導(dǎo)的作用,模擬了戰(zhàn)場環(huán)境,得到了煙幕對紅外成像制導(dǎo)和景象匹配制導(dǎo)的干擾效果。

2 煙幕消光原理

各種煙幕對不同類型光電裝備具有不完全相同的作用效果,是因為構(gòu)成煙幕的物質(zhì)、粒子形狀、粒子質(zhì)量分布等不同,導(dǎo)致在大氣環(huán)境中對光線的折射、散射和吸收能力不同,所以表現(xiàn)出了不同的作用效果,大氣環(huán)境本身對煙幕的使用也有一定的影響。

輻射在介質(zhì)中傳播時與介質(zhì)相互作用會受到削弱。假設(shè)入射光強度為I(λ),通過厚度為dy的介質(zhì)后,強度變化為I(λ)+dI(λ),則:

dI(λ)=-I(λ)σe(λ,y)dy

(1)

式中，σe(λ,y)是介質(zhì)的線性消光系數(shù),解方程得:

(2)

y1和y2為相距L的兩點橫坐標(biāo),在均勻介質(zhì)中式可以寫為:

I(λ)=I0(λ)exp[-σe(λ)L]

(3)

上式即為Beer定律,也稱Bouguer-Beer定律。

事實證明,光被煙幕中的物質(zhì)吸收時，σe和濃度C成正比:

σe=αeC

(4)

式中,αe是質(zhì)量消光系數(shù),將式(4)代入式(3)中可得[7]:

I(λ)=I0(λ)exp[-αe(λ)CL]

(5)

上式即為Lambert-Beer定律,它成立的條件是各個粒子對光的吸收和散射作用相互獨立,但只有濃度C較小(光譜透過率≥5%)時成立。

2.1 煙幕對可見光的作用

區(qū)別出一個物體,需要將其亮度和顏色和背景作對比。如果物體亮度或顏色和背景之間有一定的差異(即對比度),對比度的定義如下:

(6)

其中,I為物體的色度或者亮度;I′為背景的色度或者亮度。

在目標(biāo)和觀察者之間存在煙幕時,由于煙幕的作用會降低對比度,此時的對比度為[8]:

(7)

式中,α為煙幕消光系數(shù);C為煙幕濃度;L為光程;G為煙幕自身輻射亮度。從式中可以看出,煙幕的作用是降低了目標(biāo)和背景的亮度,并將自身的輻射亮度加入背景,減小了目標(biāo)與背景的對比度,產(chǎn)生了遮蔽作用。普遍認(rèn)為煙幕對可見光的完全遮蔽透過率閾值TOP為1.25%,即當(dāng)物體的光強被削弱掉98.75%降至1.25%時,目標(biāo)恰好完全不可見。

2.2 煙幕對紅外輻射的作用

任何非熱力學(xué)零度的物體都有熱輻射。普朗克黑體輻射定律指出,黑體的光譜輻射出射度為:

(8)

式中,Wλ單位為W/(m2·μm);λ為波長,單位為μm,普朗克常數(shù)h=6.6262×10-31J·s;玻爾茲曼常數(shù)kB=1.38×10-23J/K;c為光速;熱力學(xué)溫度T的單位為K。將已知數(shù)值代入,可以得到:

(9)

式中,第一輻射常數(shù)c1=3.7415±0.0003×108W·μm4/m2;第二輻射常數(shù)c2=1.43879±0.00019×104μm·Κ。

煙幕對紅外輻射的作用主要包括輻射遮蔽和衰減遮蔽兩種。

輻射遮蔽是利用自身燃燒產(chǎn)生大量高溫氣溶膠粒子輻射出比目標(biāo)更強的紅外輻射,將目標(biāo)的紅外特征覆蓋,成像結(jié)果呈現(xiàn)一片明亮的景象,使光電設(shè)備無法分辨出目標(biāo)。

衰減是煙幕最主要的作用機制。衰減是指將目標(biāo)和背景的紅外輻射進行反射、散射和吸收作用,使進入紅外探測器的輻射能量低于探測閾值,導(dǎo)致目標(biāo)難以被發(fā)現(xiàn)。煙幕對紅外輻射作用原理如圖1所示。

