基于靶標(biāo)輻射元的IR-JST溫度反演方法研究

張冬曉,陳志斌,肖 程,秦夢(mèng)澤

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系,河北 石家莊 050003；2.中國(guó)人民解放軍32181部隊(duì),河北 石家莊 050003)

1 引 言

紅外成像制導(dǎo)以其高精度制導(dǎo)能力以及全天候作戰(zhàn)特點(diǎn),逐漸成為信息化戰(zhàn)場(chǎng)上不可或缺的打擊手段。但是隨著各種干擾技術(shù)的日趨成熟,紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜,使其高精度制導(dǎo)能力受到抑制[1]。為使紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)(IRIGS)在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮最大的效能,必須在制導(dǎo)系統(tǒng)的研制和日常維護(hù)過(guò)程中,對(duì)導(dǎo)引系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和評(píng)估。

目前用于檢測(cè)IRIGS抗干擾性能的方法主要有外場(chǎng)靶試法和數(shù)字仿真法[2]。外場(chǎng)靶試法是在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)彈實(shí)彈測(cè)試,該方法測(cè)試精度高且最接近導(dǎo)彈的實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn),但是缺點(diǎn)是成本高、不適用與日常檢測(cè)；數(shù)字仿真法是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法,其核心是用計(jì)算機(jī)生模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及干擾源特征,利用紅外景象投影系統(tǒng)將戰(zhàn)場(chǎng)圖像投射到紅外成像導(dǎo)引頭來(lái)完成評(píng)估。此方法的缺點(diǎn)是仿真環(huán)境與真實(shí)環(huán)境很大差別,使得評(píng)估結(jié)果帶有誤差。

本文針對(duì)數(shù)字仿真法的缺點(diǎn),提出了一種基于熱電器件陣列的紅外成像干擾模擬靶標(biāo),采用熱電器件陣列模擬各種干擾手段并置于真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行抗干擾性能的檢測(cè)。

2 紅外成像干擾模擬靶標(biāo)生成方法

紅外成像干擾模擬靶標(biāo)用以模擬各類干擾手段,常見的干擾手段有,紅外煙幕干擾、紅外假目標(biāo)干擾和紅外隱身干擾等[2]。這些干擾手段的核心均為改變目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度或輻射分布,使得IRIGS丟失目標(biāo)的外形信息。其中紅外煙幕干擾本質(zhì)是用紅外煙幕掩蓋目標(biāo)紅外輻射；紅外假目標(biāo)是模擬真目標(biāo)的紅外輻射特征,誘騙IRIGS；紅外隱身是模擬背景輻射分布,使目標(biāo)與背景融為一體。根據(jù)上述分析可知,本文所提紅外成像干擾模擬靶標(biāo)必須具有改變紅外輻射分布以及紅外輻射強(qiáng)度的能力,由斯忒潘—波爾茲曼定律可知,紅外輻射強(qiáng)度可通過(guò)溫度和發(fā)射率進(jìn)行控制。從目前已有的變發(fā)射率材料來(lái)看,其動(dòng)態(tài)范圍有限,不能適應(yīng)溫度變化較大的環(huán)境[3]。所以一般采用變溫材料,其中熱電材料可通過(guò)加載在材料兩端的電場(chǎng)對(duì)材料溫度進(jìn)行控制,成為干擾模擬靶標(biāo)的首選材料?？紤]到改變紅外輻射分布的要求,將電致變溫材料陣列化,每個(gè)變溫材料單元可看作陣列中的一個(gè)輻射元,通過(guò)控制每個(gè)輻射元的紅外輻射,即可形成不同的紅外輻射分布。

比較上述幾種干擾手段可知,紅外煙幕干擾及紅外假目標(biāo)干擾只需模擬干擾源的紅外輻射特征,相比于此,紅外隱身干擾需要模擬復(fù)雜背景的紅外輻射特征,并控制干擾模擬靶標(biāo)自身紅外輻射,使之與背景相一致[4],是幾種干擾手段中最為困難的一種。所以本文以紅外隱身干擾為重點(diǎn),分析紅外成像干擾模擬靶標(biāo)生成方法。

