紅外隱身飛機光譜探測的譜帶性能分析方法

林 濤，劉 飛，王 怡，張建奇

（西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西西安 710071）

紅外隱身飛機光譜探測的譜帶性能分析方法

林 濤，劉 飛，王 怡，張建奇

（西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西西安 710071）

針對隱身飛行目標(biāo)多譜帶探測中所選波帶性能不易準(zhǔn)確客觀進行分析評價這一問題，通過設(shè)計一種單元能量光譜探測系統(tǒng)來對所選探測波段進行客觀分析，以證明該波段在紅外隱身飛行目標(biāo)多譜帶探測的有效性.由于所選窄波段接收到的能量要小于傳統(tǒng)所用的寬波段，而且信號本身無法表征對目標(biāo)探測性能的優(yōu)劣，故而通過對單元能量光譜探測原理進行分析，結(jié)合系統(tǒng)信號的轉(zhuǎn)換模型，建立了波段質(zhì)量因子這一評價模型在不同能見度、不同云背景以及不同探測距離情況下分別對所選窄波段性能加以客觀分析.結(jié)果表明，單元能量探測系統(tǒng)在不同條件下不僅能夠客觀準(zhǔn)確地對各波段探測進行分析，而且對于不同云背景下所使用波段的抖動性也給予了清晰直觀的顯示，證明了窄波段的探測效果優(yōu)于寬波段，與理論分析相一致.

多譜帶；波段質(zhì)量因子；光譜探測；隱身目標(biāo)

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，各種干擾與對抗措施也在不斷進步，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，對抗性更加激烈［1-2］，而且隨著精確制導(dǎo)導(dǎo)彈和炮彈等武器的大量使用，戰(zhàn)場地面機動設(shè)備的防護已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中必須考慮的關(guān)鍵問題之一［3-4］.

紅外制導(dǎo)作為先進的尋的制導(dǎo)方式在先進國家的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注.如何快速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)對目標(biāo)的探測，實施精確打擊就成為了近年來國內(nèi)外研究的主要方向［5］.隨著光譜技術(shù)的迅速發(fā)展，且基于自身分辨率高、有利于定量分析等的優(yōu)點，使得光譜技術(shù)在目標(biāo)探測方面也具有廣泛的應(yīng)用.而對于探測波段的選擇是利用光譜技術(shù)進行目標(biāo)探測的關(guān)鍵，對此國內(nèi)外在這方面也進行了一些相應(yīng)的研究.文獻［6］對隱身飛機尾焰的紅外輻射特性進行了研究，得到了在幾種常見隱身措施下尾焰輻射能量集中的譜帶.文獻［7］研究了飛機尾焰的紅外輻射特征，建立了定量分析模型.文獻［8］主要研究了如何選擇合適的濾波器抑制背景雜波，得到更高的信噪比.文獻［9］主要在尾焰的紅外輻射特征建模和輻射譜帶方面做了研究，分析了飛機尾焰的紅外輻射特征及大氣傳輸對其造成的影響.文獻［10］使用信噪比探測模型來對光電系統(tǒng)的空間目標(biāo)探測能力進行綜合評估.以上的研究成果從目標(biāo)輻射特性出發(fā)，提出了一些關(guān)于目標(biāo)光譜探測的可行方法，但是對于所選探測譜帶的性能分析和研究卻很少涉及，而且利用信噪比探測模型雖然能在一定程度上對所選擇的方法進行判別，但是對于多譜帶探測方法進行評價卻存在一定不足.

基于以上研究基礎(chǔ)和分析，筆者提出一種新的目標(biāo)光譜譜帶探測性能分析方法.該方法基于光電探測中的信號轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建了單元能量光譜探測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌ǘ屋椛淠芰窟M行探測，以評估在不同波段內(nèi)進行目標(biāo)探測的優(yōu)劣.并從理論和仿真角度對不同環(huán)境條件下的目標(biāo)光譜探測提供了相應(yīng)支持，最后對于探測距離和波段質(zhì)量因子之間的關(guān)系給予詳細(xì)的分析和研究.