圖1 煙幕對紅外輻射作用原理

煙幕粒子的直徑等于或略大于入射波長時,衰減作用最強。不同成分的煙幕對不同波段的紅外輻射有不同的遮蔽效果,比如在普通煙幕中加入煤焦油、聚氯乙烯等化合物,會使發(fā)煙劑燃燒后產(chǎn)生大量直徑為1～10 μm的碳粒,使煙幕對3.2 μm以上的紅外輻射吸收能力得到極大的改善。

以紅外系統(tǒng)作用距離和對目標(biāo)識別效果作為評價指標(biāo)衡量煙幕對紅外成像制導(dǎo)干擾效果的好壞。

紅外作用距離包括探測距離和成像距離。當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)較遠時,將目標(biāo)視為點目標(biāo),探測距離計算公式為[9]:

ΔTtbe-δR=SNR·α·β·NETD·R2/S

(10)

其中,ΔTtb為目標(biāo)與背景的輻射溫差;R為某探測概率下的探測距離;SNR為閾值信噪比;NETD為系統(tǒng)的噪聲等效溫差;α和β為探測器的瞬時視場角;S為目標(biāo)橫截面積;δ為目標(biāo)與探測器之間的衰減系數(shù)。

當(dāng)導(dǎo)彈逐漸飛近目標(biāo)時,在某觀察等級下的成像距離和溫差的關(guān)系為:

ΔT=ΔTtb·τair·Ri≥MRTD(f)

(11)

其中,ΔT為經(jīng)過大氣衰減后目標(biāo)與背景的視在溫差;Ri為成像距離;MRTD(f)為探測系統(tǒng)最小可分辨溫差,與頻率(波長)有關(guān)。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗分為兩個部分:第一部分是煙幕對紅外成像制導(dǎo)的干擾實驗；第二部分是煙幕對景象匹配制導(dǎo)的干擾實驗。煙幕干擾實驗平臺如圖2所示。

煙幕箱材質(zhì)為有機玻璃,紅外波段的光無法透過,因此在煙幕箱上方裝了可拆卸玻璃蓋,以便實驗時紅外熱像儀可以觀察到箱體內(nèi)部的情況。煙幕發(fā)生器采用新一代高分子底煙技術(shù),可連續(xù)工作幾小時,產(chǎn)生大量且濃重的煙幕,具有很好的遮蔽效果；紅外熱像儀為FLIR公司生產(chǎn)的T450sc型紅外熱像儀,該型紅外熱像儀成像質(zhì)量為320×240像素,30 ℃時熱靈敏度小于30 mK,測溫范圍為-20～1500 ℃,幀頻為60 Hz,波段范圍為7.5～13 μm,同時還可以生成310萬像素的可見光圖像；因此該平臺可以同時滿足煙幕對可見光和紅外成像的干擾實驗；紅外圖像分析處理軟件為FLIR Tools,該軟件具有布置測量工具、更改參數(shù)、處理注釋、創(chuàng)建繪圖、創(chuàng)建全景、創(chuàng)建報告等功能,軟件使用界面如圖3所示。

圖3 FLIR Tools軟件界面

兩部分的模擬實驗都是基于表1所示的環(huán)境條件完成的。

表1 實驗環(huán)境初始條件

3.1 煙幕干擾紅外成像制導(dǎo)

真實戰(zhàn)場上裝備的主要發(fā)熱部位為發(fā)動機,且發(fā)動機一般都為鋁制,所以實驗選用的模擬目標(biāo)是高為91 mm,直徑為55 mm的鋁罐。實驗時往鋁罐內(nèi)加入熱水或?qū)ζ浣禍?可較為真實的模擬發(fā)動機工作和非工作兩種狀態(tài)。模擬目標(biāo)如圖4所示。

圖4 模擬目標(biāo)

實驗開始前,將裝入熱水的模擬目標(biāo)放入煙幕箱內(nèi),調(diào)整好紅外熱像儀的角度,打開紅外熱像儀視頻錄制開關(guān),然后持續(xù)充煙至目標(biāo)區(qū)域最高溫度不變時停止充煙,結(jié)束錄制,分析處理結(jié)果。實驗過程如圖5所示。

