高速飛行條件下紅外探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 棟 孟 奇 連細(xì)南

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、云計(jì)算等技術(shù)被不斷應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，高速飛行條件下高效快速的信息交互成為了該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。通常情況下，物體飛行速度大于1Ma可認(rèn)為是高速飛行；飛行速度超過(guò)5Ma則為高超聲速飛行［1］。處于高速飛行狀態(tài)下的物體，通常具有體積小、速度快的特點(diǎn)，在與大氣層內(nèi)空氣劇烈摩擦后，表面會(huì)積累熱量，輻射紅外信號(hào)。對(duì)于該類目標(biāo)的常用探測(cè)手段通常包括雷達(dá)探測(cè)和紅外探測(cè)，由于地球曲率的存在不利于雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)探測(cè)，這種情況下可利用紅外系統(tǒng)探測(cè)、捕獲高速飛行目標(biāo)信息；但當(dāng)紅外探測(cè)系統(tǒng)自身處于高速飛行狀態(tài)時(shí)，往往會(huì)受到光學(xué)窗口自身輻射、周圍空氣場(chǎng)擾動(dòng)等因素制約，探測(cè)效果會(huì)受到很大的影響。因此，開(kāi)展高速飛行下紅外探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 高速飛行條件下紅外探測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)研究

目前，搭載紅外探測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)主要包括天基、地基、空基、彈載系統(tǒng)等。天基平臺(tái)以衛(wèi)星為載體，通過(guò)搭載紅外探測(cè)設(shè)備可對(duì)不同飛行階段的高速目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警探測(cè)和監(jiān)視；地基平臺(tái)依托地面或艦船上大口徑紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，對(duì)高速飛行目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)；空基平臺(tái)紅外系統(tǒng)常部署在戰(zhàn)斗機(jī)、平流層飛艇上，目前應(yīng)用較少，但前景廣闊；彈載平臺(tái)紅外系統(tǒng)能夠適應(yīng)高速飛行條件，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中遠(yuǎn)程精確打擊要求，目前廣泛應(yīng)用于各類精確制導(dǎo)導(dǎo)彈探測(cè)系統(tǒng)中。

2.1 天基平臺(tái)

當(dāng)前，國(guó)外只有極少數(shù)國(guó)家擁有在軌服役的天基紅外探測(cè)系統(tǒng)，以美俄為例，“SBIRS”和“EKS”系統(tǒng)具有對(duì)導(dǎo)彈多個(gè)飛行階段預(yù)警跟蹤的能力，法國(guó)、德國(guó)、日本也在積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備［2～3］。國(guó)內(nèi)對(duì)天基紅外探測(cè)系統(tǒng)也進(jìn)行了深入研究，我國(guó)已成功發(fā)射天基紅外戰(zhàn)略導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星，具備相關(guān)技術(shù)研究能力。

國(guó)外天基紅外系統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)經(jīng)歷了從單一的地球同步軌道或大橢圓軌道，到雙軌道結(jié)合使用，再到與高低軌道組網(wǎng)配合使用的發(fā)展過(guò)程［4］，高軌預(yù)警衛(wèi)星，主要針對(duì)彈道導(dǎo)彈早期助推階段進(jìn)行偵測(cè)預(yù)警，低軌衛(wèi)星則補(bǔ)充了上述衛(wèi)星平臺(tái)在導(dǎo)彈助推段結(jié)束、尾焰不明顯無(wú)法持續(xù)跟蹤的局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)彈長(zhǎng)時(shí)間跟蹤。此外，衛(wèi)星上搭載的紅外探測(cè)器件逐步發(fā)展為多波段探測(cè)、多像元線陣掃描和大面積凝視陣列結(jié)合探測(cè)，且探測(cè)器可在短波、中波、中長(zhǎng)波等多波段協(xié)同工作，其中紅外短波大視場(chǎng)負(fù)責(zé)掃描發(fā)現(xiàn)飛行目標(biāo)信息，中長(zhǎng)波段完成小視場(chǎng)跟蹤任務(wù)。

