高性能衛(wèi)星紅外熱成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

鄭丹杰 曹萌 范嘉欣 徐健 許浩宸

江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，中國·江蘇 徐州 221000

1 引言

與傳統(tǒng)的地基探測系統(tǒng)相比，衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)具有探測范圍廣、不易受到常規(guī)地面干擾影響、生存能力強等諸多優(yōu)點。通過衛(wèi)星紅外成像技術(shù)，系統(tǒng)可以準確地對目標進行搜索、跟蹤、定位、目標特征識別等操作，是軍民領(lǐng)域都十分依賴的一項技術(shù)。但是，基于衛(wèi)星紅外熱成像技術(shù)探測獲得的圖像是通過“測量”物體向外輻射的熱量而獲得的，與光圖像相比有天然的劣勢，如分辨率差、對比度低、信噪比低、視覺效果模糊、灰度分布與目標反射特征無線性關(guān)系，衛(wèi)星紅外熱成像系統(tǒng)對目標探測的性能主要取決于探測過程中的環(huán)境因素和目標本身的特性，因此下面將重點分析不同探測環(huán)境下衛(wèi)星紅外熱成像的探測效能。

2 目標紅外成像特征研究

為了有效執(zhí)行目標紅外探測任務(wù)，一般要先針對目標分析其紅外特征，并制定對應(yīng)的天基探測策略，一般情況下，目標的紅外成像特征都與衛(wèi)星的星座軌道參數(shù)和目標的紅外輻射模型密切相關(guān)。

2.1 衛(wèi)星紅外熱成像系統(tǒng)星座軌道設(shè)計

譬如，當衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)跟蹤導(dǎo)彈主動段時，經(jīng)常采用由七顆衛(wèi)星組成的SBIRS-HIGH星座方案，其中有兩顆是極地大橢圓衛(wèi)星，其余五顆是地球同步軌道衛(wèi)星，這樣設(shè)計的優(yōu)勢是很好的彌補了地球同步衛(wèi)星探測過程中的視野盲區(qū)問題。

除此之外，在星座參數(shù)設(shè)置過程中要重點考慮目標定位的精度，為確保對導(dǎo)彈主動段的定位精度，SBIRS-HIGH星座通常采用高軌道雙星定位，在探測過程中，同時觀測目標，然后把目標的運動狀態(tài)信息傳輸至地面，地面基站經(jīng)過數(shù)據(jù)的解析，得出飛行器的軌跡參數(shù)。如今隨著地面基站數(shù)量和衛(wèi)星數(shù)量的不斷增多，可以采用更加先進的多星接力方式來提升目標定位的精準度。

衛(wèi)星軌道參數(shù)主要包含軌道平面傾角（決定軌道平臺的空間位置）、升交點赤經(jīng)（決定軌道平臺的空間位置）、軌道橢圓長半軸（決定軌道橢圓的大?。?、軌道橢圓偏心率（決定軌道橢圓的形狀）、近地點角距（決定近地點在軌道橢圓上的位置）和平近點角（衛(wèi)星以平均角速度運行的角度）。在進行衛(wèi)星軌道參數(shù)設(shè)計時，要合理的對上面六大參數(shù)進行設(shè)置，并把每顆衛(wèi)星的參數(shù)寫入配置文件，以便修改和管理。

2.2 目標紅外輻射特征分析

紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波，紅外光與普通電磁波相比，有著很多不可替代的優(yōu)點，探測器接收紅外輻射不受外在光照條件的影響，由于紅外輻射是大自然中任何事物的固有特性，在戰(zhàn)場上不管是人體還是各類武器裝備，只要在工作狀態(tài)就會散發(fā)出熱量，并且輻射出紅外光。常見的戰(zhàn)機，無論是固定翼還是直升機，它們的發(fā)動機、尾流、尾噴管、蒙皮與空氣摩擦和蒙皮反射陽光的紅外輻射，一起構(gòu)成了戰(zhàn)機的紅外輻射特征。且不同戰(zhàn)機往往都具有不同的外形結(jié)構(gòu)，因此輻射的紅外特征也會不一樣。目標的運動狀態(tài)往往決定著目標紅外輻射特征。例如，導(dǎo)彈處于主動段時，導(dǎo)彈尾部的尾焰以及高速運動時導(dǎo)彈與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫是導(dǎo)彈主要的輻射源。

