空中隱身目標(biāo)天基探測技術(shù)淺析①

劉曉磊,董小萌，潘忠石，王世濤，宋鵬飛，王虎妹

(中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094)

0 引言

近年來發(fā)生的幾次局部戰(zhàn)爭，從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭，隱身飛機(jī)(包括隱身戰(zhàn)斗機(jī)、隱身轟炸機(jī)、隱身偵察機(jī)等)發(fā)揮了重要作用，美國也代表了隱身飛機(jī)的最先進(jìn)水平。隨著F-22和F-35等具有隱身能力的作戰(zhàn)飛機(jī)以及各種隱身兵器的相繼服役，現(xiàn)代武器系統(tǒng)呈現(xiàn)出以隱身為主要特征[1]，同時兼?zhèn)涓邫C(jī)動、超音速巡航、超低空飛行以及超視距打擊的能力，對以常規(guī)目標(biāo)為對象的國土防空預(yù)警探測系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，發(fā)展反隱身技術(shù)是保護(hù)國家安全的迫切需求。

隱身飛機(jī)采取了較強(qiáng)的雷達(dá)隱身技術(shù)，據(jù)報(bào)道稱，F(xiàn)-22飛機(jī)的前向RCS約0.01m2甚至更小，地基、?；揽疹A(yù)警雷達(dá)以及空基預(yù)警雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn)對該類目標(biāo)的探測識別。并且，由于地球曲率、地物遮蔽等限制，地基預(yù)警雷達(dá)的低空探測距離也是有限的[2]。

天基探測系統(tǒng)具有“站得高，看得遠(yuǎn)”優(yōu)勢，并且隨著紅外、光譜等光學(xué)探測技術(shù)不斷發(fā)展，未來有望通過天基光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)對此類高速運(yùn)動、超低空飛行的高威脅目標(biāo)的探測。本文以F-22 隱身飛機(jī)為研究對象，結(jié)合天基探測特點(diǎn)，分析天基探測的目標(biāo)及背景特性，基于分析結(jié)果，針對隱身目標(biāo)探測難點(diǎn)，分析了天基探測的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向，為后續(xù)天基探測技術(shù)及探測系統(tǒng)論證研究提供參考。

1 天基探測下的目標(biāo)及背景特性分析

1.1 F-22 目標(biāo)特性分析

(1)運(yùn)動特性

F-22 隱身飛機(jī)整個作戰(zhàn)過程包括起飛前準(zhǔn)備階段，出航飛行段和突防段，如下圖所示，其中飛行段巡航高度一般為8-12km，巡航速度為0.8-1Ma，加力飛行速度可達(dá)1.5Ma。

圖1 F-22 飛行剖面圖Fig.1 The flight section of F-22

隱身飛機(jī)所謂的“隱身”主要是指對雷達(dá)的隱身[3-4]，雖然以F-22 為代表的四代機(jī)采用了一些紅外隱身措施，但由于目標(biāo)高速飛行以及發(fā)動機(jī)發(fā)熱等，在紅外譜段具有一定輻射強(qiáng)度。飛機(jī)自身的紅外輻射主要來自以下幾個部分：機(jī)身蒙皮、發(fā)動機(jī)尾噴管/噴口、尾噴流。這些輻射源的量值主要與飛機(jī)動力系統(tǒng)及其運(yùn)行狀態(tài)、飛機(jī)外形、蒙皮表面材料光學(xué)特性以及外部環(huán)境條件等因素相關(guān)[5-6]。

(a)蒙皮輻射特性

蒙皮輻射特性由機(jī)體自身輻射和光照反射組成。飛機(jī)高速運(yùn)動的氣動加熱以及內(nèi)部系統(tǒng)熱傳導(dǎo)會使得蒙皮高于周圍背景溫度，具有輻射特性。根據(jù)資料調(diào)研，亞音速飛行條件下，飛機(jī)蒙皮溫度在零下幾十度至零度左右，根據(jù)普朗克輻射定律可計(jì)算得出特定溫度下的機(jī)身輻射，結(jié)合蒙皮發(fā)射率即可得到機(jī)體自身輻射。下圖計(jì)算了不同機(jī)體溫度和發(fā)射率分別為0.7和0.2時的光譜輻射亮度，從圖中可以看出，蒙皮輻射主要集中在長波紅外譜段。

圖2 飛機(jī)紅外輻射源示意圖Fig.2 Infrared radiation source of F-22

圖3 不同溫度及發(fā)射率下的蒙皮光譜輻射亮度Fig.3 Aircraft skin spectral radiance of different temperature and different emissivity

(b)尾噴管/噴口輻射特性

尾噴管位于機(jī)身側(cè)部或后部，其輻射能量主要來自發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃?xì)馊紵纬傻奈矅娏?，尾噴流?jīng)過噴管時熱量傳遞至噴管壁面。