1 紅外隱身飛行目標(biāo)的紅外光譜探測研究

目標(biāo)紅外光譜探測是受所選取譜帶內(nèi)目標(biāo)的自身特征和威脅物（主要指采用光學(xué)（含可見光、紅外、激光）制導(dǎo)的導(dǎo)彈等）的傳感器特性控制的.在目標(biāo)探測中，目標(biāo)的特征即所有鑒別量的組合體，應(yīng)是整個探測的關(guān)鍵與核心，鑒別量是指那些能用于將目標(biāo)特征從其他易混淆的背景物體中分開的特性.

1.1紅外隱身飛行目標(biāo)輻射特性分析

對于空中飛行目標(biāo)，無論是否采用各種先進的隱身技術(shù)，尾焰一直可以作為目標(biāo)探測的主要輻射源.探測條件為低云；云底高3.0 km；云頂高4.0 km；太陽天頂角為60°；探測器天頂角為30°；太陽方位角為0°；探測器方位角為180°；視場因子為0.9；觀測距離為5 km；飛行高度為4 km；圓噴口，噴口半徑為0.31 m；噴口尾焰溫度為1 000 K.根據(jù)文獻［11］的分析可知，目標(biāo)的輻射強度和背景的輻射強度如圖1所示.

由圖1（a）可以看出，目標(biāo)能量集中在2.27～3.30μm 和4.15～4.45μm兩個波段.由圖1（b）可知，相應(yīng)波段的背景輻射恰好處于較低數(shù)值.因此，2.27～3.30μm和4.15～4.45μm兩個波段內(nèi)目標(biāo)輻射被弱背景突出.

圖1　目標(biāo)和背景的輻射強度

1.2紅外隱身飛行目標(biāo)探測譜帶的選擇

基于1.1節(jié)分析可知，在2.27～3.30μm和4.15～4.45μm兩個譜帶內(nèi)目標(biāo)輻射強于背景輻射，但是對比度特征作為描述目標(biāo)特征的基本特征，對目標(biāo)紅外信號的探測，在很大程度上取決于目標(biāo)與周圍背景之間的對比度.由于大氣對于目標(biāo)和背景的對比度的影響，故應(yīng)對目標(biāo)的對比度做更為仔細(xì)的定義與分析，絕對對比度和相對對比度的定義分別為

其中，下標(biāo)T和B分別指目標(biāo)和背景的輻射，在機載目標(biāo)的情況下，背景輻射為來自目標(biāo)（尾焰）平面后的大氣輻射.絕對對比度的單位即是輻射量的單位.

圖2（a）中的光譜傳輸相對對比度曲線1存在的明顯峰值驗證了在4.15～4.45μm和2.27～3.30μm兩個波段內(nèi)目標(biāo)輻射被弱背景突出，即目標(biāo)的對比度特征具有明顯的特性.在2.27～3.70μm波段，通過圖2 （b）的光譜傳輸絕對對比度可以定位此波段內(nèi)光譜傳輸絕對對比度的最大峰值波長，在這里等于2.90μm.

以其為分界線，分別求2.90～2.27μm和2.90～3.30μm的積分傳輸絕對對比度，即圖2（b）中的曲線2.通過對光譜傳輸積分對比度的分析易得，對于飛行目標(biāo)進行探測的最優(yōu)波段為2.86～3.30μm和4.17～4.55μm［12］.

圖2　目標(biāo)及背景的傳輸對比度在不同波段的分布

2 單元能量光譜探測系統(tǒng)

紅外隱身飛行目標(biāo)光譜探測中所選波段在實際中進行目標(biāo)探測時的優(yōu)劣將是此探測方法能否應(yīng)用于實際戰(zhàn)場的關(guān)鍵.由于窄波段所能接收到的能量要小于傳統(tǒng)所用的寬波段，但是信號本身卻無法表征對目標(biāo)探測性能的優(yōu)劣，所以設(shè)計單元能量光譜探測系統(tǒng)來進行相應(yīng)的性能評估就顯得尤為必要.