圖5 煙幕對紅外成像干擾實驗

利用MATLAB軟件從錄制的視頻中截取六個不同時刻的圖像,如圖6所示。

圖6 不同時刻干擾結(jié)果

從圖6可知,背景溫度為30.3 ℃,隨著煙幕濃度的增加,煙幕的衰減遮蔽作用越來越明顯,目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的最高溫度由45 ℃降至31.4 ℃,降幅達30.22%；當(dāng)煙幕箱內(nèi)濃度非常高時,煙幕甚至能使目標(biāo)發(fā)生形變,如圖6(f)所示。以圖6(f)的煙幕濃度為100%,可得煙幕的干擾結(jié)果如表2所示。

表2 干擾結(jié)果統(tǒng)計表

從作用距離的角度考慮煙幕干擾效果,根據(jù)表2可以計算出當(dāng)溫差最高為15 ℃時,某條件下的探測距離R≈10.97 km；施放煙幕后溫差降至1.4 ℃,探測距離R≈3.06 km,下降幅度達70%。

從煙幕對目標(biāo)識別性能的影響角度來看,以圖6(a)和圖6(f)為例,利用一種易于實現(xiàn)的紅外目標(biāo)識別算法(原始圖像灰度化-中值濾波-圖像二值化-識別),可得如圖7所示結(jié)果。

圖7 識別結(jié)果

可以看出,充煙前無干擾的情況下,可以較好地識別出模擬目標(biāo),且目標(biāo)輪廓清晰光滑；干擾后的識別結(jié)果有很大的缺陷,已經(jīng)不能有效識別目標(biāo)。因此該部分實驗證明:煙幕無論是對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的作用距離還是對其目標(biāo)識別能力都能夠造成干擾,有效降低紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的性能,可以滿足對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的干擾要求。

3.2 煙幕干擾景象匹配制導(dǎo)

景象匹配制導(dǎo)多采用可見光波段。煙幕對景象匹配制導(dǎo)的干擾主要是通過遮蔽作用降低目標(biāo)區(qū)域和背景的對比度,使景象匹配制導(dǎo)系統(tǒng)無法完成有效匹配。

SIFT匹配算法[10]因其具有較好的抗光照變化、抗角度變化和抗尺度變化特性,還具有一定的仿射不變性和投射不變性而得到了廣泛應(yīng)用。以圖6中(a)圖和(f)圖對應(yīng)的可見光圖像為例,利用SIFT算法對其匹配,結(jié)果如圖8所示。

圖8 SIFT算法景象匹配結(jié)果

從匹配結(jié)果來看,充煙前的SIFT匹配算法可以找到大量互匹配點,且正確率為100%；當(dāng)煙幕濃度較高時,煙幕完全遮蔽了目標(biāo)(如圖7(b)所示),充煙干擾后的匹配算法受影響較為嚴(yán)重,找不到任何互匹配點,SIFT匹配算法完全失效。因此該部分實驗證明:煙幕可以對景象匹配制導(dǎo)系統(tǒng)造成有效干擾,高濃度時可以完全遮蔽目標(biāo),使其匹配算法失效,進而導(dǎo)致景象匹配制導(dǎo)系統(tǒng)無法有效工作。

4 結(jié) 論

煙幕對光電制導(dǎo)的干擾效果問題,搭建了針對紅外成像制導(dǎo)和景象匹配制導(dǎo)兩個方面的煙幕干擾實驗平臺,模擬了戰(zhàn)場環(huán)境,獲得了大量實驗數(shù)據(jù),為煙幕防護的外場實驗和使用提供了參考依據(jù)。實驗結(jié)果證明:煙幕能夠有效降低紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的作用距離和目標(biāo)識別能力；能夠?qū)跋笃ヅ渲茖?dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)識別能力造成嚴(yán)重影響,甚至使其完全失效。在實際作戰(zhàn)中,煙幕防護效能的發(fā)揮受環(huán)境因素和使用方法的影響較大,因此在接下來的研究中,將重點考慮實際中環(huán)境因素和不同的使用方法對煙幕干擾光電制導(dǎo)系統(tǒng)效果的影響。

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