紅外偏振成像技術在空空導彈上的應用展望

劉珂+李麗娟+王軍平

摘要： 紅外偏振成像探測技術是國外發展較快的一項新的成像技術。 文中介紹了近年來國內外對于偏振探測技術研究的發展情況與現狀， 分析了紅外偏振成像技術在空空導彈上的應用前景。 提出一種采用紅外偏振成像技術的空空導彈導引頭方案， 表明該技術對提高國內空空導彈的探測和抗干擾性能具有重大意義。

關鍵詞： 空空導彈； 紅外成像； 偏振探測

中圖分類號： TN219文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0047-05

Abstract： As a new imaging technology， infrared polarization imaging detection technology develops rapidly on abroad. The development and research situation of polarization detection technology are introduced， and the application prospect of infrared polarization imaging technology in airtoair missile is analyzed. A project of airtoair missile seeker based on infrared polarization imaging technology is proposed， which indicates that the technology has great significance in improving the detection and antijamming performance of domestic airtoair missile.

Key words： airtoair missile； infrared imaging； polarization detection

0引言

現代戰爭要求空空導彈能夠在復雜戰場環境下有效打擊具有干擾能力的敵機。 紅外型空空導彈面臨的復雜戰場環境和干擾主要是天空云團和地/水面背景反射的陽光， 以及燃燒的紅外誘餌彈。 由于其紅外輻射強度與飛機非常接近[1]， 因此嚴重影響敏感紅外輻射強度的空空導彈紅外導引頭的目標識別、 抗干擾能力。

自然界的電磁波由許多偏振度不同的電磁波組成。 研究表明， 通常人造目標比自然背景表現出更高的偏振度 [2-3]。 因此如果將紅外偏振成像技術應用到空空導彈上， 就可以利用這一偏振特性來提高其探測和抗干擾能力。

1紅外偏振成像機理分析

光是一種橫電磁波[2]。 光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現象稱作光的偏振。 偏振度是用于度量電磁波中偏振程度的參數， 是偏振光在總光強中所占的比例。

對于偏振現象的機理研究， 已經做了大量的理論工作。 通常采用菲涅爾公式可以較好地解釋自然光的偏振特性。 以太陽為光源的自然光可視作由無數雜亂的線偏振點光源構成， 隨機分布的特點使其在垂直于傳播方向的平面內任一方向上都具有相同的振幅， 因此偏振度為0。 自然光在電介質界面上反射和折射后形成部分偏振光。 由于表面粗糙的物體可視作由大量傾角和尺寸是無序和無規則的微面元組成， 其反射/輻射的偏振方向比較雜亂， 因此會表現出較小的線偏振度[4]。 散射現象的機理也與之類似。

從這些研究成果來看， 物體的偏振特性與物體介質的折射率、 表面反射和自身輻射的空間分布、 觀察方位密切相關[2-5]。 在偏振探測技術的實際應用中， 必須加以考慮[6]。

2偏振成像技術研究現狀

2.1國外研究進展

從20世紀80年代起， 偏振成像探測開始受到西方發達國家的重視。

1999年， 美國猶他州立大學空間動力學實驗室研制了一種基于鐵電液晶元件的紅外超光譜成像偏振計 [7]。 通過將液晶材料兩端的電壓反向， 可以在不到3 ms的時間內使光軸旋轉45°。 采用0°， 45°， 90°和135°這4個旋轉角進行測量， 其結構示意圖如圖1所示。 該紅外超光譜成像偏振計波段為2.5～3.5 μm， 幀頻為20 Hz。

此外， 法國、 以色列的研究人員也分別測試了液晶偏振片， 取得了較好的效果[8]。

2006年， 美國空軍實驗室等機構所研制的長波紅外偏振成像儀器采用了在探測器的每個小單元前面放置偏振濾光器的結構， 可以同時獲得4個偏振態下的圖像， 如圖2所示， 具有即時且關聯的獲得熱信息和偏振信息的優點[9]。

以色列的B.Ben-Dor在探測器觀測角為70°的條件下對地物背景在8～12 μm的偏振度進行研究， 得出結論[10]： 除水面外的自然背景的偏振度普遍低于金屬材料的偏振度。