2.1單元能量光譜探測原理分析

圖3的單元能量光譜探測系統(tǒng)組成原理圖表示了單元光譜探測系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換機理.視場內(nèi)的景物輻射信號經(jīng)過光譜濾光片進行光譜濾波，通過光學(xué)系統(tǒng)進行匯聚，并經(jīng)由斬光器調(diào)制到光電探測器上，探測器將入射的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，并由后續(xù)信號處理電路進行放大、鑒頻等處理后輸出.

圖3 單元能量光譜探測系統(tǒng)組成原理圖

圖3中的斬光器旋轉(zhuǎn)對于輸入信號進行調(diào)制是單元光譜探測系統(tǒng)進行能量探測的核心.斬光器以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，使得探測器能周期性地接收視場內(nèi)場景的輻射.顯然，斬光器對系統(tǒng)的輸入輻射進行了調(diào)制，其調(diào)制的實質(zhì)是控制有效視場大小，使探測器能接收的場景輻射能量發(fā)生變化.可以將調(diào)制等效為斬光器對探測器面積（圓形）的調(diào)制.由推導(dǎo)可得探測器能接收場景輻射的面積隨時間t的變化關(guān)系為其中，Ad為探測器總面積，K為斬光器透明/不透明扇形葉片對數(shù)，f為斬光器的旋轉(zhuǎn)頻率.Kf實際是斬光器調(diào)制的基頻，以fB表示，則上式可寫為

根據(jù)以上分析，建立單元能量光譜探測系統(tǒng)對于目標(biāo)探測中所選的窄波段性能進行分析時，首先要對光電探測器所接收到的信號進行詳細(xì)分析和研究，故建立以下系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換模型和窄波段性能評價分析模型.

2.2單元能量光譜探測模型

2.2.1系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換模型

（1）探測純背景輻射的情形 探測器接收到的場景光譜輻射功率為其中，EBdλ為探測器上的光譜輻照度，Ad（t）為斬光器對探測器面積的調(diào)制函數(shù).背景輻射在光學(xué)系統(tǒng)前的光譜輻照度為EBλ，當(dāng)除透過率外的其他光學(xué)系統(tǒng)效應(yīng)很小可以忽略時，則

其中，AO為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積，τO為光學(xué)系統(tǒng)透過率.探測器輸出信號為

采用鑒頻器提取基頻信號，得

其中，DO為光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑.

（2）探測場景中有目標(biāo)的情形 目標(biāo)在光學(xué)系統(tǒng)前的光譜輻照度為ETλ，在探測器上所成的像的面積為AT，AT?Ad.背景輻射在光學(xué)系統(tǒng)前的光譜輻照度為EBλ.探測器接收到的光譜輻射功率為目標(biāo)在探測器上的輻射功率PTλ與背景在探測器上的輻射功率PBλ之和，即

由于目標(biāo)成像面積遠小于探測器面積，所以，可以近似認(rèn)為

對于目標(biāo)，有

所以，

其中，ξ（t）為幅值為1方波函數(shù)，頻率為斬光器調(diào)制的基頻.探測器輸出的信號為

采用鑒頻器提取基頻信號，得

其中，S′為目標(biāo)方波信號的基頻信號強度.

