天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)成像效果分析

張雅聲 戴樺宇 周海俊 趙雙

摘 要： 目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題是彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的核心難題之一，紅外成像仿真研究是目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的重要手段。為此，建立天基紅外傳感器對(duì)大氣層外彈道式目標(biāo)點(diǎn)源成像模型，利用STK/EOIR模塊，從天基傳感器相機(jī)參數(shù)和目標(biāo)特性兩個(gè)方面仿真空間目標(biāo)的紅外成像效果，重點(diǎn)分析相機(jī)的視線抖動(dòng)、相機(jī)系統(tǒng)噪聲以及不同波段等因素對(duì)目標(biāo)的成像效果影響。所得結(jié)果能夠?yàn)榛诩t外輻射特性的空間目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： 天基紅外傳感器； 空間目標(biāo)； 紅外成像； STK/EOIR； 視線抖動(dòng)； 系統(tǒng)噪聲

中圖分類(lèi)號(hào)： TN214?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）22?0005?04

Abstract： The target recognition problem is one of the core difficulties of the ballistic missile defense system， and the infrared imaging simulation research is an important means of target detection and recognition. The point?source imaging model of the ballistic target above the atmosphere is established by using the space?based infrared sensor. The STK/EOIR module is used to simulate the infrared imaging effect of the space target from two aspects of camera parameters of the space?based sensor and target features. Influences of factors such as camera′s line?of?sight jitter， camera system noise and different wave bands on the imaging effect of the target are emphatically analyzed. The obtained results can provide data support for the research on space target recognition technology based on infrared radiation features.

Keywords： space?based infrared sensor； space target； infrared imaging； STK/EOIR； line?of?sight jitter； system noise

天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的紅外成像是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)信息處理的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。國(guó)外也已經(jīng)從簡(jiǎn)單的目標(biāo)成像發(fā)展到加入各不同影響因素情況下的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)紅外成像，并研制出了較為成熟的系統(tǒng)可視化仿真軟件[1?6]。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了不少研究成果，但是在仿真計(jì)算中所考慮的因素以及模型精度等方面還比較有限[7?11]。本文通過(guò)構(gòu)建傳感器對(duì)目標(biāo)動(dòng)態(tài)成像仿真模型架構(gòu)，充分考慮了傳感器、目標(biāo)物體和環(huán)境之間的相互作用，開(kāi)展基于STK/EOIR模塊的天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的紅外成像仿真研究，結(jié)果可為天基預(yù)警探測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別提供較為精確的成像仿真數(shù)據(jù)支持。

1 點(diǎn)源成像模型

低軌預(yù)警系統(tǒng)的傳感器對(duì)中段目標(biāo)是點(diǎn)源成像還是面源成像，與目標(biāo)的尺寸大小、傳感器的空間分辨率有關(guān)[11]。目標(biāo)在傳感器焦平面上的成像效果可以通過(guò)目標(biāo)對(duì)傳感器像元的投影立體角來(lái)判斷。目標(biāo)在傳感器視場(chǎng)中的投影立體角可以近似表示為：

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 STK/EOIR模塊

STK/EOIR是由Space Dynamics Lab（SDL）開(kāi)發(fā)的光電紅外探測(cè)模塊，可用于空間目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、成像等，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括對(duì)地觀測(cè)、彈道導(dǎo)彈防御、空間預(yù)警以及太陽(yáng)系內(nèi)的空間探測(cè)研究[12]。

用戶可以對(duì)所用的光電紅外傳感器進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和成像建模及相應(yīng)的性能參數(shù)定義。STK/EOIR充分考慮了傳感器、目標(biāo)物體和環(huán)境之間的相互作用，建立了高可信度的無(wú)線電傳感器模型，用戶使用STK/EOIR模塊可以進(jìn)行集成一體化的傳感器與任務(wù)設(shè)計(jì)。EOIR可以較好地應(yīng)用于本文中的紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的成像仿真研究。

2.2 仿真流程

本文構(gòu)建的天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的成像仿真流程如圖1所示。

圖1給出天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的成像仿真流程圖。仿真構(gòu)架包括衛(wèi)星的軌姿運(yùn)動(dòng)模塊、傳感器成像模塊、目標(biāo)紅外輻射模塊等。基于本文構(gòu)建的紅外成像仿真構(gòu)架，開(kāi)展天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)的紅外成像仿真與分析。