但是，由于探測(cè)距離遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致探測(cè)分辨率低，天基平臺(tái)只能對(duì)中高空飛行目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)低空飛行目標(biāo)，故通常用于早期預(yù)警。為提高預(yù)警探測(cè)能力，可采用多維度軌道布置和更高靈敏度探測(cè)器件。也可同其他平臺(tái)探測(cè)器配合使用，進(jìn)而提升探測(cè)能力。

2.2 地基平臺(tái)

地基紅外探測(cè)系統(tǒng)主要用于地面或海上對(duì)高空飛行目標(biāo)的探測(cè)，比如高速導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭等。地基紅外探測(cè)系統(tǒng)通常部署在地基大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上，探測(cè)系統(tǒng)能夠探測(cè)空間目標(biāo)的溫度及紅外輻射特性密度區(qū)域，進(jìn)而獲得其運(yùn)行狀態(tài)［5］。在實(shí)現(xiàn)觀測(cè)過(guò)程中，需要采用濾光片抑制輻射影響；為進(jìn)一步減小輻射對(duì)探測(cè)器的影響，研究多采用冷光學(xué)技術(shù)降低終端光學(xué)元件紅外特征，減小內(nèi)外熱量的傳遞。

國(guó)外地基平臺(tái)技術(shù)的使用比較成熟，比較先進(jìn)的有美國(guó)新墨西哥州柯特蘭空軍基地星火光學(xué)靶場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究。由于地基平臺(tái)系統(tǒng)同樣會(huì)受到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡自身因素的限制，使得該類紅外探測(cè)系統(tǒng)作用覆蓋范圍有限，與此同時(shí)地基平臺(tái)較其他平臺(tái)相比機(jī)動(dòng)性差，探測(cè)高速飛行的目標(biāo)存在很大的局限性，光學(xué)成像鏡的工藝問(wèn)題仍是亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.3 空基平臺(tái)

空基紅外探測(cè)系統(tǒng)比較常見(jiàn)的是機(jī)載方式，世界各國(guó)具備探測(cè)能力的作戰(zhàn)飛機(jī)基本都搭載了紅外探測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)空間飛行目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6］。除此之外，平流層飛艇搭載紅外系統(tǒng)逐漸進(jìn)入人們視野，該平臺(tái)與空基、地基探測(cè)相比，具有工作環(huán)境優(yōu)良、性能穩(wěn)定、可大區(qū)域載荷放置平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。飛艇平臺(tái)一般停留在20km以上的平流層高空［7］，長(zhǎng)度在百米量級(jí)。飛艇具備靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，為增大其探測(cè)范圍，可采用艇腹懸掛方式安裝探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)紅外載荷并形成三角布局，再輔以艇身的整體轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)觀測(cè)；也可采取多邊形覆蓋方式組網(wǎng)布局［8］，可有效提高探測(cè)效率。

圖1 飛艇平臺(tái)組網(wǎng)示意圖

戰(zhàn)斗機(jī)部署紅外探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)已相對(duì)成熟，但由于其飛行距離短等因素，無(wú)法遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間工作。隨著飛艇探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)載荷技術(shù)和電路承載能力的不斷發(fā)展，相信未來(lái)幾年，飛艇紅外探測(cè)系統(tǒng)將憑借其長(zhǎng)時(shí)間工作和低成本化的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。

2.4 彈載平臺(tái)