2.2.2窄波段性能評價分析模型

此單元能量光譜探測系統(tǒng)用于不同波段輻射能量的探測，以評估在不同波段內(nèi)進行目標(biāo)探測的優(yōu)劣.顯然，系統(tǒng)在寬波段內(nèi)接收的能量要大于窄波段的.但信號本身的絕對強度無法表征對目標(biāo)探測性能的優(yōu)劣，目標(biāo)與背景之間的差異程度才是進行目標(biāo)探測難易的指標(biāo).雖然此系統(tǒng)只是能量測量系統(tǒng)，無法進行目標(biāo)探測，但是可以利用測量結(jié)果，進行一定的計算后得出能夠表征波段目標(biāo)探測性能的參數(shù)，定義波段質(zhì)量因子這一物理量表征波段信號質(zhì)量，即

其中，Q稱為波段質(zhì)量因子，N為系統(tǒng)對無目標(biāo)場景進行測量時輸出的信號，S為在相同場景下加入目標(biāo)后系統(tǒng)的輸出.在目標(biāo)對系統(tǒng)的張角遠小于系統(tǒng)視場的情況下，可將S=N+S′，代入式（15），S′為目標(biāo)信號的輸出能量，得

可見，Q表征了目標(biāo)本身信號相對于背景信號的強度.

3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上分析，設(shè)定飛機沿水平飛行，系統(tǒng)參數(shù)如下:光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.8；入瞳直徑為73 mm；有效焦距為80 mm；探測器直徑為1 000μm；峰值波長為3.6μm；峰值探測率D*為2×1010；周期采樣數(shù)為256；采樣點間的時間間隔為78μs；目標(biāo)噴口寬度為1.83 m，高度為0.15 m；非加力狀態(tài)噴口溫度為900 K；加力狀態(tài)噴口溫度為1 128 K；通過MODTRAN3.7對不同大氣情況進行模擬，可獲得測量系統(tǒng)在不同天氣和不同飛行狀態(tài)下，光電探測器所輸出的信號.

3.1不同飛行狀態(tài)下的波段質(zhì)量因子

從測量結(jié)果以及圖4（a）的曲線分析可知，易得兩個窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）的波段質(zhì)量因子都優(yōu)于寬波段（3～5μm），2.86～3.30μm波段的波段質(zhì)量因子是最大的.波段質(zhì)量因子描述的是目標(biāo)本身信號相對于背景信號的強度.因此窄波段，特別是2.86～3.30μm波段，目標(biāo)與背景對比強烈，相對寬波段而言，更利于目標(biāo)探測.隨著目標(biāo)距離的增加，到達探測系統(tǒng)的能量逐漸減小，因而波段質(zhì)量因子也隨之降低.當(dāng)距離足夠大，波段質(zhì)量因子將趨于0，此時表明目標(biāo)相對于探測系統(tǒng)而言已經(jīng)融入到背景中，無法分辨.

圖4　不同距離下的不同波段的波段質(zhì)量因子曲線

如圖4（b）所示，隱身目標(biāo)在加力狀態(tài)下在不同距離時的測試數(shù)據(jù)存在明顯抖動，因為在多云背景情況下，當(dāng)目標(biāo)處在不同距離處時，其所處的背景是各不相同的，測量對象相關(guān)度大大降低，因而數(shù)據(jù)抖動較大.而在窄波段2.86～3.30μm的信號最小，最容易受到干擾，所以抖動也最大.不管數(shù)據(jù)抖動如何，曲線的趨勢與曲線間的關(guān)系仍然與圖4（a）的數(shù)據(jù)相似，應(yīng)用窄波段進行目標(biāo)探測將優(yōu)于寬波段探測.根據(jù)以上分析，筆者對于在相同背景，不同能見度的情況和相同能見度，不同背景的情況分別進行了相應(yīng)的分析和研究.

3.2不同能見度下的波段質(zhì)量因子

圖5 非加力隱身目標(biāo)在不同距離下的不同波段的波段質(zhì)量因子曲線

圖5所示為不同云背景下，能見度降低的波段質(zhì)量因子測試數(shù)據(jù)，由圖5易得，由于能見度的降低，大氣對目標(biāo)輻射能量的衰減加強，相同距離下能夠到達光電探測系統(tǒng)的目標(biāo)能量減小，因此，對于所選的兩個窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）和常用寬波段（3～5μm）的波段質(zhì)量因子都有所降低，但是相比較窄波段的波段質(zhì)量因子在相同測量條件下整體大于寬波段的.圖5（a）和圖5（b）顯示出能見度的變化對波段質(zhì)量因子的影響是很明顯的，對于2.86～3.30μm波段，當(dāng)探測距離為5 km時，在能見度為5 km的情況下波段質(zhì)量影響因子為0.003 5，而當(dāng)能見度增加到10 km時波段質(zhì)量因子約為0.004 2，且隨著探測距離的增加，整體變化趨勢逐步減小.