天基紅外傳感器對(duì)空間目標(biāo)（群）的成像仿真參數(shù)設(shè)置如下：

1） 傳感器參數(shù)設(shè)置。平臺(tái)的傳感器參數(shù)設(shè)置參考“彈道中段空間試驗(yàn)”（Midcourse Spaced Experiment，MSX）衛(wèi)星所攜帶的光學(xué)測(cè)量載荷“太空紅外成像望遠(yuǎn)鏡”（SPIRIT Ⅲ）給出的參數(shù)[13]，紅外探測(cè)波段分別為：6.03～10.91 ?m（中波），11.1～13.24 ?m（中長(zhǎng)波），13.5～16 ?m（長(zhǎng)波）。傳感器其他參數(shù)如表1所示。

2） 空間目標(biāo)群設(shè)置。設(shè)空間目標(biāo)分別為導(dǎo)彈目標(biāo)與誘餌目標(biāo)構(gòu)成目標(biāo)群，導(dǎo)彈形狀為圓錐形彈頭與圓柱形彈體組合而成，誘餌則設(shè)計(jì)成球形。根據(jù)文獻(xiàn)[14?15]中材質(zhì)的平衡溫度計(jì)算結(jié)果分別設(shè)定各目標(biāo)在中段飛行過(guò)程中的平衡溫度及材質(zhì)屬性，如表2所示。

3） 目標(biāo)軌道參數(shù)。設(shè)導(dǎo)彈的發(fā)射點(diǎn)為（78.69°E，46.12°N）；落地點(diǎn)為（110.65°E，67.36°N）。導(dǎo)彈采用彈道式飛行，最大飛行高度為1 000 km，射程約為5 000 km。對(duì)大氣層外某一時(shí)間段進(jìn)行仿真，誘餌與彈頭的飛行軌跡近似相同。

4） 目標(biāo)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)[16]：導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)速率為[20 revs/min]，進(jìn)動(dòng)速率為[3 revs/min]，進(jìn)動(dòng)角為5°；誘餌旋轉(zhuǎn)速率為[28 revsmin]，進(jìn)動(dòng)速率為[4 revs/min]，進(jìn)動(dòng)角為8°。

2.3 仿真結(jié)果與分析

1） 傳感器視線軸抖振對(duì)成像效果影響。首先利用傳感器對(duì)空間彈頭目標(biāo)進(jìn)行觀察成像，在成像過(guò)程中設(shè)目標(biāo)始終在傳感器光軸所指方向。傳感器視線軸抖振幅度為0 mard時(shí)，單個(gè)空間目標(biāo)的紅外成像效果圖如圖2所示。從圖2可以看出，在理想情況下，即傳感器視線軸不存在抖振時(shí)，目標(biāo)的紅外成像都主要集中在傳感器視場(chǎng)中央以點(diǎn)源目標(biāo)的形式呈現(xiàn)出來(lái)，并且能明顯看出彈頭目標(biāo)的紅外輻射能量主要聚集在傳感器視場(chǎng)中心的像素點(diǎn)內(nèi)。

此外，不同波段所體現(xiàn)出的目標(biāo)紅外成像效果也不盡相同，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是在中波成像的視場(chǎng)焦平面上能夠看到除彈頭之外的其他較為模糊的像素點(diǎn)，這可能是太空碎片或者恒星。而在其他波段這些碎片（恒星）卻體現(xiàn)的并不明顯，這是因?yàn)樵谥虚L(zhǎng)波及長(zhǎng)波波段，目標(biāo)被背景噪聲所淹沒(méi)；其次，在本文仿真條件下，能夠明顯看出目標(biāo)在中波成像視場(chǎng)內(nèi)的像素效果要好于中長(zhǎng)波及長(zhǎng)波，彈頭目標(biāo)的成像亮度要更加強(qiáng)烈。