現(xiàn)代軍事中，彈載平臺(tái)的加入在很大程度上會(huì)改變信息感知方式，進(jìn)而影響敵我戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。彈載探測(cè)系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)代武器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程精打要求，能夠突破大部分傳統(tǒng)武器的攻防局限。目前，部分高速導(dǎo)彈上裝備了紅外探測(cè)系統(tǒng)，具有代表性的是空空導(dǎo)彈，第四代空空導(dǎo)彈上就應(yīng)用了紅外探測(cè)技術(shù)，使得導(dǎo)彈的目標(biāo)探測(cè)和打擊能力得到大幅度提高，如美國(guó)的AIM-9X、英國(guó)的ASRAAM、德國(guó)的IRIS-T、法國(guó)的MICA-IR和南非的A-Darter等［9］。對(duì)于飛行速度大于5Ma的高超聲速飛行器的紅外探測(cè)系統(tǒng)部署，相關(guān)裝備應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)主要在紅外導(dǎo)引頭的定性分析、仿真模擬等，相關(guān)技術(shù)尚處于論證當(dāng)中。

由于彈載平臺(tái)的高速飛行環(huán)境和小空間體積的限制，探測(cè)設(shè)備的光電系統(tǒng)常采用集成化、模塊化等方式；對(duì)于惡劣的飛行氣動(dòng)環(huán)境給紅外導(dǎo)引頭的正常工作帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，常采取相關(guān)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)防護(hù)技術(shù)和各類圖像處理算法。如何使紅外導(dǎo)引頭能夠適應(yīng)彈載平臺(tái)的復(fù)雜工作環(huán)境，仍是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

3 高速飛行條件下氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

部署在彈載平臺(tái)上的紅外探測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)其在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，導(dǎo)引頭光學(xué)頭罩和周圍的擾流場(chǎng)作用，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)［10］，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)包括氣動(dòng)熱效應(yīng)、熱輻射效應(yīng)和光學(xué)傳輸效應(yīng)等。國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究仍處于發(fā)展階段，可供參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。

3.1 氣動(dòng)熱效應(yīng)

氣動(dòng)熱效應(yīng)對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為高溫會(huì)使探測(cè)系統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)等失去正常工作能力。由于彈載平臺(tái)在大氣層中高速飛行或高超聲速飛行時(shí)，系統(tǒng)表面與周圍流動(dòng)空氣粘性作用，產(chǎn)生劇烈的高溫效應(yīng)，高溫沿著結(jié)構(gòu)由壁面?zhèn)飨騼?nèi)部，容易造成結(jié)構(gòu)變形和熱應(yīng)力失效等。

為減小氣動(dòng)熱效應(yīng)帶來(lái)的探測(cè)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，必須做熱防護(hù)處理，比較常用的方法有熱沉防熱、燒蝕防熱、發(fā)汗和薄膜冷卻等［11］。此外，隨著我國(guó)一體化熱防護(hù)技術(shù)的高速發(fā)展［12］，綜合防熱與承載功能為一體的波紋夾層結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于表面材料設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)可節(jié)約材料，提高效率?；谏鲜鰺岱雷o(hù)機(jī)理，如果將表面熱防護(hù)結(jié)構(gòu)與燃油、蒸發(fā)冷卻液機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)，可以有效提升探測(cè)系統(tǒng)的熱防護(hù)能力。

3.2 熱輻射效應(yīng)

熱輻射效應(yīng)對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為信號(hào)噪聲，噪聲會(huì)干擾或淹沒(méi)目標(biāo)信號(hào)。高速飛行條件下紅外輻射源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件、高溫燃?xì)鈬娏骱惋w行器蒙皮。通常采用減少表面熱傳導(dǎo)和調(diào)控?zé)彷椛涔庾V的方式［13］，實(shí)現(xiàn)熱輻射效應(yīng)防護(hù)。

一些吸熱或隔熱溫控材料［14～15］，如 Al-還原氧化石墨烯（Al@RGO）復(fù)合材料、Al-摻銻氧化錫（ATO）、玻璃基底摻鋁氧化鋅（AZO）薄膜可以涂覆在飛行器表面，降低表面溫度和熱傳導(dǎo)，減弱熱輻射對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響。此外，選擇性波段吸收材料能夠抑制輻射發(fā)生在紅外大氣窗口（3μm～5μm和8μm～14μm兩個(gè)波段）附近，通過(guò)調(diào)控?zé)彷椛涔庾V，達(dá)到熱輻射防護(hù)目的。