紅外隱身干擾模擬靶標(biāo)的工作原理如圖1所示,靶標(biāo)位于被測(cè)導(dǎo)引頭視場(chǎng)中,并遮擋了部分背景,這部分背景與靶標(biāo)形成投影關(guān)系。位于靶標(biāo)后方的紅外熱像儀實(shí)時(shí)探測(cè)背景的紅外輻射分布,并根據(jù)投影關(guān)系將遮擋的部分背景重投影到干擾模擬靶標(biāo)上,此時(shí)熱電器件陣列中的每一個(gè)輻射元分別對(duì)應(yīng)遮擋背景的一部分。最后由遮擋背景的紅外圖像反演出熱電器件各輻射元的控制溫度,進(jìn)而控制干擾模擬靶標(biāo)復(fù)現(xiàn)被遮擋住的部分背景。最后由被測(cè)導(dǎo)引頭接收隱身后的靶標(biāo)圖像,評(píng)估被測(cè)導(dǎo)引頭的抗干擾性能。

圖1 紅外隱身干擾模擬靶標(biāo)工作原理Fig.1 The operating principle of the infrared stealth JST

2.1 遮擋背景重投影模型

由以上分析可知,生成紅外隱身干擾模擬靶標(biāo)的第一步是建立干擾模擬靶標(biāo)與被遮擋背景之間的空間映射關(guān)系,這種空間映射關(guān)系以透視投影關(guān)系為基礎(chǔ),其特點(diǎn)在于坐標(biāo)系的建立和轉(zhuǎn)換[5]。所以首先根據(jù)紅外隱身干擾模擬靶標(biāo)工作原理建立坐標(biāo)系。

根據(jù)被測(cè)導(dǎo)引頭、干擾模擬靶標(biāo)以及紅外熱像儀三者的位置關(guān)系,建立三套坐標(biāo)系,分別為:靶標(biāo)坐標(biāo)系Ob-XbYbZb；熱像儀坐標(biāo)系OT-XTYTZT；導(dǎo)引頭坐標(biāo)系Oc-XcYcZc,三套坐標(biāo)系的定義方法如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系之間的關(guān)系Fig.2 The relation between coordinate systems

背景重投影模型的最終目的是在位于靶標(biāo)后方的熱像儀所拍攝的背景圖像上定位被靶標(biāo)遮擋的部分背景并與靶標(biāo)上各輻射元相對(duì)應(yīng),模型的建立需用到攝像機(jī)模型以及坐標(biāo)變換模型。

首先將靶標(biāo)上各點(diǎn)坐標(biāo)以導(dǎo)引頭坐標(biāo)系表示,并通過(guò)在導(dǎo)引頭坐標(biāo)系處建立虛擬攝像機(jī),用攝像機(jī)模型求解出遮擋背景空間點(diǎn)與靶標(biāo)上各點(diǎn)的空間映射關(guān)系,該過(guò)程可表示為:

(1)

(2)

其中,Zc=Z-Ze為背景面與導(dǎo)引頭之間的距離;Z為靶標(biāo)與背景間的距離;(xc,yc,zc)為遮擋背景點(diǎn)在導(dǎo)引頭坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

接下來(lái)通過(guò)建立熱像儀模型,將得到的遮擋背景空間點(diǎn)與熱像儀拍攝的背景圖像像素坐標(biāo)聯(lián)系起來(lái),熱像儀的成像模型可由式3表示[6]:

(3)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的定義及運(yùn)算法則[7],熱像儀相對(duì)于導(dǎo)引頭坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣可由式(4)表示:

R1=Rx(α)·Ry(β)

(4)

通過(guò)對(duì)靶標(biāo)上的點(diǎn)進(jìn)行逐一求解,便可獲取被靶標(biāo)所遮擋住的背景,且與靶標(biāo)各點(diǎn)一一對(duì)應(yīng),相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可參見作者發(fā)表的論文[8],在此不再贅述。

2.2 熱像儀溫度反演模型

熱像儀可將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)化為紅外圖像進(jìn)行顯示,其中紅外圖像灰度與物體發(fā)射的紅外輻射關(guān)系可由熱像儀定標(biāo)模型描述[9-10]:

G=k1L(T)+C1

(5)

其中,G為熱像儀輸出圖像灰度值；L(T)為物體的入射輻射功率；T為溫度；k1為熱像儀標(biāo)定常數(shù)；C1為偏置項(xiàng)。由模型可知,在定標(biāo)過(guò)程中,只需知道兩對(duì)(L,G)值,便可確定此關(guān)系。

常用的定標(biāo)方法是以標(biāo)準(zhǔn)輻射源為核心,通過(guò)控制輻射源溫度,產(chǎn)生不同功率的紅外輻射,用熱像儀接收標(biāo)準(zhǔn)輻射并轉(zhuǎn)化為紅外圖像,再利用式5進(jìn)行標(biāo)定。

