高低海拔地區地面目標可見光對比度對比分析

鄒前進，陳前榮，郝永旺，楊淼淼，劉連偉，姚 梅

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高低海拔地區地面目標可見光對比度對比分析

鄒前進，陳前榮，郝永旺，楊淼淼，劉連偉，姚 梅

（洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

高低海拔地區氣象環境迥異，將對可見光目標背景對比度產生影響。通過分析高低海拔地區到達探測系統前目標可見光對比度隨月份變化，得到高海拔地區目標背景對比度優于低海拔地區。分析了高海拔地區太陽直射照度隨氣象參數變化、高低海拔地區輻射參數隨月份的變化，指出高海拔地區能見度是影響其目標背景對比度的主要因素。各個月份平均氣象條件下高海拔地區目標背景亮度約為低海拔地區一倍以上，將使得在低海拔地區使用的可見光探測系統直接飽和。

可見光探測系統；對比度；高海拔；實測氣象數據

0 引言

利用可見光進行目標探測，是高技術戰爭中獲取戰場信息的重要手段之一[1]。在可見光波段，目標物體輻射主要來自于其本身對可見光的反射[2]。而在戶外成像過程中，由于受到大氣分子和氣溶膠粒子的吸收和散射，太陽直射、天空背景散射等受氣象環境參數的影響十分嚴重[3]。當前分析大氣光學參數對成像質量的影響、建立圖像退化的光學模型[3-5]和建立各階段物理效應模型是研究熱點[6-9]。

高海拔地區氣候具有晝夜溫差大、大氣壓強低等特點，開展高海拔和低海拔地區氣象環境對目標和背景影響對比分析，對可見光軍事探測設備的設計、使用和仿真等具有重要意義。本文結合實測的高海拔和低海拔地區整年月平均壓強、溫度、濕度和能見度等氣象數據，對比分析了高低海拔地區到達可見光探測系統前目標背景對比度變化，并分析了產生不同變化的原因。

1 目標背景傳輸分析

目標與背景之間的對比度是探測系統所能獲得的最終特征，通過對目標與背景的對比度進行分析，將目標與背景區分開來，從而實現對目標的發現、識別和跟蹤[9-10]，目標和背景輻射傳輸過程如圖1所示。因此，對比度是目標探測與信息處理中的一個非常重要的參量，也是探測系統發現和識別目標的基本依據。

圖1 目標背景輻射傳輸過程示意圖

在大多數的目標捕獲模型中，在目標到探測系統前接收到的目標背景對比度定義如式(1)所示[9]：

式中：Ts和Bs分別為目標和背景輻射亮度：

Ts＝T(0)·()＋P()

Bs＝B(0)·()＋P()

式中：()為路徑透過率；p()為路徑輻射；T(0)為零距離目標輻射；B(0)為零距離目標輻射背景。

由圖1，可見光波段目標和背景輻射亮度主要來源于其表面對太陽直射、天空背景散射和地物陽光反射等輻射的反射。典型情況下平原地區地面附近太陽直射照度為100～300Wm－2，高原地區地面附近太陽直射照度甚至可達400Wm－2，遠大于天空背景散射和地物陽光反射，因此本文使用下式(2)計算目標和背景零距離處輻射亮度：

式中：(0)為零距離目標或背景輻射亮度；sun為太陽直射照度；為目標或背景反射率。

定義(0)為零距離情況下固有對比度，此時路徑透過率為1，路徑輻射為0，形式如式(1)。假定目標和背景為朗伯體時，目標和背景的固有對比度主要取決于目標和背景的反射率。則經推導對比度式(1)可表示為下式(3)：

式中各參數與上式相同。

氣象條件主要影響太陽直射、路徑輻射、路徑透過率等，導致目標背景對比度變化。

2 不同海拔地區可見光目標背景分析

2.1 不同海拔地區可見光對比度隨月份變化

在獲得不同海拔地區氣象參數情況下，太陽直射、天空背景散射、路徑背景輻射和路徑透過率等參數可借助各種大氣輻射傳輸模型或軟件進行計算獲得。本文選擇MODTRAN4.0來計算太陽輻射、背景輻射、路徑輻射和路徑透過率等。

假定高海拔和低海拔地區目標、背景的反射率一致，(0)為0.5。仿真參數為：高低海拔地區海拔高度分別為：4416m和124m；氣溶膠類型為中緯度鄉村氣溶膠模式；時間取每月21日上午9時；氣象條件為高海拔和低海拔地區2014年月平均溫度、濕度、壓強和能見度實測值。由式(3)，5km處目標背景對比度隨月份變化如圖2所示。