將傳感器的視線抖動(dòng)幅度設(shè)置為5 mard，其他參數(shù)不變，彈頭目標(biāo)在傳感器焦平面的成像如圖3所示。

從圖3可以看出，在傳感器視場(chǎng)焦平面上空間目標(biāo)成像效果不再是由一個(gè)像素點(diǎn)組成，而是以投影點(diǎn)為中心的周?chē)鷰讉€(gè)像素點(diǎn)共同形成。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因主要是視線抖振的影響，空間目標(biāo)在傳感器焦平面上的投影位置在鄰近的像素上產(chǎn)生變化，在相同積分時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)的輻射能量也分布到了這些像素點(diǎn)上。在本文仿真條件下，天基紅外傳感器輸出的成像效果是經(jīng)過(guò)自適應(yīng)增益控制處理后的焦平面圖像。圖3相比圖2，雖然目標(biāo)的成像效果更加清晰，并不代表圖3的成像質(zhì)量更高。實(shí)際上，與圖3像素點(diǎn)相比，圖2的成像質(zhì)量更高。這是由于在圖2中目標(biāo)的輻射能量聚集在中心像素點(diǎn)，目標(biāo)信噪比較高，有利于目標(biāo)檢測(cè)處理；而在圖3中添加了紅外傳感器的視線抖動(dòng)幅度，導(dǎo)致圖3目標(biāo)的輻射能量分散到周?chē)鄠€(gè)像元，降低了傳感器的信噪比，不利于目標(biāo)的檢測(cè)處理。

2） 傳感器系統(tǒng)噪聲對(duì)成像效果的影響。考察傳感器噪聲等效輻照度（Noise Equivalent Irradiance，NEI）和飽和等效輻照度（Saturation Equivalent Irradiance，SEI）對(duì)空間目標(biāo)紅外成像效果的影響。在圖2的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整傳感器NEI和SEI的參數(shù)值。圖4是當(dāng)[NEI=1×10-20 W/cm2]和[SEI=3×10-20 W/cm2]的成像效果。

在圖2的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整傳感器NEI和SEI的參數(shù)值。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，NEI是影響傳感器對(duì)空間目標(biāo)紅外成像效果的主要因素。因此，可以通過(guò)降低傳感器的等效噪聲輻照度來(lái)提高傳感器對(duì)空間目標(biāo)的成像質(zhì)量，這也為設(shè)計(jì)與制造紅外傳感器關(guān)鍵器件提供了思路。

3） 傳感器對(duì)目標(biāo)群的成像分析。導(dǎo)彈目標(biāo)在飛行過(guò)程中，周?chē)鷷?huì)有其他干擾目標(biāo)伴飛。設(shè)一次性拋灑10個(gè)干擾物，把彈頭包裹在中心，形成一個(gè)目標(biāo)群。這些干擾物材質(zhì)包含白色熱控材料、鋁漆、黑漆、石墨敷層、拋光金片、銀質(zhì)敷層以及可自定義發(fā)射率和反射率的灰體；類(lèi)型有誘餌、碎片、母艙等；形狀為圓錐、圓柱、圓形、立方體等。利用天基紅外傳感器對(duì)其進(jìn)行跟蹤成像，設(shè)傳感器光軸指向始終指向目標(biāo)中心（彈頭）。圖5為傳感器在中波紅外條件下所獲取的目標(biāo)群成像示意圖。

在目標(biāo)釋放后初始的一段時(shí)間內(nèi)，由于目標(biāo)相互之間距離很近且傳感器與目標(biāo)的距離很遠(yuǎn)，目標(biāo)群在傳感器焦平面上的圖像為一塊無(wú)法分辨的亮斑；隨著目標(biāo)群的逐漸擴(kuò)散，傳感器得以逐漸分辨出其中的部分目標(biāo)。從圖5可以看出，當(dāng)空間目標(biāo)在陰影區(qū)飛行時(shí)，隨著目標(biāo)表面溫度的逐漸降低，焦平面圖像中各目標(biāo)的亮度也逐漸變?nèi)?，甚至有一些目?biāo)會(huì)淹沒(méi)在圖像背景噪聲中；而當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入陽(yáng)光區(qū)飛行時(shí)，由于陽(yáng)光對(duì)目標(biāo)表面的加熱效應(yīng)，目標(biāo)的表面紅外輻射強(qiáng)度增加，目標(biāo)又能夠重新被傳感器檢測(cè)到。隨著時(shí)間推移，像斑在傳感器視場(chǎng)中會(huì)發(fā)生分裂、融合以及再分裂、再融合等現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是：觀測(cè)平臺(tái)與目標(biāo)群處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器視場(chǎng)對(duì)目標(biāo)群的觀測(cè)角度不斷發(fā)生變化，使得目標(biāo)在傳感器焦平面上的投影位置發(fā)生改變，從而導(dǎo)致像斑數(shù)目的減少或增加。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)建立天基紅外傳感器對(duì)大氣層外彈道式目標(biāo)點(diǎn)源成像模型，利用STK/EOIR模塊分別仿真分析了天基紅外傳感器視線軸抖振、傳感器等效噪聲輻照度水平等因素對(duì)空間目標(biāo)/群動(dòng)態(tài)成像效果的影響，所得結(jié)果能夠?yàn)榛诩t外輻射特性的空間目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

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