3.3 光學(xué)傳輸效應(yīng)

光學(xué)傳輸效應(yīng)對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為光學(xué)窗口周圍流場(chǎng)密度、壓力、空氣組分等物理參數(shù)劇烈變化，使探測(cè)系統(tǒng)成像發(fā)生偏折、抖動(dòng)等。

圖2 紅外成像導(dǎo)引頭瞄視誤差示意圖［16］

研究發(fā)現(xiàn)，光束經(jīng)過(guò)高速運(yùn)動(dòng)空氣擾流場(chǎng)后，會(huì)產(chǎn)生一定角度偏移，高速湍流流場(chǎng)引起的傳輸效應(yīng)會(huì)使光束產(chǎn)生畸變。而通過(guò)對(duì)球形、半球形、圓錐形、八棱錐形等導(dǎo)引頭整流罩研究［17］，人們發(fā)現(xiàn)整流罩構(gòu)型也會(huì)影響光線傳輸質(zhì)量和傳輸效果，合理改變整流罩面型，可以降低光學(xué)傳輸效應(yīng)對(duì)窗口的影響。此外，導(dǎo)引頭整流罩前端溫度最高，溫度由駐點(diǎn)向底端逐漸降低，利用這一點(diǎn)可以將光學(xué)窗口安裝在導(dǎo)引頭側(cè)面，避免其直接暴露在惡劣環(huán)境中，但該安裝方式存在探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、空間尺寸小、間接成像難等問(wèn)題，仍待后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 高速飛行條件下紅外圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究

高速飛行條件下圖像處理的對(duì)象往往是遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)，目標(biāo)信號(hào)常淹沒(méi)于背景中，因此，抑制圖像背景噪聲，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，將目標(biāo)同背景環(huán)境區(qū)分開(kāi)來(lái)是成像制導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征提取、識(shí)別和跟蹤的前提。因此需要對(duì)紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，常用方法包括探測(cè)器非均勻性校正、圖像增強(qiáng)、降噪、分割等。

4.1 探測(cè)器非均勻性校正技術(shù)

由于探測(cè)器紅外焦平面陣列材料、工藝等的差異，導(dǎo)致探測(cè)單元的響應(yīng)率和偏置量不一致，進(jìn)而在采集的圖像中出現(xiàn)固定紋理的噪聲。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有許多非均勻性校正（NUC）算法，如兩點(diǎn)校正法能夠在比較窄的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)修正系統(tǒng)噪聲；多點(diǎn)校正法在兩點(diǎn)校正法的基礎(chǔ)上提高了校正準(zhǔn)確率。為解決非均勻噪聲隨時(shí)間和工作環(huán)境變化而漂移的問(wèn)題，可以采用基于場(chǎng)景的非均勻校正算法［18］，但這類方法對(duì)低頻占優(yōu)的噪聲校正效果不理想。為實(shí)現(xiàn)更好的非均勻性校正效果，研究人員提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)域高通濾波器等方法［19～20］。目前，各類校正算法能夠在FPGA上實(shí)現(xiàn)，但校正計(jì)算方法復(fù)雜度較高，在定標(biāo)過(guò)程、響應(yīng)漂移、應(yīng)用實(shí)際等方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

4.2 背景抑制技術(shù)

背景抑制技術(shù)，通過(guò)抑制圖像噪聲，增強(qiáng)目標(biāo)信息，提高目標(biāo)和背景信號(hào)差異性，從而提高目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。目前，國(guó)內(nèi)外提出了多種紅外圖像的去噪方法，結(jié)合實(shí)際圖像信號(hào)與背景的差異及預(yù)期的去噪效果，可選擇適合的空間域或變換域方法。

