機載光電系統探測空中機動目標的光譜輻射特征研究?

寇添 于雷 周中良 王海晏 阮鋮巍 劉宏強

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安 710038)

機載光電系統探測空中機動目標的光譜輻射特征研究?

寇添?于雷 周中良 王海晏 阮鋮巍 劉宏強

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安 710038)

(2016年10月1日收到;2016年11月6日收到修改稿)

深空背景中機動目標光譜輻射探測是目標機動模式和屬性識別的重要研究內容.基于光譜散射和輻射理論,首先建立了復雜背景環境中目標反射背景輻射分布函數,然后根據氣動加熱引起的目標蒙皮溫度場分布情況,建立了角水平和角俯仰的目標本征光譜輻射模型;結合空間目標運動方程和目標本體坐標系與探測器坐標系之間的旋轉關系矩陣,重點分析了目標不同機動模式下光譜響應信號的時空過程性變化特點.仿真實驗結果表明,探測器中的光譜響應信號因目標時空域的變化而呈現不同的特點,說明了目標機動模式與光譜響應信號間存在顯著的特征映射關系,這為解決目標運動模式可分性問題提供了可行性,同時得出了目標姿態和空域相對位置是影響光譜響應信號特征的主要因素的結論.

光譜輻射,目標機動模式,信號特征,仿真實驗

1 引 言

復雜電磁環境下,隨著雷達隱身技術的發展,雷達系統對目標的探測識別效果不僅受到較大干擾,且識別精度大大降低[1,2],而機載光電探測系統的地位因此日益凸顯,它具有信息共享快、測量精度高、抗干擾能力強等優勢,被廣泛應用于深空目標探測和識別[3].機載平臺下,空中目標探測具有動態性,機載紅外探測器接收到的目標和背景輻射信號并不是平穩信號,它決定于目標姿態、運動狀態、目標和探測器空間位置關系、介質傳輸信道以及探測器響應特性等,因此,多因素的共同作用使得機載光電探測系統俘獲的空中目標輻射信號呈現出隨機過程的時空特性.

在目標輻射特性研究方面,袁軼慧等[4]基于氣動加熱原理,對空中飛行彈丸目標建立熱平衡微分方程,得到了目標蒙皮輻射特性變化規律.宗靖國等[5]建立了一種新的目標紅外輻射特性計算模型,對隱身飛機尾焰的紅外輻射特性進行了研究分析.崔雪等[6]研究了各向異性發射點源外形對目標紅外輻射信號的影響分析,并采用蒙特卡羅方法建立了目標到探測器的紅外傳輸模型.在考慮背景輻射和目標反射輻射的情況下,孫成明等[7]根據光輻射和散射定律,提出了空間目標紅外輻射特性的精確建模方法.這些研究都是基于靜態目標的輻射特性分析,所建立的模型更適合于合作目標的紅外光譜探測,并沒有考慮目標自身姿態和運動狀態對目標紅外輻射信號特性的影響.近年來,目標紅外輻射動態特性分析開始成為研究熱點,閆佩佩等[8]根據漫反射模型,考慮了目標姿態的變化以及太陽、地球和目標之間的位置關系,提出了地表反射光在空間目標表面的照度計算方法.于靖等[9]通過分析旋轉目標的運動特征,構建了紅外探測器的輸出信號與目標旋轉姿態之間的關系.王盈等[10]基于Sinda/G和Matlab軟件分析了空間球面殼體目標的紅外輻射強度以及不同時刻、不同觀測方向接收到的目標紅外輻射信號,這對實現空間目標探測跟蹤提供了理論依據.

