空中目標夜間不同方位長波紅外輻射特性分析

鄒前進，劉勝利，劉小虎，陸 靜，陸洪濤，王 東，陳育斌

空中目標夜間不同方位長波紅外輻射特性分析

鄒前進，劉勝利，劉小虎，陸 靜，陸洪濤，王 東，陳育斌

（63891部隊，河南 洛陽 471003）

針對試驗和訓練中靶機實裝模擬、建模仿真需求，需在外場動態測試靶機飛行狀態下紅外輻射特性，該測量結果置信度較高。本文通過對紅外成像測量設備定標，計算路徑輻射和透過率，亮度反演的方法獲得了靶機夜間不同方位輻射強度分布，測量誤差約為21.24%。分析測量結果，但當靶機相對測量設備繞飛時，靶機不同方位輻射強度基本一致；靶機在一定距離外無法探測長波尾焰輻射，在靶機模擬和建模中需合理考慮尾焰輻射。該距離下靶機目標/背景灰度對比度約為人眼響應閾值的2倍，人工偵察探測識別較為困難，在靶機外場模擬時需注意對比度對試驗探測識別結果的影響。本文可為靶機特性建模、外場模擬應用和測量設備研制提供支撐。

夜間長波紅外輻射特性；不同方位；靶機；輻射強度分布

0 引言

飛機或靶機等平臺的紅外輻射特性不論是民用還是軍事，理論或是實踐上均具有重要應用價值[1-2]。空中目標外場測量能夠獲取飛行平臺在實飛狀態下的紅外輻射特性，測量結果置信度高，可為飛行平臺的紅外特性建模仿真和相關目標模擬提供支撐[3]。當前對靶機平臺的紅外輻射特性研究多為理論建模，或在地面條件下蒙皮或尾焰輻射測量[4]。飛行平臺的空中動態測量不論是在人力資源方面，還是在經費方面，代價都特別大[5-6]，特別對高空飛行狀態的飛行平臺輻射測量相關的研究較少[3-4]。

姚凱凱等研究了外場條件下空中目標紅外輻射特性測量方法，并對測溫范圍、測量距離和大氣傳輸進行了分析、驗證，測量精度優于25%[6]；國內相關學者在飛行平臺的輻射特性測量、定標和建模仿真領域取得許多成果。喬鐵英等人研究了面目標外場測量方法，設備不同積分時間的測量誤差低于30%[7]；楊詞銀、李寧等人對大口徑輻射測試設備的輻射測量和定標方法進行了研究[8-9]；常松濤等人研究了寬動態范圍的點目標測量以及定標方法[10]。當前對靶機等飛行平臺的紅外特性建模多采用紅外輻射源數值計算方式[3-4]：杜勝華等研究了紅外輻射特性的形成機理[11]；另外許多學者研究了內部熱源、發動機燃速、環境反射等對紅外特性的影響[3,12-13]，在此基礎上各種紅外特性計算方法得到發展。但靶機飛行平臺輻射特性測量，特別是靶機夜間紅外輻射測量結果報道較少。

靶機等飛行平臺作為假想目標，在相關的試驗或訓練中發揮著重要作用，也對飛行平臺模擬、測量和仿真提出了更高的要求[1-3]。考慮到專門組織靶機平臺飛行測量其紅外特性十分困難，本文結合靶機平臺實際飛行，通過降落段設計相對于測量設備的繞飛航線，測量了其夜間條件下不同方位長波紅外輻射強度，并對其與背景的灰度對比度進行了分析。對紅外靶試領域的靶機模擬、測量和建模研究具有重要的意義，也可為相關的試驗訓練及裝備研究提供支撐。

1 目標背景傳輸分析

飛行平臺空中紅外輻射特性測量可采用地空動態測量態勢，典型布局如圖1所示。測量設備可獲取飛行平臺在飛行狀態下紅外輻射信號。氣象條件對測量結果存在影響，因此在測量期間需記錄測量地域溫度、濕度、能見度、壓強等氣象參數數據。

圖1 測量設備布局示意圖

根據成像原理，目標和背景紅外輻射經大氣傳輸后最終成像在紅外成像測量設備探測器，經探測器響應及電路處理后輸出灰度圖像；建立圖像灰度和輻射亮度之間關系后，可由紅外圖像處理獲得目標紅外輻射特性。當前國內外常用多點溫度定標法獲得紅外成像測量設備波段響應參數，一般設置黑體在多個溫度下工作，利用紅外圖像灰度值與黑體不同溫度下輻射亮度計算值聯立，得到紅外成像測量設備波段響應參數。紅外成像測量設備輻射亮度和輸出數字圖像灰度滿足式(1)所示關系[14]：

