臨近空間目標(biāo)的多譜段探測技術(shù)研究*

婁洋歌　張一飛　明德烈　田金文

(華中科技大學(xué)自動化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)國家級重點實驗室　武漢　430074)

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臨近空間目標(biāo)的多譜段探測技術(shù)研究*

婁洋歌張一飛明德烈田金文

(華中科技大學(xué)自動化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)國家級重點實驗室武漢430074)

在天基臨近空間目標(biāo)多譜段探測系統(tǒng)中，對探測能力的分析和評估是進(jìn)行相機(jī)設(shè)計的前提之一。在單一波段的基礎(chǔ)上，論文從多譜段出發(fā)，對可見光及紅外波段探測系統(tǒng)信噪比和探測距離進(jìn)行建模，并結(jié)合實例分析了可見光及紅外波段探測系統(tǒng)的探測性能。紅外波段的目標(biāo)輻射與背景輻射反差大，探測可行性比可見光好。最后在同等條件下，通過比較短波、中波和長波紅外的相機(jī)極限探測距離，論證了短波紅外的探測可行性最好，探測距離最遠(yuǎn)，為臨近空間目標(biāo)探測提供理論依據(jù)。

臨近空間;可見光;紅外;信噪比;探測距離

Class NumberTN765

1　引言

臨近空間一般指距地面20km～100km的空間，它大致包括：大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區(qū)域[1]。在這樣的空間區(qū)域，既可以避免目前絕大多數(shù)的地面攻擊，又可以提高軍事偵察和對地攻擊的精度，對于偵察監(jiān)視、通信保障以及對空對地作戰(zhàn)等，具有極大的發(fā)展?jié)摿2]。

臨近空間目標(biāo)成像探測技術(shù)對于臨近空間飛行器目標(biāo)探測、識別、跟蹤、瞄準(zhǔn)、攻擊等具有非常重要的意義[3～4]。通過研究臨近空間目標(biāo)與環(huán)境特性，可以分析得到臨近空間目標(biāo)與環(huán)境特性的特征信息，建立臨近空間目標(biāo)與空間環(huán)境特征數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上研發(fā)臨近空間目標(biāo)多譜成像仿真軟件，進(jìn)行探測模式分析，從而得到最佳探測模式，為臨近空間的目標(biāo)探測提供幫助。

在探測系統(tǒng)中，對探測能力的分析和評估是進(jìn)行臨近空間相機(jī)設(shè)計的前提之一[4]。在臨近空間，作用距離與探測波長、目標(biāo)特性、背景特性及系統(tǒng)探測能力等多種因素有關(guān)[5]。本文將從可見光及紅外波段探測模式進(jìn)行理論分析并計算，估算出各探測模式條件下的作用距離，給出臨近空間探測的最佳探測模式。

2　臨近空間目標(biāo)可見光可探測分析

在可見光波段，臨近空間目標(biāo)以反射為主。在目標(biāo)表面面元能量受到地球反射能量、地球反射太陽輻射能量、太陽直射能量。

由于地球直接輻射模型的分譜輻照度的數(shù)量級太小，所以應(yīng)該重點考慮地球反射太陽輻射及太陽直接輻射的影響，畢竟太陽才是整個太陽系的主要輻射源。

(1)

式中：Esun(λ)為太陽光譜輻照度的分布函數(shù)，其中：

(2)

(3)

式中：普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·s，c為真空光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為太陽黑體溫度，Asun為太陽表面積，Ros為目標(biāo)和太陽的距離。

信噪比是衡量相機(jī)信號處理能力的一個總體指標(biāo)，信噪比越小，表明信號處理能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的作用距離就越大。在可見光波段，一般以電子數(shù)為單位的信噪比定義為

SNR=Ne/Nnoise

(4)

式中：Ne為在一定時間內(nèi)接收到的信號電子數(shù)，Ne=Q/e，Q為電荷電量，e為電子電荷，e=1.6×10-19C；Nnoise為同一時間內(nèi)接收到的噪聲電子數(shù)。

在臨近空間目標(biāo)探測過程中，起主要貢獻(xiàn)的噪聲來源有探測器暗電流噪聲、光子噪聲、探測背景噪聲、電子讀出噪聲等。系統(tǒng)噪聲可表示為

(5)

式中：nd為暗電流噪聲；np為光子噪聲；nb為背景噪聲；nread為探測器讀出噪聲。

設(shè)μ為圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換效率，T為曝光時間，A0為探測器鏡頭入瞳面積，nspread為彌散斑像素數(shù)，于是得到探測距離估算公式如下：

(6)

3　臨近空間目標(biāo)紅外可探測分析

在紅外波段，影響臨近空間目標(biāo)紅外輻射特性的因素很多。目標(biāo)紅外輻射特性受到其自身紅外輻射影響而由普朗克定律可知，目標(biāo)表面自身紅外輻射受到目標(biāo)表面溫度影響[6]，計算方式如下