實際上,目標紅外輻射信號包含著目標豐富的時空特性,它們直接與目標屬性及其運動狀態相關,很多學者主要將其應用于目標屬性的識別[11].然而,采用光譜波段進行目標探測識別的方法中,通常局限于通過目標的形狀和結構等物理特征來區分目標[12],且往往將目標姿態變化引起的光譜輻射空間分布的調制當作背景輻射干擾或探測器噪聲而加以抑制,完全忽略了蘊含在目標特征信號中的運動行為信息[13].目前,雷達特征信號與目標運動模式之間的聯系研究的比較廣泛,而基于紅外特征信號輔助的機動目標識別的研究文獻較為匱乏.因此,本文通過分析機動目標光譜特征信號,旨在建立光譜特征信號與目標運動模式之間的映射關系,解決目標運動模式的可分性問題.

2 目標光譜輻射空間分布

2.1 目標反射背景光譜輻射空間分布

特定方位上,目標反射背景輻射對機載光電系統接收的光譜信號能量有著較為強烈的影響.這些背景輻射主要來源于太陽、大氣、地面熱輻射以及大氣和地面的二次反射輻射.實際情況中,目標反射背景輻射強度空間分布與背景輻射波長和亮度、太陽高低角、目標機航向、目標蒙皮反射率等密切相關.建立目標反射背景輻射空間分布如圖1所示,圖中(Oxyz)表示以目標中心為原點的直角坐標系,β表示太陽高低角,α表示目標側向角.

圖1 目標反射背景輻射空間分布Fig.1.The spatial distribution of target reflecting background radiation.

由于目標反射背景輻射較為復雜,需要分解分析,即從xOy水平面和yOz俯仰面進行分析.在xOy水平面內,目標反射背景輻射主要受天空背景和太陽輻射的影響.假若目標機迎著太陽飛行,即太陽高低角β∈(0,π/2).于是得到xOy水平面內目標反射背景輻射強度空間分布為

式中,ρt(λ)表示目標蒙皮反射率,Esun(λ)表示太陽輻射照度,Lsky(λ)表示天空背景輻射亮度;α表示xOy面內平面角,目標前向為起點,逆時針方向為正;Ahead,Aside和Atail分別表示目標迎頭投影面積、側面投影面積和尾后投影面積.

在yOz俯仰平面內,由于目標上下表面反射輻射源和輻射強度都不同,因此需要分開討論.在目標上表面,目標反射背景輻射主要受天空背景和太陽輻射的影響,下表面則受地面輻射以及大氣和地面的二次輻射影響.在目標上表面,根據光反射和朗伯源輻射余弦定律,可以得到目標反射背景輻射強度空間分布為

式中,ρa(λ)表示大氣散射系數,Aon表示目標上表面投影面積;θ表示yOz面內平面角,目標前向為起點,逆時針方向為正.在目標下表面,目標反射背景輻射強度空間分布為

式中τe(λ,h)=exp[-(λ)·h]表示地面輻射到目標高度間的平均透過率,(λ)表示平均衰減系數.

2.2 目標本征光譜輻射空間分布

目標本征輻射強度來源于目標蒙皮、尾噴口和尾焰,蒙皮輻射強度與大氣層溫度和目標速度密切相關,當目標在不同大氣層中高速飛行時,目標蒙皮由于氣動加熱現象而導致蒙皮溫度上升,對于高速目標來說,這種溫升效果更加明顯.在大氣同溫層中,氣動加熱引起目標蒙皮的溫度場分布較為復雜,下面主要利用工程簡化算法計算目標不同部位的溫度,其表達式為

式中,Thead,Tside和Ttail分別表示目標迎頭駐點、側面蒙皮和尾后方溫度,T0為周圍大氣溫度;V0和Vt分別表示實地音速和目標速度;γ為質量熱熔比,一般γ=1.4;r為恢復系數,層流r=0.82,紊流r=0.87;Ta為尾噴口渦輪后邊熱電偶讀出的廢氣溫度;p1/p0表示靜壓比,一般p1/p0=0.5.由普朗克定律得到目標輻射出射度為

式中c1=3.7415×10-16W·m2,c2=1.4388×10-2m·K;λ1到λ2表示輻射波段.在目標xOy水平面內,目標本征輻射強度空間分布為

式中εt(λ)和εa(λ)分別表示目標蒙皮和尾焰氣體發射率;Mhead,Mside和Mtail分別表示目標迎頭駐點、蒙皮和尾噴輻射出射度.則在目標yOz俯仰平面內,目標本征輻射強度空間分布為

式中Mon為目標上表面輻射出射度,且Mon=Mside,Aon為目標輻射投影面積.