＝＋(1)

式中：為紅外成像測量設備響應率；為紅外成像測量設備響應偏置；為黑體到達紅外成像測量設備前輻射亮度。

獲得紅外成像測量設備波段響應參數后，結合路徑輻射和路徑透過率，目標輻射亮度可由式(2)計算[2]：

t＝[(t－)/－path]/path(2)

式中：t為目標灰度；為目標在處理波段內的輻射亮度；path為傳輸路徑在處理波段內的輻射亮度；path為傳輸路徑在處理波段內的平均透過率。本文采用MODTRAN4.1計算路徑輻射和路徑透過率。

確定目標區域后，目標真實輻射強度根據式(3)計算，由靶機的大小及測量距離可知，在計算目標輻射強度時只選取彌散范圍小于4個像素的圖像進行輻射強度計算。

式中：d為紅外成像測量設備單元探測器面積；為紅外成像測量設備光學系統焦距；為紅外成像測量設備和被測目標之間距離。

紅外對比度對目標人工探測或自動探測識別意義重大[15]。為了分析目標灰度與背景灰度差異，采用相對對比度描述目標和背景差異，如式(4)所示：

式中：為目標與背景灰度相對對比度；t為目標灰度；b為背景灰度，本文背景灰度取目標區域處4倍大小，目標外區域的平均灰度作為背景灰度。

2 標定及測量誤差分析

2.1 標定及結果

測量過程使用的測量設備包括紅外成像測量設備、HGH DCN1000N面源黑體和氣象設備等。其中紅外成像測量設備工作波段為7.7～9.3mm，像元尺寸25mm×25mm，量化位數為14bit。HGH DCN1000N面源黑體參數見表1。

表1 黑體參數

根據式(1)，利用Matlab擬合可以得到紅外成像測量設備輸出灰度與亮度的關系，定標曲線如圖2所示。計算得到測量設備響應率約為270，響應偏置約為5639。

圖2 測量設備定標結果

2.2 誤差分析

由公式(1)～(3)，影響目標真實輻射計算結果的誤差源主要包括：測量設備自身誤差、定標誤差、大氣輻射計算誤差和對時誤差等。

對于測量設備自身誤差，輸出圖像的起伏基本表征了測量設備隨機誤差水平，其噪聲等效溫差表征了設備的噪聲起伏水平。設備的噪聲等效溫差要求不大于50mK，考慮實際使用條件真實的噪聲等效溫差不大于150mK。結合定標結果設備自身誤差約為0.39%。

對于定標誤差，可能影響定標精度的因素有：大面源黑體輻射、數據采集噪聲和隨機因素等。大面源黑體輻射誤差主要為表面發射率、溫度精度和非均勻性等。試驗中使用的大面源黑體發射率為0.98±0.02，溫度精度±0.03℃，溫度均勻性為0.4℃；經計算定標總誤差約為2.95%。但實際定標還受數據采集噪聲和隨機因素影響，很難定量描述，特別是對小目標測量時一般認為定標誤差可能擴大1～2倍，取本次定標誤差為7%。

小目標的大氣輻射計算誤差較為困難，該誤差是紅外輻射特性測量中較難消除的誤差。當前國內一般公認LOWTRAN或MODTRAN的計算誤差不大于20%[8,10]。

對于對時誤差，對時誤差主要影響測量設備相對于目標的方位、俯仰、斜距等輔助信息計算；對時誤差約±1s，經計算即使在俯仰和斜距變化較大情況，路徑輻射和透過率計算偏差分別約為0.61%和1.52%。

綜上，測量誤差主要來源于大氣輻射計算和定標。上述誤差因素相互獨立，根據誤差傳遞公式，測量總誤差應不大于21.24%。

3 測量結果及分析

目標輻射強度為給定方向單位立體角目標向外的輻射通量，單位為W×Sr－1；目標輻射亮度為該給定方向輻射強度除以通過面元的正投影面積，單位為W×m－2×Sr－1，而目標平均輻射亮度為多個面元的平均值。空中靶機作為小目標，在實際使用中更關注輻射強度，下面重點分析其輻射強度隨方位變化情況。

3.1 不同方位輻射強度和對比度分析

利用文中的目標紅外輻射特性計算方法，對某無人靶機長波紅外輻射進行了測量。測量時間為秋季夜晚，天氣晴朗，能見度約12km，溫度為－8～－10℃，濕度約75.6%。根據公式(1)～(3)測量得到的該靶機不同方位輻射強度抽幀結果如圖3所示。圖中紅叉實線為第一圈靶機紅外輻射強度分布；綠方框虛線為預備降落前第二圈靶機紅外輻射強度分布；藍色虛線，為靶機降落時輻射強度分布。