(7)

式中：C1為第一輻射系數(shù)，C2為第二輻射系數(shù)，T為面元溫度，λ1,λ2為紅外波段范圍的上下線，ε(λ,T)為表面反射率。

目標(biāo)表面的反射輻射，包括目標(biāo)表面對太陽輻射，月球輻射以及它對地球背景輻射的反射：

Eref=α(Qsun+Qsky+Qgrd)

(8)

式中：α為目標(biāo)表面紅外波段范圍的反射率；Qsun為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的太陽輻射能量，Qsky為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的月球輻射能量，Qgrd為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的地球背景輻射能量。

臨近空間飛行器的紅外輻射由其自身的輻射和反射的輻射兩部分組成[7]。綜上所述，總的紅外輻射為

E=Eλ1～λ2+Eref

(9)

在紅外波段，目標(biāo)信噪比的計算公式如下

(10)

式中，τa為對應(yīng)距離的大氣透過率，τ0為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)透過率，η為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)能量利用率，一般取作能量集中度，ΔT為背景輻射等效溫差，F(xiàn)為紅外鏡頭數(shù)，NETD為等效背景輻射溫度。

用紅外成像進(jìn)行目標(biāo)探測時，目標(biāo)與背景經(jīng)過衰減后的溫差(目標(biāo)背景等效溫差)ΔT′要不小于成像探測器NETD的一定倍數(shù)(能探測到目標(biāo)所需的最小信噪比SNR)，系統(tǒng)就能探測到目標(biāo)，即要滿足如下公式：

ΔT′≥SNR·NETD

(11)

實際上，大氣傳輸和探測系統(tǒng)中衰減的能量是目標(biāo)背景能量[8～9]。具體衰減過程如圖2所示。

從而可以得到探測系統(tǒng)的探測距離(紅外成像探測極限距離)公式。根據(jù)實際應(yīng)用的參數(shù)，利用該公式可以得到系統(tǒng)的探測距離：

(12)

式中，α,β是光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場，R是探測距離，C2為第二普朗克常數(shù)，C2=1.438cmk，Tt,Tb為目標(biāo)和背景的溫度，ε為目標(biāo)的發(fā)射率，S為目標(biāo)面積，λ為紅外波長。

圖1　目標(biāo)背景等效溫差步驟示意圖

4　實驗分析

4.1可見光波段實驗分析

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑D=200mm，光透過率τ0=30%，大氣透過率為0.5965，像元填充因子ε=0.4。若CCD的響應(yīng)波段為0.4μm～0.7μm，對該波段的太陽輻射進(jìn)行積分的輻射強(qiáng)度為25554404W/m2,則到目標(biāo)處的輻射強(qiáng)度為Es=553.121W/m2,目標(biāo)表面材質(zhì)的反射率為0.5，則目標(biāo)本體反射的總輻射為1169.2W。對臨近空間目標(biāo)進(jìn)行探測時，要求探測概率>99%，虛警概率<1%。可以確定出滿足這個條件的門限信噪比約為3。假設(shè)太陽光的入射方向與目標(biāo)表面法線方向的夾角為0°，即垂直照射。

假設(shè)探測平臺的高度為1000km，而臨近空間的區(qū)域范圍為20km～100km，所以可以認(rèn)為入瞳處的目標(biāo)是作為點目標(biāo)出現(xiàn)的，可以認(rèn)為目標(biāo)占1個像元或者兩個像元，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)是臨近空間目標(biāo)是作為點目標(biāo)出現(xiàn)在視場內(nèi)的。

當(dāng)取極限信噪比時，最遠(yuǎn)探測距離隨角度變化如表1所示。

表1　取極限信噪比SNR=3時的最遠(yuǎn)探測距離

從表中可以看出，不同的觀測角度下，同樣的極限探測信噪比，卻有不同的極限探測距離，且隨著觀測角度的增大，極限探測距離是逐漸遞減的。

當(dāng)目標(biāo)高度在60km處，探測器觀測角度為0°時，可見光波段臨近空間目標(biāo)的輻射強(qiáng)度為276.56W/m2，可見光波段的輻射強(qiáng)度隨觀測角度變化如圖2所示。

圖2　目標(biāo)輻射強(qiáng)度隨角度的變化

如圖2，在可見光波段，目標(biāo)輻射強(qiáng)度隨觀測角度的增加呈下降。說明了觀測角度對目標(biāo)輻射到探測器入瞳處能量有很大影響。

4.2紅外波段實驗分析

下面以STSS[10]紅外探測器為例，光學(xué)系統(tǒng)孔徑D0=40cm，光學(xué)系統(tǒng)透過率τ0=0.7，噪聲等效帶寬Δf=50Hz，探測率D*=1×1013，探測元面積Ad=20×20μm2，目標(biāo)面積S=8m2，目標(biāo)表面發(fā)射率為0.8；大氣透過率τa取0.5952，背景溫度為4K，目標(biāo)等效溫度為2500K。