飛機(jī)采取氣膜冷卻與夾層隔熱等措施，降低噴管外表面的溫度。根據(jù)調(diào)研，飛機(jī)尾噴口腔體等效黑體溫度約為600-750K，噴管外表面等效黑體溫度在300-400K，噴口及噴管外表面可符合黑體輻射規(guī)律，噴口及噴管外表面輻射亮度分析曲線如下圖所示。

(c)尾噴流輻射特性

飛機(jī)的燃料為航空汽油及航空煤油，主要成分是碳?xì)浠衔?，在發(fā)動機(jī)內(nèi)與空氣混合燃燒后的尾噴流的主要產(chǎn)物是水和二氧化碳。根據(jù)水和二氧化碳的分子輻射光譜，在紅外譜段主要有幾個發(fā)射峰，分別位于2.7μm、4.3μm、6.3μm 左右[7]。尾噴流光譜輻射特性仿真曲線如下圖所示。

圖4 尾噴口腔體及外表面光譜輻射亮度Fig.4 Spectral radiance of aircraft tail nozzle and surface

圖5 飛機(jī)尾噴流光譜發(fā)射峰分布曲線Fig.5 Spectral radiance of aircraft tail jet

在巡航高度上(9-10km)，發(fā)射峰的輻射能量受大氣吸收作用較小而顯現(xiàn)出與背景(發(fā)射譜段對應(yīng)的背景輻射較弱)較強(qiáng)的對比特性，可作為目標(biāo)探測的備選譜段。

目標(biāo)整體的輻射特性即為以上三部分特性綜合的結(jié)果，但不是三部分的簡單相加，由于噴管的輻射穿過尾焰時會被吸收，同時不同觀測方向會有機(jī)身遮擋等，還需要結(jié)合觀測視角具體考慮。

從上述分析可以看出，F(xiàn)-22目標(biāo)在紅外譜段具有明顯的輻射特征，尤其在中波、中長波紅外譜段，由于噴口高溫部位的固體輻射及尾噴流的氣體輻射貢獻(xiàn)，整體輻射強(qiáng)度在幾百W/sr，部分譜段可達(dá)到千W/sr量級。

1.2 探測背景分析

天基平臺對空中目標(biāo)探測主要以海背景、云背景為主，不同背景的光學(xué)特性不同，且在不同的條件下(觀測幾何、光照、季節(jié)等)呈現(xiàn)不同的輻射特性。云背景除受上述因素影響外，還與云的類型及其分布特性相關(guān)。云按照分布高度的不同，可分為低云、中云、高云，不同類型云的高度分布情況如下所示。

表1 不同類型云分布特性Tab.1 Distribution characteristics of different kinds of cloud

按照上述的云層類別以及分布情況，利用modtran 工具，對不同類型背景輻射特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。

圖6 背景輻射特性曲線Fig.6 Background radiation characteristic

從上圖中可以看出，海背景相比云背景輻射較強(qiáng)，原因是海水溫度較云高，一般為10-28℃左右，而云層處于一定高度，與高度處大氣溫度相當(dāng)，較高的云層還會處于冰晶狀，所以云層輻射整體上比海面輻射要弱。并且，不同類型云層，輻射情況不同。

2 空中目標(biāo)天基探測原理分析

天基探測時，空中目標(biāo)屬于小尺度目標(biāo)，并且由于目標(biāo)機(jī)動速度快、活動范圍廣，天基探測要求具備廣域的搜索能力，這就要求采用點(diǎn)目標(biāo)探測方式，來實(shí)現(xiàn)搜索效率與探測性能的平衡。

點(diǎn)目標(biāo)探測，顧名思義，目標(biāo)成像為點(diǎn)團(tuán)狀，沒有形態(tài)信息，在海面、云層等背景下，是一個復(fù)雜背景下的弱點(diǎn)目標(biāo)探測問題，探測系統(tǒng)需要在一個有起伏的背景下探測到含有目標(biāo)的像元。在圖像上表現(xiàn)為，含有目標(biāo)的像元被周圍純背景的像元包圍，探測系統(tǒng)需要將含有目標(biāo)的像元區(qū)分出來，如下圖所示。

圖7 亞像元探測場景示意Fig.7 Schematic diagram of subpixel detection

對于含有目標(biāo)的像元，輻射強(qiáng)度信號為：

IB+T=(AB-AT)×L(λB)+AT×L(λT)

其中AB為純背景像元在目標(biāo)高度處的覆蓋面積， AT為目標(biāo)面積， L(λB)為背景輻射亮度， L(λT)為目標(biāo)輻射亮度。

純背景像元，輻射強(qiáng)度信號為：

IB=AB×L(λB)

含有目標(biāo)像元與純背景像元的亮度差可以表示為：

由上式可見，對于一個特定系統(tǒng)對特定目標(biāo)的探測，影響探測結(jié)果的一個重要因素是背景強(qiáng)度。以輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的海背景為例，分析不同分辨率時的背景輻射強(qiáng)度如下所示。

