空中目標(biāo)夜間不同方位長波紅外輻射特性分析

鄒前進(jìn)，劉勝利，劉小虎，陸 靜，陸洪濤，王 東，陳育斌

空中目標(biāo)夜間不同方位長波紅外輻射特性分析

鄒前進(jìn)，劉勝利，劉小虎，陸 靜，陸洪濤，王 東，陳育斌

（63891部隊(duì)，河南 洛陽 471003）

針對(duì)試驗(yàn)和訓(xùn)練中靶機(jī)實(shí)裝模擬、建模仿真需求，需在外場動(dòng)態(tài)測試靶機(jī)飛行狀態(tài)下紅外輻射特性，該測量結(jié)果置信度較高。本文通過對(duì)紅外成像測量設(shè)備定標(biāo)，計(jì)算路徑輻射和透過率，亮度反演的方法獲得了靶機(jī)夜間不同方位輻射強(qiáng)度分布，測量誤差約為21.24%。分析測量結(jié)果，但當(dāng)靶機(jī)相對(duì)測量設(shè)備繞飛時(shí)，靶機(jī)不同方位輻射強(qiáng)度基本一致；靶機(jī)在一定距離外無法探測長波尾焰輻射，在靶機(jī)模擬和建模中需合理考慮尾焰輻射。該距離下靶機(jī)目標(biāo)/背景灰度對(duì)比度約為人眼響應(yīng)閾值的2倍，人工偵察探測識(shí)別較為困難，在靶機(jī)外場模擬時(shí)需注意對(duì)比度對(duì)試驗(yàn)探測識(shí)別結(jié)果的影響。本文可為靶機(jī)特性建模、外場模擬應(yīng)用和測量設(shè)備研制提供支撐。

夜間長波紅外輻射特性；不同方位；靶機(jī)；輻射強(qiáng)度分布

0 引言

飛機(jī)或靶機(jī)等平臺(tái)的紅外輻射特性不論是民用還是軍事，理論或是實(shí)踐上均具有重要應(yīng)用價(jià)值[1-2]?？罩心繕?biāo)外場測量能夠獲取飛行平臺(tái)在實(shí)飛狀態(tài)下的紅外輻射特性，測量結(jié)果置信度高，可為飛行平臺(tái)的紅外特性建模仿真和相關(guān)目標(biāo)模擬提供支撐[3]。當(dāng)前對(duì)靶機(jī)平臺(tái)的紅外輻射特性研究多為理論建模，或在地面條件下蒙皮或尾焰輻射測量[4]。飛行平臺(tái)的空中動(dòng)態(tài)測量不論是在人力資源方面，還是在經(jīng)費(fèi)方面，代價(jià)都特別大[5-6]，特別對(duì)高空飛行狀態(tài)的飛行平臺(tái)輻射測量相關(guān)的研究較少[3-4]。

姚凱凱等研究了外場條件下空中目標(biāo)紅外輻射特性測量方法，并對(duì)測溫范圍、測量距離和大氣傳輸進(jìn)行了分析、驗(yàn)證，測量精度優(yōu)于25%[6]；國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在飛行平臺(tái)的輻射特性測量、定標(biāo)和建模仿真領(lǐng)域取得許多成果。喬鐵英等人研究了面目標(biāo)外場測量方法，設(shè)備不同積分時(shí)間的測量誤差低于30%[7]；楊詞銀、李寧等人對(duì)大口徑輻射測試設(shè)備的輻射測量和定標(biāo)方法進(jìn)行了研究[8-9]；常松濤等人研究了寬動(dòng)態(tài)范圍的點(diǎn)目標(biāo)測量以及定標(biāo)方法[10]。當(dāng)前對(duì)靶機(jī)等飛行平臺(tái)的紅外特性建模多采用紅外輻射源數(shù)值計(jì)算方式[3-4]：杜勝華等研究了紅外輻射特性的形成機(jī)理[11]；另外許多學(xué)者研究了內(nèi)部熱源、發(fā)動(dòng)機(jī)燃速、環(huán)境反射等對(duì)紅外特性的影響[3,12-13]，在此基礎(chǔ)上各種紅外特性計(jì)算方法得到發(fā)展。但靶機(jī)飛行平臺(tái)輻射特性測量，特別是靶機(jī)夜間紅外輻射測量結(jié)果報(bào)道較少。

靶機(jī)等飛行平臺(tái)作為假想目標(biāo)，在相關(guān)的試驗(yàn)或訓(xùn)練中發(fā)揮著重要作用，也對(duì)飛行平臺(tái)模擬、測量和仿真提出了更高的要求[1-3]?？紤]到專門組織靶機(jī)平臺(tái)飛行測量其紅外特性十分困難，本文結(jié)合靶機(jī)平臺(tái)實(shí)際飛行，通過降落段設(shè)計(jì)相對(duì)于測量設(shè)備的繞飛航線，測量了其夜間條件下不同方位長波紅外輻射強(qiáng)度，并對(duì)其與背景的灰度對(duì)比度進(jìn)行了分析。對(duì)紅外靶試領(lǐng)域的靶機(jī)模擬、測量和建模研究具有重要的意義，也可為相關(guān)的試驗(yàn)訓(xùn)練及裝備研究提供支撐。