3 復(fù)雜環(huán)境下的衛(wèi)星紅外熱成像研究

由于衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)的紅外成像特征與探測環(huán)境息息相關(guān)，因此研究復(fù)雜環(huán)境對衛(wèi)星紅外熱成像的影響具有很強的實際意義。復(fù)雜的環(huán)境一般包括地表、云層、星空、極光等自然環(huán)境下的紅外輻射干擾和人為的紅外干擾。比如在進行導(dǎo)彈跟蹤過程中，不同的環(huán)境會對探測性能產(chǎn)生截然不同的影響，一般針對導(dǎo)彈目標，衛(wèi)星紅外成像系統(tǒng)會采用2.63到2.85微米波段進行探測，因為用這個波段進行探測，能規(guī)避掉地表輻射對探測的影響，但是卻對高層卷云輻射無能為力，因此在目前主流的衛(wèi)星紅外熱成像技術(shù)研究中，都會考慮高層卷云輻射抑制問題。

由于常見的紅外探測性能無法滿足衛(wèi)星探測的需求，因此需要在對復(fù)雜環(huán)境進行建模的基礎(chǔ)上重點研究新的探測手段，紅外探測過程中的環(huán)境干擾主要分為如下幾類。

3.1 地表紅外輻射干擾

地表紅外輻射干擾主要的來源是草地、冰川、海洋等地表背景，為了對這些干擾預(yù)先進行處理，可以把地表劃分為若干典型區(qū)域，根據(jù)全球地表植被分布把地表分為沙漠區(qū)域、雨林區(qū)域、針葉林區(qū)域、冰川雪地區(qū)域和草原區(qū)域，并根據(jù)不同的類型建立輻射源模型，在進行衛(wèi)星紅外探測時，可以對這部分干擾進行有效的區(qū)域抑制。

3.2 云層紅外輻射干擾

在衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)探測時，云層紅外輻射干擾一直都是影響最為厲害的干擾因素，在氣象學(xué)中可以根據(jù)云層的高度和外觀對其進行分類，高層卷云往往是對衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)影響最大的一種類型。原因主要有兩方面：其一，卷云背景大氣透過率比較低，導(dǎo)致云層下方的目標無法被衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)觀測到；其二，高層卷云背景下的大氣輻射亮度明顯高于晴朗天氣背景下的大氣輻射亮度，這就會導(dǎo)致卷云背景會在天基紅外探測系統(tǒng)探測器像面上形成明顯的背景噪聲干擾。

3.3 極光紅外輻射干擾

當需要探測目標出現(xiàn)的緯度高于南北磁緯度67°時，經(jīng)常會受到極光的干擾，極光通常出現(xiàn)于秋冬兩季，它持續(xù)的時間較長，同時波及的范圍較廣。絕大部分極光出現(xiàn)在地表上空90～170千米處。由于極光形成的原因是太陽活動產(chǎn)生的高能帶電粒子進入大氣層后與大氣層某些粒子發(fā)生電離反應(yīng)，并在地磁場的作用下聚集在高緯度地區(qū)。極光會改變大氣分子的組成，影響大氣的紅外輻射亮度和透過率，因此極光會對天基紅外探測系統(tǒng)探測產(chǎn)生很強的干擾。根據(jù)數(shù)據(jù)來源，常見計算極光紅外輻射特性的方法是基于電磁理論，通過準穩(wěn)態(tài)近似的方法求解NO和NO+在非平衡狀態(tài)下各個振動能級數(shù)密度，并根據(jù)非穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)下的紅外輻射亮度公式計算極光的紅外輻射。

3.4 恒星紅外輻射干擾

當目標本身的紅外輻射比較微弱時，為了避免地表和云層背景輻射對衛(wèi)星探測性能的影響，衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)一般會把工作環(huán)境設(shè)置為深空環(huán)境和臨邊環(huán)境，所以這時的干擾主要來源于恒星紅外輻射干擾。不同種類的恒星其表面發(fā)射率、溫度數(shù)據(jù)都會不同，因此可以通過光譜模板法對恒星進行有效的分類，通過已知恒星光譜數(shù)據(jù)作為光譜模板，推演出同類型未知恒星光譜，最后通過光譜積分對星等、輻射照度等數(shù)據(jù)進行計算。

4 結(jié)論

隨著衛(wèi)星紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展，近年來，衛(wèi)星紅外探測承擔了大量軍用和民用方面的任務(wù)，通常衛(wèi)星紅外探測的性能是由目標紅外成像特征決定的，因此論文主要對目標的紅外成像特征和復(fù)雜背景對紅外探測性能的影響進行了一定篇幅的討論，分別列舉了地表紅外輻射、云層紅外輻射、極光紅外輻射和恒星紅外輻射這幾類常見的干擾進行介紹，希望能為衛(wèi)星紅外探測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計提供了一定參考。