圖8 不同分辨率下的背景輻射強(qiáng)度Fig.8 Background radiation intensity of Different GSD

從上面的分析可知，百米左右分辨率時背景強(qiáng)度為萬W/Sr，而所要探測的目標(biāo)僅為百W/Sr～千W/Sr，加上目標(biāo)像元內(nèi)除去目標(biāo)面積的背景能量，與純背景像元能量相比能量差也是微乎其微，背景能量極大影響目標(biāo)的探測性能。因此，飛機(jī)探測屬于強(qiáng)背景下的弱目標(biāo)探測，必須采取措施對強(qiáng)背景及雜波進(jìn)行抑制，以提高目標(biāo)背景對比特性，實(shí)現(xiàn)有效探測。

3 空中目標(biāo)探測關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)復(fù)雜背景抑制技術(shù)

空中目標(biāo)探測是一個復(fù)雜背景下的弱目標(biāo)探測問題，要想從輻射相對較強(qiáng)的背景雜波中探測提取出目標(biāo)，需要對背景進(jìn)行抑制?？蓞⒖紘忉槍\(yùn)動目標(biāo)探測技術(shù)，采用線列差分掃描探測技術(shù)，即在探測系統(tǒng)傳感器焦平面設(shè)置一定間隔的線列探測器，在進(jìn)行掃描成像時，由于探測器前后位置關(guān)系，會獲得多幅具有一定時間差的掃描圖像，如下圖所示。在多幅較短的掃描時間間隔內(nèi)目標(biāo)是運(yùn)動的，背景相對不變。多幅圖像進(jìn)行差分計(jì)算，相對不變的背景會被抵消，運(yùn)動目標(biāo)形成“正負(fù)點(diǎn)對”，可實(shí)現(xiàn)抑制背景，凸顯運(yùn)動目標(biāo)作用[8-10]。

這種技術(shù)能夠很好的抑制背景，但從技術(shù)本身還存在較多的難點(diǎn)問題，如從信息處理角度來說，需要線列圖像間具備較高的配準(zhǔn)精度，以實(shí)現(xiàn)較好的圖像差分。任何因?yàn)榕錅?zhǔn)精度不高出現(xiàn)的殘差都會對目標(biāo)檢測造成影響。

(2)紅外高靈敏度探測技術(shù)

經(jīng)過前面分析，空中目標(biāo)探測是探測系統(tǒng)需要將含有目標(biāo)的像元在純背景像元中區(qū)分出來，而這個可區(qū)分度是很小的。另一方面，天基探測時，探測距離較遠(yuǎn)，尤其是面向空中隱身飛機(jī)這種高動態(tài)目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋且減小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代價，中高軌道衛(wèi)星更能滿足需求，以中軌道8000km 為例，考慮斜視探測情況，探測距離可在10000km 以上，進(jìn)一步地，靜止軌道衛(wèi)星軌道高度36000km，探測距離可在40000km以上。因此發(fā)展紅外高靈敏度探測技術(shù)，甚至是甚高靈敏度探測技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)此類隱身目標(biāo)的探測。

圖9 線列差分掃描探測原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of Time-Differencing detection Techniques

(3)加強(qiáng)目標(biāo)背景耦合特性研究

目標(biāo)背景特性是分析系統(tǒng)探測可行性的輸入條件，對于空中目標(biāo)本身、海面、云層等背景特性研究很多單位都在開展，并獲得了一些數(shù)據(jù)。但由于空中目標(biāo)探測任務(wù)的特殊性，尤其是存在目標(biāo)處于不同高度、不同探測方向、不同背景，對于云層，目標(biāo)還有可能處于云層上、云層中和云層下等多種工況。單一關(guān)注靜態(tài)目標(biāo)特性和背景特性的簡單疊加是存在不足的，需要建立空中目標(biāo)和背景多維動態(tài)耦合模型，構(gòu)建三維背景環(huán)境，進(jìn)而分析空中目標(biāo)在不同高度運(yùn)動時與云的相對方位(遮擋、云影等)動態(tài)變化，形成與背景環(huán)境緊密耦合下的空中目標(biāo)特性數(shù)據(jù)，以支撐探測系統(tǒng)論證作為輸入。

4 總結(jié)

本論文從空中隱身飛機(jī)(F-22)目標(biāo)特性出發(fā)，結(jié)合天基探測下可能的背景特性分析，指出天基下的空中隱身目標(biāo)探測為復(fù)雜背景下的弱小目標(biāo)探測問題。同時，論文基于復(fù)雜背景弱小目標(biāo)探測原理分析，從天基可探測的角度，提出了天基探測空中目標(biāo)的三個重點(diǎn)研究問題。一是，復(fù)雜背景的抑制問題，針對此問題，參考國外相關(guān)研究情況，提出了時差圖像差分抵消背景是解決復(fù)雜背景抑制的一個有效途徑。二是，開展高靈敏度探測技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)弱目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測。三是，加強(qiáng)目標(biāo)背景特性研究，尤其是考慮目標(biāo)背景三維幾何關(guān)系的耦合特性研究，為探測技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。