1 目標(biāo)背景傳輸分析

飛行平臺(tái)空中紅外輻射特性測量可采用地空動(dòng)態(tài)測量態(tài)勢，典型布局如圖1所示。測量設(shè)備可獲取飛行平臺(tái)在飛行狀態(tài)下紅外輻射信號(hào)。氣象條件對(duì)測量結(jié)果存在影響，因此在測量期間需記錄測量地域溫度、濕度、能見度、壓強(qiáng)等氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 測量設(shè)備布局示意圖

根據(jù)成像原理，目標(biāo)和背景紅外輻射經(jīng)大氣傳輸后最終成像在紅外成像測量設(shè)備探測器，經(jīng)探測器響應(yīng)及電路處理后輸出灰度圖像；建立圖像灰度和輻射亮度之間關(guān)系后，可由紅外圖像處理獲得目標(biāo)紅外輻射特性。當(dāng)前國內(nèi)外常用多點(diǎn)溫度定標(biāo)法獲得紅外成像測量設(shè)備波段響應(yīng)參數(shù)，一般設(shè)置黑體在多個(gè)溫度下工作，利用紅外圖像灰度值與黑體不同溫度下輻射亮度計(jì)算值聯(lián)立，得到紅外成像測量設(shè)備波段響應(yīng)參數(shù)。紅外成像測量設(shè)備輻射亮度和輸出數(shù)字圖像灰度滿足式(1)所示關(guān)系[14]：

＝＋(1)

式中：為紅外成像測量設(shè)備響應(yīng)率；為紅外成像測量設(shè)備響應(yīng)偏置；為黑體到達(dá)紅外成像測量設(shè)備前輻射亮度。

獲得紅外成像測量設(shè)備波段響應(yīng)參數(shù)后，結(jié)合路徑輻射和路徑透過率，目標(biāo)輻射亮度可由式(2)計(jì)算[2]：

t＝[(t－)/－path]/path(2)

式中：t為目標(biāo)灰度；為目標(biāo)在處理波段內(nèi)的輻射亮度；path為傳輸路徑在處理波段內(nèi)的輻射亮度；path為傳輸路徑在處理波段內(nèi)的平均透過率。本文采用MODTRAN4.1計(jì)算路徑輻射和路徑透過率。

確定目標(biāo)區(qū)域后，目標(biāo)真實(shí)輻射強(qiáng)度根據(jù)式(3)計(jì)算，由靶機(jī)的大小及測量距離可知，在計(jì)算目標(biāo)輻射強(qiáng)度時(shí)只選取彌散范圍小于4個(gè)像素的圖像進(jìn)行輻射強(qiáng)度計(jì)算。

式中：d為紅外成像測量設(shè)備單元探測器面積；為紅外成像測量設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)焦距；為紅外成像測量設(shè)備和被測目標(biāo)之間距離。

紅外對(duì)比度對(duì)目標(biāo)人工探測或自動(dòng)探測識(shí)別意義重大[15]。為了分析目標(biāo)灰度與背景灰度差異，采用相對(duì)對(duì)比度描述目標(biāo)和背景差異，如式(4)所示：

式中：為目標(biāo)與背景灰度相對(duì)對(duì)比度；t為目標(biāo)灰度；b為背景灰度，本文背景灰度取目標(biāo)區(qū)域處4倍大小，目標(biāo)外區(qū)域的平均灰度作為背景灰度。

2 標(biāo)定及測量誤差分析

2.1 標(biāo)定及結(jié)果

測量過程使用的測量設(shè)備包括紅外成像測量設(shè)備、HGH DCN1000N面源黑體和氣象設(shè)備等。其中紅外成像測量設(shè)備工作波段為7.7～9.3mm，像元尺寸25mm×25mm，量化位數(shù)為14bit。HGH DCN1000N面源黑體參數(shù)見表1。

表1 黑體參數(shù)

根據(jù)式(1)，利用Matlab擬合可以得到紅外成像測量設(shè)備輸出灰度與亮度的關(guān)系，定標(biāo)曲線如圖2所示。計(jì)算得到測量設(shè)備響應(yīng)率約為270，響應(yīng)偏置約為5639。

圖2 測量設(shè)備定標(biāo)結(jié)果

2.2 誤差分析

由公式(1)～(3)，影響目標(biāo)真實(shí)輻射計(jì)算結(jié)果的誤差源主要包括：測量設(shè)備自身誤差、定標(biāo)誤差、大氣輻射計(jì)算誤差和對(duì)時(shí)誤差等。