圖5（c）和圖5（d）顯示，在實際探測過程中，云背景對系統(tǒng)的測量結(jié)果有很大的影響，而且無云情況下的波段質(zhì)量因子的值總體大于少云時的情況，同樣對于窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）探測，隨著探測距離的變化，其波段質(zhì)量因子的值恒大于寬波段探測的.綜合圖5（a）～（d）分析可知，無云和少云情況下的曲線相對于多云時波段質(zhì)量因子變化情況要平滑，而無云相對于少云情況下波段質(zhì)量因子變化要平滑，波動較小.這說明云背景對于空中飛行目標(biāo)的探測有很大影響，但是對于文中所用窄波段探測，其探測性能整體上比較良好.綜上所述，對于隱身飛行目標(biāo)的窄波段探測效果優(yōu)于傳統(tǒng)常用寬波段探測.

4 結(jié) 論

針對空中隱身目標(biāo)探測中所選探測方法的優(yōu)劣難以客觀準(zhǔn)確評估這一問題進行研究，隱身目標(biāo)的窄波段探測方法是利用目標(biāo)和背景在紅外光譜譜帶內(nèi)的輻射特征的明顯差異選擇最優(yōu)探測波帶，文中通過建立單元能量光譜探測系統(tǒng)對于隱身目標(biāo)的窄波段探測方法進行分析評估，詳細(xì)分析了單元能量光譜探測原理及其信號轉(zhuǎn)換探測機理，基于以上分析構(gòu)建了波段質(zhì)量因子這一物理量來對所選波帶進行客觀評價.通過對不同能見度、不同云背景等天氣情況下所選窄波帶2.86～3.30μm與4.17～4.55μm和常用傳統(tǒng)寬波帶3～5μm內(nèi)波段質(zhì)量因子的詳細(xì)計算分析可得，利用所選兩個窄波帶進行目標(biāo)探測，相比于寬波段探測探測距離更遠，性能更好.單元能量探測系統(tǒng)不但對目標(biāo)探測提出了一種客觀準(zhǔn)確的評價方法，而且對于其余目標(biāo)探測方法提供了一個很好的思路.

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（編輯:李恩科）

Band performance analysis method of spectrum detection about infrared stealth aircraft

LIN Tao，LIU Fei，WANG Yi，ZHANG Jianqi
（School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian Univ.，Xi’an 710071，China）

The performance of the selected bands in stealth aircraft target multi-spectral detection is hard to analyze and evaluate.A unit energy spectrum detection system is designed to analyze the selected detection band，demonstrating the availability of the selected detection bands.The selected narrow band receives less energy than the traditional wide band，while the signal itself can not represent the performance of target detection.By analyzing the unit energy spectrum detection principle and considering the alternative model of the system signal，the model of the wave quality factor is established to objectively analyze the performance of the selected band in different visibilities，cloud backgrounds and detection ranges.The result shows that the unit energy detection system can analyze each band detection objectively and accurately.At the same time，it also gives a clear and intuitive display of the jitter property while using it in different cloud backgrounds，proving that the detection effect of the narrow band is superior to the wide band and consistent with the theoretical study.

multi-spectral band；wave quality factor；spectrum detection；stealth target

TN219

A

1001-2400（2016）01-0054-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.01.010

2014-07-24 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-04-14

林 濤（1969-），西安電子科技大學(xué)博士研究生，E-mail:taolin@dhld.com.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150414.2046.007.html