傳統(tǒng)的空間降噪方法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波，這類方法通常使用具有某種特性的模板在灰度域?qū)D像像素點(diǎn)進(jìn)行操作，降噪處理后往往會(huì)使圖像變得平滑，丟失一些細(xì)節(jié)而使圖像變得模糊，視覺(jué)效果欠佳。為進(jìn)一步提升圖像降噪后的視覺(jué)效果，Tomasi率先提出雙邊濾波算法［21］，目前廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)單圖像處理，但該算法處理復(fù)雜噪聲的能力較差。

基于傳統(tǒng)空間域?yàn)V波算法，三維塊匹配法、小波降噪算法、Contourlet變換等變換域去噪算法相繼被提出，這在一定程度上解決了簡(jiǎn)單空間域降噪效果不佳的問(wèn)題。三維塊匹配法（BM3D）較早由Dabov［22］提出，通過(guò)與當(dāng)前像素點(diǎn)進(jìn)行匹配，該算法利用像素點(diǎn)加權(quán)取均值，從而去除噪聲。小波降噪算法［23～24］能夠通過(guò)空域和頻域之間的變換過(guò)程實(shí)現(xiàn)信號(hào)和噪聲的區(qū)分，在頻率較低時(shí)具有更高的分辨率，但對(duì)于圖像邊緣紋理信息處理效果較差，可提供的方向信息較少。Contourlet變換［25］在一定程度上彌補(bǔ)了小波變換的不足，能夠體現(xiàn)圖像特征的方向性和各向異性，在降噪處理過(guò)程中能夠更好的區(qū)分目標(biāo)與噪聲信息。此外，深度學(xué)習(xí)算法被應(yīng)用到圖像去噪中［26］，達(dá)到了更好的降噪效果。

4.3 紅外圖像分割技術(shù)

圖像分割通常是將圖像空間劃分成若干個(gè)具有某些一致性屬性的不重疊區(qū)域，圍繞目標(biāo)的邊緣或區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而結(jié)合邊緣和區(qū)域的分割方法，可綜合分析局部灰度突變和區(qū)域灰度的一致性，進(jìn)行圖像分割優(yōu)化處理［27］。

區(qū)域分割方法中的閾值分割，因其簡(jiǎn)約高效的特點(diǎn)，長(zhǎng)期作為圖像分割的研究熱點(diǎn)［28］。直方圖閾值分割從多種角度分析圖像灰度直方圖的形狀特征，但在噪聲干擾的情況下，離散的直方圖外觀非常不規(guī)則，圖像分割效果一般?；凇办亍钡拈撝捣指?，最早由Kapur［29］提出，該方法可以減少直方圖分割造成的信息損失，通過(guò)尋找最佳閾值，使分割后的目標(biāo)和背景的熵總值最大，圖像分割效果較好。此外，Komarek［30］在1979年基于最小二乘法原理提出了最大類間方差（Otsu）分割算法，這種典型的聚類閾值分割方法在不斷改進(jìn)中被廣泛應(yīng)用于社會(huì)工程實(shí)踐中。

通常情況下，直接采用灰度閾值分割的方法效果都不理想，往往需要結(jié)合合理的預(yù)處理方法和圖像分割技術(shù)。對(duì)于該領(lǐng)域的研究多依賴于圖像的底層特征、集中于灰度圖像的閾值分割。彩色圖像和帶有時(shí)間序列的連續(xù)圖像有著更加豐富的圖像信息，未來(lái)結(jié)合圖像的高層信息和先驗(yàn)知識(shí)的算法研究還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

5 結(jié)語(yǔ)

本文歸納分析了高速飛行條件下紅外探測(cè)的一些關(guān)鍵技術(shù)研究及其進(jìn)展，多平臺(tái)探測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)防護(hù)、圖像處理等技術(shù)在紅外探測(cè)研究中日益發(fā)揮重要作用；綜合運(yùn)用多平臺(tái)探測(cè)系統(tǒng)、探索典型圖像處理方法是未來(lái)相關(guān)研究領(lǐng)域技術(shù)積累的重要方向。