對(duì)于測量設(shè)備自身誤差，輸出圖像的起伏基本表征了測量設(shè)備隨機(jī)誤差水平，其噪聲等效溫差表征了設(shè)備的噪聲起伏水平。設(shè)備的噪聲等效溫差要求不大于50mK，考慮實(shí)際使用條件真實(shí)的噪聲等效溫差不大于150mK。結(jié)合定標(biāo)結(jié)果設(shè)備自身誤差約為0.39%。

對(duì)于定標(biāo)誤差，可能影響定標(biāo)精度的因素有：大面源黑體輻射、數(shù)據(jù)采集噪聲和隨機(jī)因素等。大面源黑體輻射誤差主要為表面發(fā)射率、溫度精度和非均勻性等。試驗(yàn)中使用的大面源黑體發(fā)射率為0.98±0.02，溫度精度±0.03℃，溫度均勻性為0.4℃；經(jīng)計(jì)算定標(biāo)總誤差約為2.95%。但實(shí)際定標(biāo)還受數(shù)據(jù)采集噪聲和隨機(jī)因素影響，很難定量描述，特別是對(duì)小目標(biāo)測量時(shí)一般認(rèn)為定標(biāo)誤差可能擴(kuò)大1～2倍，取本次定標(biāo)誤差為7%。

小目標(biāo)的大氣輻射計(jì)算誤差較為困難，該誤差是紅外輻射特性測量中較難消除的誤差。當(dāng)前國內(nèi)一般公認(rèn)LOWTRAN或MODTRAN的計(jì)算誤差不大于20%[8,10]。

對(duì)于對(duì)時(shí)誤差，對(duì)時(shí)誤差主要影響測量設(shè)備相對(duì)于目標(biāo)的方位、俯仰、斜距等輔助信息計(jì)算；對(duì)時(shí)誤差約±1s，經(jīng)計(jì)算即使在俯仰和斜距變化較大情況，路徑輻射和透過率計(jì)算偏差分別約為0.61%和1.52%。

綜上，測量誤差主要來源于大氣輻射計(jì)算和定標(biāo)。上述誤差因素相互獨(dú)立，根據(jù)誤差傳遞公式，測量總誤差應(yīng)不大于21.24%。

3 測量結(jié)果及分析

目標(biāo)輻射強(qiáng)度為給定方向單位立體角目標(biāo)向外的輻射通量，單位為W×Sr－1；目標(biāo)輻射亮度為該給定方向輻射強(qiáng)度除以通過面元的正投影面積，單位為W×m－2×Sr－1，而目標(biāo)平均輻射亮度為多個(gè)面元的平均值?？罩邪袡C(jī)作為小目標(biāo)，在實(shí)際使用中更關(guān)注輻射強(qiáng)度，下面重點(diǎn)分析其輻射強(qiáng)度隨方位變化情況。

3.1 不同方位輻射強(qiáng)度和對(duì)比度分析

利用文中的目標(biāo)紅外輻射特性計(jì)算方法，對(duì)某無人靶機(jī)長波紅外輻射進(jìn)行了測量。測量時(shí)間為秋季夜晚，天氣晴朗，能見度約12km，溫度為－8～－10℃，濕度約75.6%。根據(jù)公式(1)～(3)測量得到的該靶機(jī)不同方位輻射強(qiáng)度抽幀結(jié)果如圖3所示。圖中紅叉實(shí)線為第一圈靶機(jī)紅外輻射強(qiáng)度分布；綠方框虛線為預(yù)備降落前第二圈靶機(jī)紅外輻射強(qiáng)度分布；藍(lán)色虛線，為靶機(jī)降落時(shí)輻射強(qiáng)度分布。

圖3 不同方位輻射強(qiáng)度示意圖

從測量結(jié)果可以看出：雖然受環(huán)境擾動(dòng)，靶機(jī)飛行狀態(tài)存在一定差異，靶機(jī)繞飛狀態(tài)下輻射強(qiáng)度基本一致，且從紅外圖像上基本觀察不到尾焰；說明靶機(jī)在約4km外即使側(cè)飛狀態(tài)下，尾焰長波紅外輻射的影響也較小，這在靶機(jī)模擬和圖像仿真時(shí)需要注意。

根據(jù)式(4)計(jì)算了目標(biāo)最大灰度和背景灰度對(duì)比度，如圖4所示。該靶機(jī)的目標(biāo)和背景灰度對(duì)比度較小，在該距離下繞飛階段僅2倍多于人眼對(duì)比度響應(yīng)閾值，造成了該目標(biāo)利用人工探測識(shí)別較為困難。由圖3和圖4，目標(biāo)輻射強(qiáng)度在降落段存在較大起伏，對(duì)比度突然增加且近似穩(wěn)定為固定值，說明此時(shí)紅外成像測量設(shè)備探測到了目標(biāo)非蒙皮部位。