圖3　紅外波段目標(biāo)輻射隨觀測角度的變化

在紅外波段，分別取短波波長λ=2μm，中波波長λ=4μm，長波波長λ=10μm時，目標(biāo)總輻射隨觀測角度的變化如圖3所示。

如圖3，目標(biāo)總輻射隨觀測角度的增加呈減小趨勢。此外，同一觀測角度下，短波紅外下目標(biāo)總輻射最大，中波紅外目標(biāo)總輻射其次，長波紅外目標(biāo)總輻射最小，且短波紅外的目標(biāo)總輻射大于中波紅外和長波紅外目標(biāo)總輻射之和。

4.3探測可行性總結(jié)

在可見光和紅外波段，目標(biāo)的探測可行性是指目標(biāo)和背景的能量反差大，背景不會掩蓋目標(biāo)，目標(biāo)的能量遠(yuǎn)大于背景的能量。

在紅外波段，短波紅外的范圍是1μm～3μm，中波紅外的范圍是3μm～5μm，長波紅外的范圍是8μm～14μm。在計算時，忽略可見光及紅外波段的深空背景能量。重點計算地球背景、臨邊大氣背景及目標(biāo)輻射。

當(dāng)目標(biāo)高度為60km，在可見光、紅外(短波、中波、長波)波長下，深空背景、地球背景(日照區(qū)和地影區(qū))、臨邊大氣背景及目標(biāo)總輻射經(jīng)過計算結(jié)果如表2所示。

背景輻射能量越小，目標(biāo)輻射能量越大則其探測性越強(qiáng)。比較表2可以知道，紅外波段的目標(biāo)總輻射能量大于可見光波段的目標(biāo)總輻射能量。在短波紅外波段，背景輻射能量較小而目標(biāo)總輻射能量較大，所以紅外的短波波段探測能力較強(qiáng)。

表2　可見光、紅外的目標(biāo)背景輻射能量

4.4紅外波段探測距離比較

在紅外波段的不同波長范圍下下，同樣的目標(biāo)高度，其探測距離越遠(yuǎn)，探測性能越好。取背景溫度為4K，當(dāng)目標(biāo)高度分別在60km、40km、30km時，取短波、中波和長波紅外的中心波長，計算目標(biāo)總輻射，目標(biāo)等效溫度下的探測距離如表3所示。

表3　不同波段的可探測距離

如表3所示，在同樣的目標(biāo)等效溫度和背景溫度下，短波紅外的極限探測距離最大；長波的極限探測距離最小。

5　結(jié)語

文章通過對臨近空間目標(biāo)可見光及紅外相機(jī)探測能力理論計算方法的深入研究，并對同等條件下探測距離進(jìn)行實驗分析。結(jié)果表明，臨近空間目標(biāo)的可見光及紅外相機(jī)的探測能力受相機(jī)本身參數(shù)，目標(biāo)自身特性及背景特性的影響，在同一波段，目標(biāo)在不同高度，短波紅外的探測能力最強(qiáng)，在不同波段，目標(biāo)在同一高度，短波紅外的探測能力最強(qiáng)。

但是目前對臨近空間探測器探測能力的計算還處在方案設(shè)計階段，若要涉及到軟件的實現(xiàn)，還需要考慮臨近空間目標(biāo)特性、環(huán)境噪聲的實時變化，還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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Multispectral Detection Technology of Near Space Target

LOU YanggeZHANG YifeiMING DelieTIAN Jinwen

(National Key Laboratory of Science and Technology on Multi-spectral Information Processing Technology,School of Automation,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074)

In multispectral detection system based on near space-based target,the analysis and estimation to the detecting ability is one of premises of the camera design.Based on the single band,this paper starts from the multispectral,SNR and detection range based on detection system of visible and infrared spectrum are modeled,according to examples ,the detection performance of detection system of visible and infrared spectrum are analyzed.In infrared,the radiation of target and background is big contrast,so the detection feasibility in infrared is better than in visible.Finally,the limit of detection distance of camera of short-wave,medium-wave and long-wave of infrared is compared,as a result,the detection feasibility of short-wave of infrared is the best and the detection distance of shore-wave of infrared is the farthest.It provides a theoretical basis for the detection of near space target.

near space,visible,infrared,SNR,detection distance

2016年3月11日,

2016年4月21日

國家自然科學(xué)基金(編號:61273241;61273279)資助。

婁洋歌，男，碩士研究生，研究方向：成像仿真。張一飛，男，碩士研究生，研究方向：自動目表識別與跟蹤。明德烈，男，副教授，研究方向：人工智能控制、圖像處理與模式識別等。田金文，男，教授，研究方向：目標(biāo)檢測、識別與跟蹤，成像仿真。

TN765DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.013