3 目標機動過程光譜時空特性

3.1 目標時空機動模式數學描述

以平面機動為例進行分析,則在平面直角坐標系中,假設目標在t時刻運動狀態矢量表示為其中,[x(t),y(t)]表示目標在X(t)狀態的位置,表示目標在X(t)狀態的速度分量.一個周期轉動方向角為θ,則可以將模型的運動學方程描述為

式中,at為切向加速度,an為法向加速度.(9)式的離散時間狀態方程為

式中,Xk和Xk+1分別表示系統在k和k+1時刻的狀態,Φk+1/k為系統狀態轉移矩陣,Bk為輸入狀態矩陣,Wk表示理想運動軌跡中的噪聲擾動,Gk是系統噪聲轉移矩陣,φk為角加速度.(10)式表達了轉彎模型的一般系統方程,它可以很好地解決轉彎運動建模問題.當ωT的大小接近0時,通過數學變換,(10)式即可轉化為形式更為簡單的勻速模型(CV).

3.2 光譜信號特征分析

空間目標機動過程中,為了更好地描述目標光譜信號時空特性的俘獲過程,建立空間目標本體坐標系與探測器坐標系之間的旋轉關系矩陣,將空間目標在本體坐標系中的坐標值轉換為探測器坐標系中的坐標值.目標與機載探測器坐標系的空間位置關系如圖2所示.圖2中列舉了目標尾追和迎頭的三種機動行為,情況A為目標直線加速機動飛行,情況B為目標做水平90?轉彎機動飛行,情況C為目標做水平蛇形機動飛行.圖中t0,t1,t2是時間軸上的不同時刻,它將記錄光譜輻射特征的變化過程;φ角表示空間目標相對于探測器坐標系的方位角.圖2中這種關系隱含著目標不再是點源輻射,而是可以看作具有姿態旋轉的六自由度輻射源,當從不同觀測方向探測目標并考慮時間軸的輻射積分過程時,目標即會呈現不同的輻射特征.

以水平面內的機動為例,若以迎頭飛行方向為參考起點,則目標旋轉機動角度可用目標側向角α表示.空間目標光譜輻射經過大氣衰減傳輸,被機載紅外探測器所接收,探測器面接收到的光譜輻射強度為

式中,τ(λ,R)表示光譜 透過率,即τ(λ,R)=exp[-μ(λ)·R];σb(λ)為背景輻射噪聲,δ為信號衰減因子,τ0為光學系統透過率,τ(λ,R)為大氣透過率.當在一定時段內連續進行目標探測跟蹤時,目標光譜輻射便在探測器中形成具有一定特征的連續輻射信號,這些光譜輻射在探測器中的電壓響應信號為

圖2 不同機動方式的空中目標探測示意圖 (a)尾追探測;(b)迎頭探測Fig.2.The diagramsof aerial target detection with different maneuveringmodes：(a)The case of tail-on detection;(b)the case of head-on detection.

Vn為噪聲電壓,D?為比探測率,Ad為光敏元面積,Δf為系統的等效噪聲帶寬,A0為有效入瞳面積.從(12)式可以看出,光譜輻射信號特征與目標旋轉方位角、輻射波段、探測器性能以及背景環境等因素緊密相關.由于在機動過程中,目標機動空域背景輻射變化不大,目標輻射波段隨速度變化不明顯,探測器性能在一定時間內響應穩定的條件下,光譜輻射信號特征主要受目標機動模式的影響.空中目標通常有較為固定的幾種機動形式,每種機動形式都會使得載機探測器接收到的光譜輻射呈現不同的時空變化特性,而且特性變化差異較大,因此,通過光譜輻射曲線特性識別目標機動模式具有較大的可能性,這為目標機動模式識別提供了一種新方法.