圖4 目標(biāo)背景對(duì)比度變化示意圖

3.2 目標(biāo)不同方位輻射亮度分析

目標(biāo)不同方位平均輻射亮度抽幀結(jié)果如圖5所示，紅叉實(shí)線為靶機(jī)第一圈平均輻射亮度；綠方框虛線為預(yù)備降落前第二圈靶機(jī)平均輻射亮度；藍(lán)色虛線，為靶機(jī)降落時(shí)平均輻射亮度。分析目標(biāo)平均輻射亮度發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)平均輻射亮度在降落段起伏較大，且約1.5倍于繞飛段平均輻射亮度。

圖5 不同方位平均輻射亮度示意圖

目標(biāo)路徑輻射和透過率變化如圖6所示，此時(shí)路徑輻射增加、透過率減少，但路徑輻射和透過率的變化是緩變的；同時(shí)由公式(2)及上文中側(cè)向飛行時(shí)尾焰基本探測不到，說明此時(shí)測量設(shè)備明顯探測到非蒙皮和尾焰區(qū)域。

圖6 路徑輻射和透過率變化示意圖

目標(biāo)降落前航跡如圖7所示，可以看出導(dǎo)致目標(biāo)平均輻射亮度增加的主要原因?yàn)椋寒?dāng)目標(biāo)降落時(shí)，測量設(shè)備可以探測到目標(biāo)部分尾噴口區(qū)域；但暴露噴口較少，該區(qū)域并未充滿整個(gè)像素，導(dǎo)致目標(biāo)平均輻射亮度雖大于繞飛段，但尚不明顯。結(jié)合理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)在夜晚長波平均紅外輻射亮度與氣動(dòng)加熱計(jì)算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，說明測量結(jié)果較為可信。

圖7 目標(biāo)降落段航跡示意圖

4 結(jié)論

本文利用紅外成像設(shè)備獲得了某靶機(jī)紅外輻射圖像，通過計(jì)算獲得了該靶機(jī)平臺(tái)夜間不同方位輻射強(qiáng)度分布。經(jīng)分析，雖受環(huán)境擾動(dòng)、飛行狀態(tài)差異影響，但靶機(jī)相對(duì)測量設(shè)備繞飛狀態(tài)下目標(biāo)輻射強(qiáng)度基本一致，約4km外探測不到長波波段尾焰，尾焰輻射影響較小。繞飛階段該距離下靶機(jī)的目標(biāo)和背景灰度對(duì)比度較小，僅約人眼對(duì)比度響應(yīng)閾值的2倍，造成了人工偵察探測識(shí)別較為困難，在靶機(jī)模擬目標(biāo)時(shí)需注意目標(biāo)背景對(duì)比度對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果影響。結(jié)合理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)在夜晚長波平均紅外輻射亮度與氣動(dòng)加熱計(jì)算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，說明測量結(jié)果較為可信。本文研究成果可為靶機(jī)特性建模、模擬應(yīng)用、靶機(jī)偵察探測和相關(guān)測量設(shè)備研制提供一定的支撐。

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Analysis of Long-wave Infrared Radiation Characteristics of Aerial Target in Different Azimuth at Night

ZOU Qianjin，LIU Shengli，LIU Xiaohu，LU Jing，LU Hongtao，WANG Dong，CHEN Yubin

(No. 63891 Troops of PLA, Luoyang 471003, China)

Aiming at the requirements of target drone applications, modeling and simulation,outfield testing of infrared radiation characteristics of target drone in flight is necessary, and the results have high confidence level. In this paper, the radiation intensity distribution of the target drone in different azimuth at night is obtained by calibrating the infrared measuring equipment infrared imaging measurement equipment, calculating the path radiation and transmittance, and radiance retrieval. The measurement error is about 21.24 %. The radiation intensity is affected by other factors.When the target drone is flying around the equipment, the radiation intensity in different azimuth is basically the same.Tail flame is difficult to detect in long-wave infrared band.In the characteristics simulation and modeling of target drone, the influence of tail flame radiation has little effect.At this distance, the gray contrast between the target and background is only about twice the contrast response threshold of eye. The target drone is hard to track by manual detecting.It should be paid attention to the influence of contrast in the characteristics simulation of target drone. The research results of this paper can provide support for characteristics simulation and modeling of target drone and development of infrared measuring equipment.

LW infrared radiation characteristics at night, different azimuth, target drone,radiation intensity distribution

P422

A

1001-8891(2023)01-0064-05

2022-08-23；

2022-09-21.

鄒前進(jìn)（1982-），男，高級(jí)工程師，主要從事光電及光電對(duì)抗技術(shù)研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com