但是,由于標(biāo)準(zhǔn)輻射源是以溫度為控制量,并不能直接獲取入射輻射功率,所以還必須知道入射輻射功率與溫度之間的關(guān)系。由普朗克公式可知,在某一波段范圍內(nèi),紅外輻射功率與溫度的關(guān)系無(wú)法用精確的解析式描述,只能通過(guò)擬合的方式近似,根據(jù)文獻(xiàn)[11],熱像儀定標(biāo)模型可表示為:

(6)

其中,b0、b1、b2為熱像儀標(biāo)定常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)；T為溫度；λ為熱像儀有效波長(zhǎng)；ε為物體發(fā)射率。由式6知,該定標(biāo)模型中的ε誤差將會(huì)影響溫度反演精度,并且在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),隨著工作時(shí)間的增加,熱像儀會(huì)產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象,極大的影響了溫度反演精度。為此本文提出一種基于靶標(biāo)輻射元的熱像儀標(biāo)定方法。

3 基于靶標(biāo)輻射元的熱像儀標(biāo)定

如前文所述,若采用黑體定標(biāo),在計(jì)算靶標(biāo)控制溫度時(shí)還需進(jìn)行發(fā)射率補(bǔ)償,為消除發(fā)射率的影響,本文直接采用靶標(biāo)輻射元進(jìn)行標(biāo)定。本文所采用的靶標(biāo)輻射元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 靶標(biāo)輻射元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of the target radiation element

靶標(biāo)輻射元作為靶標(biāo)陣列的一部分,以半導(dǎo)體制冷器(TEC)為熱源,外面加裝金屬變溫層作為導(dǎo)熱元件,在金屬表面噴涂油漆作為紅外發(fā)射材料,在TEC背面加裝散熱模塊,增加TEC的變溫效率。

以靶標(biāo)輻射元為熱源,對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)同時(shí)以黑體為熱源重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示,標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖4 定標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 The diagram of experimental device

圖5 熱像儀標(biāo)定曲線及殘差圖Fig.5 The diagram of the calibration curve and residual

通過(guò)將敏感單元標(biāo)定曲線與黑體標(biāo)定曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn),其規(guī)律與利用黑體作為定標(biāo)源時(shí)完全一致,所不同的是曲線整體低于黑體定標(biāo)曲線,這是由于發(fā)射率不同導(dǎo)致的,可見利用靶標(biāo)敏感單元對(duì)熱像儀進(jìn)行標(biāo)定是完全可行的。

4 基于敏感單元的漂移補(bǔ)償算法

為找出熱像儀灰度漂移規(guī)律,本文進(jìn)行了三次連續(xù)的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)分析熱像儀灰度漂移對(duì)定標(biāo)曲線的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 三次定標(biāo)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 The calibration curves of three experiments

從圖中可以看到,三條曲線有著相似的規(guī)律,只是各自的起始點(diǎn)有差異。由此可以推斷,熱像儀的灰度漂移并不會(huì)對(duì)熱像儀的增益造成影響。即熱像儀工作溫度所引起的灰度漂移是一個(gè)加性噪聲。

熱像儀輸出圖像灰度與溫度之間的關(guān)系可由式(7)表示:

G=ε[k1(a1T2+a2T+a3)+C1]

=b1T2+b2T+b3

(7)

根據(jù)熱像儀灰度漂移特點(diǎn),可對(duì)上式進(jìn)行修正,結(jié)果為:

G=b1T2+b2T+b3+Gs(Ts)

(8)

其中,Ts為熱像儀自身溫度；Gs(Ts)為熱像儀自身溫度所帶來(lái)的輸出漂移。由式8可知,熱像儀的漂移量?jī)H與自身溫度相關(guān),而并不會(huì)對(duì)定標(biāo)曲線的斜率造成影響。令熱像儀定標(biāo)時(shí)自身溫度為Tc,當(dāng)前溫度為Tn,對(duì)于某一溫度為Ta的目標(biāo)來(lái)說(shuō),在上面兩個(gè)狀態(tài)下的輸出分別為:

(9)

對(duì)于同一溫度的目標(biāo)來(lái)說(shuō),其熱像儀響應(yīng)部分是一致的,所不同的是由于熱像儀溫度不同而引起的那部分灰度漂移。將上兩式進(jìn)行差分消掉由目標(biāo)本身輻射帶來(lái)的響應(yīng),則可得到當(dāng)前熱像儀工作狀態(tài)下的漂移量,如式(10)所示。