4 仿真實驗與分析

仿真參數設定：大氣衰減系數為μ=0.4,太陽可等效為溫度為6000 K的黑體輻射,垂直入射到地球表面的輻照度約為880—900 W/m2.目標機迎頭投影面積Ahead=9 m2,側視同影面積Aside=20 m2,俯視投影面積Apitch=33 m2,其所處大氣層高度H=1 km.機載IRST紅外探測系統參數：光學孔徑D0(NA)=0.5 m,光學系統透過率τ0=0.75,光敏元件大小a=0.15×0.15 mm,像元個數n=64,可分辨像元素尺寸為26μm,光學系統總透過率τ0=0.95,信號衰減因子δ=0.85,探測比D?=2.0×1010cm·Hz-1/2·W-1,系統測量電路頻帶寬Δf=5.0×103Hz.

4.1 迎頭直線加速機動光譜響應特征

當目標和機載探測器均以300 m/s的速度相對勻速直線迎頭接近,即目標無機動時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖3所示.隨著相對距離的減小,探測器所探測的光譜信號信噪比呈現增大趨勢,在開始階段,由于距離較遠,目標光譜輻射信號衰減嚴重,探測器所探測到的光譜信號較為微弱,信噪比增幅速率較小,但在50 s后增幅速率較快,在60 s時信噪比達到了15 dB,整體上光譜信號呈現緩慢的指數式增長特性.

圖3 (網刊彩色)目標勻速直線運動下的光譜響應信號Fig.3.(color online)Thespectral response signal of target in uniform linear motion mode.

圖4 (網刊彩色)目標勻加速直線機動下的光譜響應信號Fig.4.(color online)The spectral response signal of target in uniformly acceleratedrectilinear motion mode.

當目標和載機初速為300 m/s,而目標以2 m/s的加速度加速機動迎頭接近載機時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖4所示.由于目標加速機動,其蒙皮熱流密度急劇升高,紅外輻射強度增大,隨著相對距離的減小,探測器所探測的光譜信號信噪比總體上大于圖3中的光譜信噪比,并呈現指數式增長特性,僅在45 s左右信噪比就達到了15 dB.

4.2 尾追直線加速機動光譜響應特征

當目標以330 m/s,載機以300 m/s的速度同向飛行,且載機探測器尾追探測目標時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖5所示.開始階段,由于目標發動機尾噴口朝向載機探測器,目標高溫尾焰具有較大的輻射強度,因而載機探測器光譜響應信噪比較高,隨著目標和載機之間的距離增大,光譜響應信號逐漸減小,整體趨勢上呈現線性遞減特性,但相同時間內的光譜響應信噪比都高于圖3、圖4的光譜響應結果.

當目標和載機初速為300 m/s,而目標以2 m/s的加速度機動遠離載機時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖6所示.從圖6可以看出,開始階段光譜響應的幅度和變化速率與圖5光譜響應結果類似,隨著時間的推移,探測器光譜響應信號呈現非線性特性,即近似指數式減小趨勢,這與圖6的探測器光譜響應特性存在明顯差異,同時可區分目標是否存在加速直線機動行為.

4.3 目標蛇形機動光譜響應特征

當載機初速為300 m/s,目標以330 m/s的速度蛇形機動接近載機時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖7所示.從圖7可以看出,當目標做蛇形機動時,光譜響應的時空特性較為明顯,整體上呈現非線性增長趨勢,但在光譜響應信號A,B兩處具有明顯特性,這里的信號有5 s左右的下陷,結合目標機動航跡分析看出,這是由于目標迎頭做較大轉彎機動所引起的,也是目標做蛇形機動最為典型的特征.

圖5 (網刊彩色)目標勻速直線運動下的光譜響應信號Fig.5.(color online)The spectral response signal of target in uniform linear motion mode.