英國國防實驗室將紅外偏振成像技術應用到掃雷項目上， 使用3～5 μm的致冷焦平面探測器， 通過將紅外熱圖像與偏振度圖像的融合處理， 顯著提高了熱像系統的探測和識別能力[10]， 如圖3所示。

2.2國內研究現狀

中科院安徽光機所研制的多波段偏振CCD相機試驗系統， 采用三平行光路同時采集3個不同偏振方向的偏振輻射圖（0°， 60°， 120°）。 通過步進電機帶動濾光片旋轉來實現波段切換[11]。

昆明物理研究所提出了幾種紅外偏振成像的技術方案， 并對紅外偏振成像機理進行了研究[5]。

北京理工大學提出了基于微面元散射理論的紅外偏振輻射傳輸方程[12]， 研究建立包含反射和輻射信息的紅外偏振輻射傳輸方程的Stokes表達式， 推導出偏振度、 偏振角的多種因素數學模型。 此外， 還在紅外偏振圖像融合及色彩重構方法上取得了較好的研究成果[13]。

3紅外偏振成像技術在空空導彈上的應用

根據上述國內外研究狀況， 可知國外對紅外偏振成像探測技術已進行了大量的深入研究， 研究領域主要集中在典型目標與背景的紅外偏振特性測量和分析， 成果應用主要集中在對地面目標探測、 識別的衛星遙感、 成像偵察設備、 掃雷設備等， 相關設備已進行到工程化樣機階段。 但目前尚未見到紅外偏振成像應用到制導技術領域的報道。

空空導彈采用以自動目標識別為主的制導技術。 受其作戰任務的影響， 其作戰對象和作戰環境都難以在任務規劃中加以明確， 因此不適用于傳統的基于模板匹配識別的自動目標識別方式， 而更多地采用基于特征的自動目標識別方式。 該方式要求能夠從背景中準確地提取穩定且獨特的目標特征信息， 利用該特征來區分目標與周圍背景。 由前文可知， 人工物體的偏振特性與背景存在一定的差異， 可以利用這一點來實現自動目標識別。 但影響偏振特性的因素較多， 因此需要根據空空導彈制導的要求來選取合適的偏振成像方式。

3.1偏振成像技術對空空導彈制導適用性分析

對于空空導彈制導系統而言， 探測距離越遠越好， 識別/抗干擾概率越高越好， 跟蹤性能越穩越好。

紅外偏振成像系統與常規紅外成像系統的差別是增加了偏振器。 理想偏振器的透過率是0.5， 實際水平在0.25～0.42之間。 因此該系統會有不小的能量損失， 在晴空背景下的探測距離也會有相應的縮減。

但是， 在復雜背景下， 由于存在大量與目標輻射強度類似的物體（如反射陽光的亮云）， 因此紅外強度對比度會比較低。 而對于紅外偏振成像系統， 由于偏振度與物體的材質、 粗糙度等因素密切相關[15]， 使得人造目標與自然背景的偏振度存在較大差異， 因此偏振成像能明顯提高圖像的對比度， 降低對截獲信噪比的要求， 提高作用距離[16]。

同理， 紅外誘餌燃燒后的產物是氣體、 煙塵等分子物質， 而飛機蒙皮是光滑的金屬物體， 兩者在偏振度上會有較大差異。 可以利用該偏振特點來實現抗干擾。

對于空空導彈制導系統的跟蹤功能而言， 需要所跟蹤的物體具有穩定的特征。 由于彈目接近過程中的導彈視線角（入射角）總是連續變化的， 因此測得的偏振特性也在不斷變化， 難以作為跟蹤用的特征。

3.2紅外偏振成像技術在空空導彈上的應用方案

該方案的空空導彈紅外導引頭應具有同時獲取紅外強度圖像和紅外偏振圖像的能力。 其信息處理系統采用并行處理的方式， 以紅外強度圖像數據作為主信息處理流程， 完成目標探測、 識別、 跟蹤及抗干擾功能； 以紅外偏振圖像數據作為副信息處理流程， 在主信息處理流程的識別和抗干擾階段， 將紅外偏振圖像數據的處理結果與紅外強度圖像數據的處理結果作特征/決策層融合， 輔助其完成識別與抗干擾功能。