ΔG=Gc(Tc)-Gn(Tn)

(10)

根據(jù)以上分析可知,在進(jìn)行漂移補(bǔ)償時(shí),只需將定標(biāo)源設(shè)定到固定溫度下,在測(cè)量的間隙采集定標(biāo)源的紅外圖像,將圖像灰度與定標(biāo)時(shí)的灰度作差分即可得到漂移量,在測(cè)量時(shí)減去該漂移量即可得到準(zhǔn)確的反演溫度。

為驗(yàn)證漂移補(bǔ)償算法的有效性,采用課題組自研的靶標(biāo)敏感單元陣列為熱像儀提供目標(biāo)與背景,陣列結(jié)構(gòu)如圖7所示,將八塊敏感單元固定于同一熱沉上,由背面的溫度控制系統(tǒng)為每個(gè)敏感單元提供驅(qū)動(dòng)電流。

圖7 靶標(biāo)敏感單元陣列實(shí)物圖Fig.7 The structure diagram of target sensitive unit

實(shí)驗(yàn)以3號(hào)單元為溫度反演目標(biāo),2、4、5、7號(hào)單元作為背景,其中將2號(hào)和4號(hào)單元拆下作為自然背景,溫度未知；5號(hào)、7號(hào)單元作為溫度可控的背景。熱像儀開機(jī)時(shí)首先進(jìn)行溫度標(biāo)定,得到開機(jī)時(shí)刻的灰度-溫度關(guān)系,將3號(hào)單元溫度設(shè)置為30 ℃,記錄此刻的灰度值,然后使熱像儀保持開機(jī)狀態(tài)40 min后,記錄當(dāng)前狀態(tài)下3號(hào)單元灰度值,并與初始時(shí)刻灰度值差分得到漂移補(bǔ)償量,然后將5號(hào)和7號(hào)背景設(shè)置為19 ℃,用以驗(yàn)證溫度反演精度,最后通過(guò)反演2號(hào)和4號(hào)背景溫度,控制3號(hào)單元溫度與二者一致,并通過(guò)熱像儀觀察此時(shí)的紅外圖像。補(bǔ)償前后的反演溫度如表1所示。

表1 溫度反演結(jié)果Tab.2 The result of the temperature retrieval

按照表中溫度調(diào)節(jié)3號(hào)單元溫度,并用熱像儀進(jìn)行觀察,其結(jié)果如圖8所示,其中上圖為補(bǔ)償前的結(jié)果,下圖為補(bǔ)償后的結(jié)果。

由表2中的數(shù)據(jù)可知,在漂移補(bǔ)償前后,反演溫度的差別能夠達(dá)到7 ℃,并且由5號(hào)和7號(hào)背景反演結(jié)果來(lái)看,經(jīng)過(guò)漂移補(bǔ)償后,反演溫度誤差降低到0.5 ℃。由圖8可知,經(jīng)過(guò)漂移補(bǔ)償后,目標(biāo)與背景之間的灰度差下降十分明顯,說(shuō)明本文提出的基于靶標(biāo)敏感單元的熱像儀溫度標(biāo)定方法及漂移補(bǔ)償算法是有效的。

圖8 漂移補(bǔ)償前后目標(biāo)與背景的紅外圖像Fig.8 The infrared images of the target and backgroundbefore and after drift compensation

5 結(jié) 論

針對(duì)數(shù)字仿真法受精度的制約不能準(zhǔn)確模擬各類干擾源的問題,提出了基于熱電器件陣列的紅外成像干擾模擬靶標(biāo)生成方法。

本文以紅外隱身干擾手段為研究對(duì)象,提出了以遮擋背景重投影模型和熱像儀溫度反演模型為核心的干擾模擬靶標(biāo)生成方法。通過(guò)建立遮擋背景重投影模型,實(shí)現(xiàn)了干擾模擬靶標(biāo)與遮擋背景各點(diǎn)之間的空間對(duì)應(yīng)；提出了基于靶標(biāo)敏感單元的熱像儀溫度標(biāo)定方法及漂移補(bǔ)償算法,解決了遮擋背景各點(diǎn)灰度到靶標(biāo)單元控制溫度之間的轉(zhuǎn)換。為紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)抗干擾性能測(cè)試靶標(biāo)的生成奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。