圖6 (網刊彩色)目標勻加速直線機動下的光譜響應信號Fig.6.(color online)The spectral response signal of targetin uniformly accelerated rectilinear motion mode.

當目標蛇形機動遠離載機時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖8所示.與圖7相比,圖8中光譜響應信號特征與圖7在同一時間節點處都有5 s左右的顯著變化,時間特性相同但空間特性不同,圖8中的信號呈現凸起變化特征,這是由于目標在做轉彎機動時,高溫度的尾噴口輻射向載機探測器引起的.光譜響應信號整體呈現非線性減小趨勢,且速率減小緩慢,在1 min內光譜響應信噪比僅變化了大約10 dB左右,而圖7中的結果則變化了40 dB左右.

圖7 (網刊彩色)目標蛇形機動接近載機下的光譜響應信號Fig.7.(color online)The spectral response signal of target approaching airborne using S maneuvering motion mode.

圖8 (網刊彩色)目標蛇形機動遠離載機下的光譜響應信號Fig.8.(color online)The spectral response signal of target away from airborne using S maneuvering motion mode.

4.4 目標圓周機動光譜響應特征

當載機初速為300 m/s,目標以330 m/s的速度逆時針圓周機動時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖9所示,圖中藍色三角符號是起點,藍色圓圈符號是終點.圖9中的光譜響應信號明顯區別于其他目標機動形式下的信號時空特征.圖9中有三處明顯光譜特征,它們對應著不同時段的目標機動模式,C時段0—10 s間光譜信號幅度呈現遞減趨勢,它是由于目標從高溫尾噴口沖向載機開始逐漸迎頭朝向載機探測器圓周機動引起的;D時段10—40 s間光譜信號幅度起伏變化不大,這是因為載機探測器一直處于目標側方位置,相對于載機探測器的光譜輻射強度基本保持不變;而E時段40—60 s間光譜響應信號先增大后減小,且上升沿和下降沿變化速率較大,峰值處是由于目標的高溫尾噴口沖向了載機探測器引起的.

當目標順時針機動時,目標、載機空間航跡和探測器光譜響應信號如圖10所示,藍色三角符號和圓圈符號分別表示起點和終點.與圖9相比,圖10僅有一個光譜響應峰值,這是由于目標順時針機動時,僅有一次高溫尾噴口沖向載機探測器的情況.圖10同樣呈現三處明顯的光譜特征,F時段0—10 s間和H時段40—60 s間光譜信號幅度基本沒有變化,這與圖9中的D時段原因相同;而G時段10—40 s間光譜響應信號變化劇烈,且上升沿較為陡峭,下降沿變化較為緩慢,這是由于目標高溫尾噴口先沖向了載機探測器引起了光譜響應信號急劇上升,而后隨著載機探測器接近目標,光譜響應信號變得較為緩慢,這說明空間距離因素對光譜響應信號的空間特性影響較大.

圖9 (網刊彩色)目標逆時針勻速圓周機動下的光譜響應信號Fig.9.(color online)The spectral response signal of target in anticlockwise circling motion mode.

圖10 (網刊彩色)目標順時針勻速圓周機動下的光譜響應信號Fig.10.(color online)The spectral response signal of target in clockwise circling motion mode.

5 結 論

通過分析目標光譜輻射空間分布函數,在特定方位上,目標反射背景輻射較為強烈,背景光譜輻射影響不可忽略.考慮了背景輻射波長和亮度、太陽高低角、目標機航向、目標蒙皮反射率等因素,結合目標機動模式數學模型,深入分析了目標機動過程的光譜響應信號特性,得出光譜時空特性與目標機動模式之間存在映射關系;然后選取了四種典型目標機動方式,進行了光譜響應特征仿真實驗,通過實驗發現,目標不同機動方式下的光譜響應曲線呈現不同的時空特性.實驗證明,光譜響應特征曲線為反演目標機動模式識別提供了可行性.通過提取同一時段的目標機動模式和光譜特征數據,可建立目標機動模式與光譜響應時空特性映射關系數據庫,這種通過信號級的特征信息識別目標機動模式是非常有潛力的研究方向,它是目標跟蹤、識別和高層態勢評估的基礎.