圖2 高低海拔地區目標背景對比度隨月份變化

由圖2可以看出，高海拔地區目標和背景可見光對比度下降程度隨月份變化程度遠小于低海拔地區。

2.2 氣象條件影響分析

圖3給出了高低海拔地區某一時刻，太陽照度隨氣象參數的變化。仿真過程中，當改變某一參數時，其他參數使用當地實測數據。

圖3 高低海拔地區太陽照度隨氣象條件變化

由圖3可知，溫度和濕度對太陽直射影響較小。統計實測數據顯示高海拔地區大氣壓在600hPa左右；低海拔地區大氣壓強在1000hPa左右，波動范圍約幾十百帕，則壓強對太陽直射影響較小。由圖3(d)，太陽照度隨能見度變化較為劇烈，但能見度在20km后，太陽照度變化較為平緩。典型情況下，低海拔地區能見度一般為5～25km，處于太陽直射照度劇烈變化區域；高海拔地區能見度高達20～50km，處于太陽直射照度平緩區域。所以高低海拔地區能見度的差異是影響可見光波段目標背景對比度的主要原因。

圖4給出了高海拔和低海拔地區太陽直射、天空背景輻射、路徑輻射和路徑透過率隨月份的變化。

圖4 高低海拔地區不同參數計算結果隨月份變化

由圖4，由于能見度較高，高海拔地區路徑透過率大于低海拔地區、天空背景輻射和路徑輻射小于低海拔地區共同造成了高海拔地區目標背景對比度優于低海拔地區；作為主要輻射源，高海拔地區太陽直射照度是低海拔地區兩倍，使得高海拔地區目標和背景輻射遠大于低海拔地區，將對可見光探測系統目標探測產生影響。

2.3 小結

通過分析高低海拔地區目標背景可見光波段對比度變化可以看出：高海拔地區到達光學系統前目標和背景對比度優于低海拔地區。主要原因是：高海拔地區不同月份平均能見度優于低海拔地區。但上述分析建立在高低海拔地區目標、背景的輻射均處于探測系統線性范圍內，同時未考慮探測系統背景噪聲和光學系統雜散輻射等。由上述計算：各個月份平均氣象條件下，高海拔地區目標和背景亮度約為低海拔地區一倍以上，將使得在低海拔地區正常使用的可見光探測系統直接飽和。所以高海拔地區使用的可見光探測系統需考慮加裝衰減裝置和雜光抑制手段。

3 結論

本文對高低海拔地區到達探測系統前目標可見光對比度隨月份變化進行了分析。通過分析高低海拔地區太陽直射照度隨氣象參數變化、高低海拔地區太陽直射、路徑輻射和透過率等隨月份的變化，指出高海拔地區良好的能見度是造成高海拔地區目標背景對比度優于低海拔地區的主要原因。但高海拔地區目標背景亮度約為低海拔地區一倍以上，將使得在低海拔地區正常使用的可見光探測系統直接飽和，高海拔地區使用可見光探測系統需考慮加裝衰減裝置和雜光抑制手段。

本文研究結果對可見光探測系統高海拔應用和設計具有參考意義。但需要進一步開展高原強可見光背景輻射、低溫和低壓等對可見光探測系統響應的影響效應研究。

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Comparative Analysis of Visible Contrast between High and Low Altitude

ZOU Qianjin，CHEN Qianrong，HAO Yongwang，YANG Miaomiao，LIU Lianwei，YAO Mei

(,471003,)

There are great differences of the meteorological conditions between high and low altitude. The meteorological conditions have an impact on the visible contrast between target and its background. The visible contrast between target and its background at high and low altitude changed monthly, which were analyzed at first. The results show that the visible contrast between target and its background at high altitude is superior to which at low altitude. And then, the solar irradiance with monthly meteorological conditions at high and low altitude is simulated. The path irradiance and transmission with monthly meteorological conditions at high and low altitude was calculated. It points out that good visibility is the major factor in visible contrast calculation. Through contrastive analysis, the calculated results show that the brightness of different meteorological conditions at high altitude has more than double, and the visible detecting system will be saturated.

visible detecting system，contrast，high altitude，measured meteorological data

P422

A

1001-8891(2016)11-0935-04

2015-10-17；

2016-03-07.

鄒前進（1982-），男，碩士，從事光電對抗方面研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com。

總裝預研基金項目。