3.2.1探測系統設計方案

雙探測器+偏振棱鏡方案如圖4所示， 主要缺點是兩套探測系統體積較大， 機械結構和電氣結構較復雜且昂貴， 數據校正麻煩， 因此不適合體積緊湊的空空導彈導引頭使用。

圖1單探測器+機械/電控偏振片方案的原理是通過一個凝視焦平面探測器前的光路中循環分時插入不同起偏角度的偏振片， 順序獲取一組不同起偏角度的偏振強度圖像， 根據這些偏振強度圖像來計算斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。 該方案的缺點是當目標在背景上快速運動時， 分時采集獲取的序列圖像難以配準， 使得計算得到的目標與背景的偏振特征值存在較為明顯的誤差。

本文采用偏振片+焦平面探測器集成方案如圖5所示。 將偏振片列陣直接安放在256×256元焦平面陣列前， 3個起偏方向不同的微偏振片和1個無偏濾光片共同組成1個偏振片單元， 該偏振片單元對應4個探測器像元。 該方案光路中沒有運動光學元件， 探測器可同時得到128×128元大小的3個起偏方向的線偏振分量圖像和1個紅外強度圖像。 為了實現空間對準， 可認定相鄰同起偏方向的偏振片組所對應的景物具有一定的相關性， 通過“插值”的方法獲得每個無偏振像元所對應空間的3個線偏振分量值， 最后重構出254×254元的斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。

該方案的最大優點是系統能以“凝視”方式工作， 在滿足高幀頻的前提下獲得更長的積分時間， 有助于提高探測距離。 而且同時獲取3個起偏方向圖像的方式非常適合于目標、 背景與彈體處于相對運動的空空導彈平臺。 其缺點是“插值”的做法使其只能用于對擴展源目標的偏振探測。 不過對于空空導彈導引頭而言， 云團、 地物等需要用偏振探測方式識別的復雜自然背景都屬于擴展源目標， 紅外誘餌彈通常也屬于這一類型目標， 適用于本文所提的偏振探測系統方案。

3.2.2信息處理系統設計方案

根據探測系統同時獲取的3個不同方向的線偏振分量光強I（0°）， I（60°）， I（120°）， 可得斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。 紅外偏振成像流程示意圖如圖6所示。

信息處理算法設想如下：

（1） 檢測階段

如果紅外強度圖像中的背景較為均勻簡單而目標較為突出明顯（目標信噪比較高）， 利用傳統的強度特征信息已能夠準確識別出目標， 則可直接利用強度圖像信息來完成目標檢測。

如果在強度圖像信息檢測中出現多個難以識別的相似物體時， 可先將其列為候選強度目標； 再分別統計對應候選強度目標區域的偏振度圖像和偏振角圖像的特征， 將這些偏振度特征和偏振角特征記入對應的候選強度目標特征鏈中。 最后遍歷候選目標特征鏈， 濾除掉偏振度和偏振角較小的候選目標， 剩下的候選目標經過強度特征的多幀關聯處理， 實現目標檢測， 從而提高目標識別的可靠性。

（2） 跟蹤階段

在目標跟蹤階段， 彈目距離變化較快， 導彈平臺的觀測角發生很大變化， 測得的偏振度會隨觀測角的變化而變化， 因此偏振度特征不適合作為穩定的跟蹤特征。 此時， 以紅外強度圖像獲取的目標特征作為特征鏈進行處理， 實現對目標的穩定跟蹤。

（3） 抗紅外誘餌干擾階段

在抗紅外誘餌干擾階段， 一方面對紅外強度圖像數據進行處理， 提取目標與干擾的各種能量特征、 形狀特征及運動特征； 另一方面對紅外偏振圖像數據進行處理， 提取對應紅外強度圖像中疑似目標和干擾的對應區域內物體的偏振度、 偏振角特征， 將這些紅外偏振特征與能量特征、 形狀特征及運動特征融合， 有效提高目標的正確識別率。

4結論

對紅外偏振成像技術在空空導彈上的應用做了初步分析。 紅外偏振成像技術是紅外成像制導技術發展的新方向之一， 該技術可有效增加紅外成像信息量， 有助于解決復雜場景下的自動目標識別和抗人工誘餌難題， 可以極大地提高空空導彈在復雜戰場環境中的適應能力。

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