[1]Chen X,Tharmarasa R,Kirubarajan T 2012IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst.48 1210

[2]Sangston K J,Gini F,Greco M S 2012IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst.48 64

[3]Vasyl M,Peter Z,Gary K 2010SPIE7684 76840B

[4]Yuan Y H,Zhang J J,Chen Z L 2010Acta Armamentarii31 1090(in Chinese)[袁軼慧,張俊舉,陳佐龍 2010兵工學報31 1090]

[5]Zong J G,Zhang J Q,Liu D L 2011Acta Photon.Sin.40 289(in Chinese)[宗靖國,張建奇,劉德連 2011光子學報40 289]

[6]Cui X,Huang Y 2015J.Engineer.Thermophys.36 1995(in Chinese)[崔雪,黃勇 2015工程熱物理學報 36 1995]

[7]Sun C M,Yuan Y,Zhang X B 2010Acta Phys.Sin.59 7523(in Chinese)[孫成明,袁艷,張修寶 2010物理學報59 7523]

[8]Yan P P,Ma C W,Zhe W J 2015Acta Phys.Sin.64 169501(in Chinese)[閆佩佩,馬彩文,折文集2015物理學報64 169501]

[9]Yu J,Bu X Z,Niu J 2016Acta Phys.Sin.65 079501(in Chinese)[于靖,卜雄洙,牛杰 2016物理學報 65 079501]

[10]Wang Y,Lai X Y,Huang J M 2012Infrared and Laser Engineering41 1113(in Chinese)[王盈,來霄毅,黃建明2012紅外與激光工程41 1113]

[11]Gao X H,Xiang L B,Wei J X 2010Spectrosc.Spectral Anal.30 2772(in Chinese)[高曉惠,相里斌,衛俊霞2010光譜學與光譜分析30 2772]

[12]Karlholm J,Renhorn I 2002Appl.Opt.41 6786

[13]Li X R,Jilkov V P 2003Proceedings of SPIE Conference on Signal and Data Processing of Small TargetsSan Diego,CA,USA,August 2003 pp200-210

PACS:95.85.Sz,78.20.Bh,78.68.+m,78.90.+t DOI:10.7498/aps.66.049501

Spectral radiant characteristic of airborne optoelectronic system detecting aerial maneuver target?

Kou Tian?Yu LeiZhou Zhong-Liang Wang Hai-Yan Ruan Cheng-WeiLiu Hong-Qiang
(Aeronautics and Astronautics Engineering College,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

1 October 2016;revised manuscript

6 November 2016)

Spectral radiation detection in deep space background is an important fundamental research in the field of infrared target detection and identification.Based on the spectral radiation and scattering theory,the spatial distribution model of aerial target reflecting background radiation under complex environment is first built.Then the horizontal and pitch spectral radiation models of target are built based on target skin temperature distribution caused by aerodynamic heating.Combining the target motion equation and relative rotation matrix between target matrix and detector matrix,the process-oriented characteristic of spectral response signal with spatiotemporal variation is emphatically analyzed.The simulation results indicate that different target maneuver modes cause different characteristics of spectral response signal,which shows that a remarkable mapping relationship exists between the target maneuver mode and spectral response signal characteristic.Thus using the spectral response signal to identify target maneuver mode provides a feasible method,and the target posture and relative position are the main factors to affect the spectral response signal characteristic.

spectral radiation,target maneuver mode,signal characteristic,simulation experiment

:95.85.Sz,78.20.Bh,78.68.+m,78.90.+t

10.7498/aps.66.049501

?國家自然科學基金(批準號：61172083)資助的課題.

?通信作者.E-mail：shanxiakkt@163.com

*Projection supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61172083).

?Corresponding author.E-mail：shanxiakkt@163.com