圖3 不同方位輻射強度示意圖

從測量結果可以看出：雖然受環境擾動，靶機飛行狀態存在一定差異，靶機繞飛狀態下輻射強度基本一致，且從紅外圖像上基本觀察不到尾焰；說明靶機在約4km外即使側飛狀態下，尾焰長波紅外輻射的影響也較小，這在靶機模擬和圖像仿真時需要注意。

根據式(4)計算了目標最大灰度和背景灰度對比度，如圖4所示。該靶機的目標和背景灰度對比度較小，在該距離下繞飛階段僅2倍多于人眼對比度響應閾值，造成了該目標利用人工探測識別較為困難。由圖3和圖4，目標輻射強度在降落段存在較大起伏，對比度突然增加且近似穩定為固定值，說明此時紅外成像測量設備探測到了目標非蒙皮部位。

圖4 目標背景對比度變化示意圖

3.2 目標不同方位輻射亮度分析

目標不同方位平均輻射亮度抽幀結果如圖5所示，紅叉實線為靶機第一圈平均輻射亮度；綠方框虛線為預備降落前第二圈靶機平均輻射亮度；藍色虛線，為靶機降落時平均輻射亮度。分析目標平均輻射亮度發現：目標平均輻射亮度在降落段起伏較大，且約1.5倍于繞飛段平均輻射亮度。

圖5 不同方位平均輻射亮度示意圖

目標路徑輻射和透過率變化如圖6所示，此時路徑輻射增加、透過率減少，但路徑輻射和透過率的變化是緩變的；同時由公式(2)及上文中側向飛行時尾焰基本探測不到，說明此時測量設備明顯探測到非蒙皮和尾焰區域。

圖6 路徑輻射和透過率變化示意圖

目標降落前航跡如圖7所示，可以看出導致目標平均輻射亮度增加的主要原因為：當目標降落時，測量設備可以探測到目標部分尾噴口區域；但暴露噴口較少，該區域并未充滿整個像素，導致目標平均輻射亮度雖大于繞飛段，但尚不明顯。結合理論計算發現，目標在夜晚長波平均紅外輻射亮度與氣動加熱計算結果在誤差范圍內，說明測量結果較為可信。

圖7 目標降落段航跡示意圖

4 結論

本文利用紅外成像設備獲得了某靶機紅外輻射圖像，通過計算獲得了該靶機平臺夜間不同方位輻射強度分布。經分析，雖受環境擾動、飛行狀態差異影響，但靶機相對測量設備繞飛狀態下目標輻射強度基本一致，約4km外探測不到長波波段尾焰，尾焰輻射影響較小。繞飛階段該距離下靶機的目標和背景灰度對比度較小，僅約人眼對比度響應閾值的2倍，造成了人工偵察探測識別較為困難，在靶機模擬目標時需注意目標背景對比度對最終試驗結果影響。結合理論計算發現，目標在夜晚長波平均紅外輻射亮度與氣動加熱計算結果在誤差范圍內，說明測量結果較為可信。本文研究成果可為靶機特性建模、模擬應用、靶機偵察探測和相關測量設備研制提供一定的支撐。

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Analysis of Long-wave Infrared Radiation Characteristics of Aerial Target in Different Azimuth at Night

ZOU Qianjin，LIU Shengli，LIU Xiaohu，LU Jing，LU Hongtao，WANG Dong，CHEN Yubin

(No. 63891 Troops of PLA, Luoyang 471003, China)

Aiming at the requirements of target drone applications, modeling and simulation,outfield testing of infrared radiation characteristics of target drone in flight is necessary, and the results have high confidence level. In this paper, the radiation intensity distribution of the target drone in different azimuth at night is obtained by calibrating the infrared measuring equipment infrared imaging measurement equipment, calculating the path radiation and transmittance, and radiance retrieval. The measurement error is about 21.24 %. The radiation intensity is affected by other factors.When the target drone is flying around the equipment, the radiation intensity in different azimuth is basically the same.Tail flame is difficult to detect in long-wave infrared band.In the characteristics simulation and modeling of target drone, the influence of tail flame radiation has little effect.At this distance, the gray contrast between the target and background is only about twice the contrast response threshold of eye. The target drone is hard to track by manual detecting.It should be paid attention to the influence of contrast in the characteristics simulation of target drone. The research results of this paper can provide support for characteristics simulation and modeling of target drone and development of infrared measuring equipment.

LW infrared radiation characteristics at night, different azimuth, target drone,radiation intensity distribution

P422

A

1001-8891(2023)01-0064-05

2022-08-23；

2022-09-21.

鄒前進（1982-），男，高級工程師，主要從事光電及光電對抗技術研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com