基于能量利用效率的紅外點目標(biāo)作用距離公式改進(jìn)研究

李林林

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽 471009

0 引言

隨著第4代隱身戰(zhàn)機(jī)的裝備和投入使用,對雷達(dá)探測隱身目標(biāo)的探測和感知已成為未來空戰(zhàn)的必然要求。雖然傳統(tǒng)的雷達(dá)等機(jī)載射頻傳感器也通過不斷改進(jìn)來提升對隱身目標(biāo)的探測能力,但由于理論和工程限制,提升效果有限。與此同時,作為光電被動傳感器的機(jī)載紅外搜索跟蹤(IRST)系統(tǒng)正被越來越多的設(shè)計者關(guān)注,該系統(tǒng)依靠飛機(jī)高速飛行時的蒙皮氣動加熱和發(fā)動機(jī)尾焰產(chǎn)生的紅外輻射來對目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距探測,不主動發(fā)射電磁波,且具有很高的探測概率和角精度,能夠協(xié)助載機(jī)在現(xiàn)代空戰(zhàn)中做到“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊”,因此,IRST系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵裝備之一[1-2]。

IRST系統(tǒng)設(shè)計的核心是系統(tǒng)的探測性能,反映到指標(biāo)上就是系統(tǒng)的作用距離。由于探測距離遠(yuǎn),IRST系統(tǒng)探測的目標(biāo)為典型的紅外點目標(biāo)。在探測紅外點目標(biāo)時,系統(tǒng)作用距離與目標(biāo)的輻射強(qiáng)度、大氣透過情況、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、探測器性能參數(shù)、圖像目標(biāo)檢測算法和信噪比等均有關(guān)系。作為一個完善的點目標(biāo)作用距離公式,必須能夠正確地反映以上諸多因素的影響,源于20世紀(jì)70年代的小哈德遜公式正是這樣一個公式,直至目前也被廣泛采納和認(rèn)可。然而,40多年前提出的經(jīng)典公式在技術(shù)上的局限性也逐步體現(xiàn)出來,尤其是隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展,目前IRST系統(tǒng)的核心探測部件——紅外探測器從最開始的單元探測器發(fā)展為多個探測元組成的面陣凝視型探測器,大幅提升了系統(tǒng)的空間分辨能力,但受探測器制備工藝限制,造成目標(biāo)的紅外輻射能量無法被探測器完全吸收,而小哈德遜公式并未考慮這一因素,因此,需要對公式進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),使其更加貼近當(dāng)前的工程應(yīng)用實際,更好地指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計。

1 紅外點目標(biāo)作用距離公式

IRST系統(tǒng)探測紅外點目標(biāo)的工作原理為:目標(biāo)的紅外輻射首先經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_(dá)IRST的光學(xué)系統(tǒng)前端,然后光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)和背景的輻射會聚到探測器焦平面上,生成紅外圖像,經(jīng)過對紅外圖像的信息處理,完成目標(biāo)檢出,再對目標(biāo)檢出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成目標(biāo)識別和決策,形成最終的上報目標(biāo)信息。具體如圖1所示。

I為目標(biāo)輻射強(qiáng)度;Ωopt為目標(biāo)對系統(tǒng)張角;Aopt為光學(xué)入射面積,Ad為探測器像元面積。

到達(dá)探測器焦平面的目標(biāo)紅外輻射功率為:

(1)

式中:τopt為光學(xué)系統(tǒng)透過率,τatm為目標(biāo)和IRST系統(tǒng)之間的大氣透過率。探測器焦平面接收到目標(biāo)紅外輻射后,產(chǎn)生信號電壓Vs為:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)即為經(jīng)典的小哈德遜公式[3],通過該公式,可以得到IRST系統(tǒng)的作用距離模型,如圖2所示。

圖2 IRST作用距離模型

通過圖2可以看到經(jīng)典的小哈德遜公式反映了系統(tǒng)作用距離與目標(biāo)輻射強(qiáng)度、大氣透過情況、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)、探測器性能參數(shù)、圖像目標(biāo)檢測算法和信噪比的關(guān)系,為IRST系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

小哈德遜公式提出時的紅外技術(shù),尤其是作為核心器件的紅外探測器技術(shù),受到材料和加工工藝的諸多因素的限制,僅有一個或幾個面積較大的探測元,系統(tǒng)直接測量探測元上的信號電壓Vs來判斷有無目標(biāo)存在,通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,目標(biāo)的紅外輻射能量能夠100%地被某個探測元接收,此時,小哈德遜公式能很好地反映系統(tǒng)的綜合性能。

隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展,單個探測器探測元數(shù)量成倍增加,目前面陣凝視型紅外探測器探測元數(shù)量已經(jīng)發(fā)展到百萬級別。同時,系統(tǒng)探測目標(biāo)也不是直接測量探測元上的信號電壓,而是通過對每個探測元上的電壓信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,生成高分辨率的紅外圖像,然后在數(shù)字圖像中完成對目標(biāo)的檢出和識別。在這種情況下,由于探測元數(shù)量多且面積小,即使是點目標(biāo),也能夠覆蓋一個或多個像素,且由于探測器制備工藝限制,在不同的探測元之間也存在響應(yīng)盲區(qū),造成目標(biāo)的紅外輻射不能100%地被某個探測元接收,也就存在紅外輻射能量利用效率達(dá)不到100%的問題,小哈德遜公式并沒有反映該能量利用效率。因此,本文引入能量利用效率參數(shù),對作用距離模型進(jìn)行修正,以期更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)實際。

2 能量利用效率的概念和模型

對圖1進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?就可以得到IRST系統(tǒng)紅外點目標(biāo)探測時的能量利用效率模型,如圖3所示。

圖3 IRST紅外點目標(biāo)探測能量利用效率示意圖

從圖3中可以看到,由于實際的光學(xué)系統(tǒng)衍射、像差和色差的存在,理想點目標(biāo)在探測器像面上的像并不是一個點,而是一個彌散斑。目標(biāo)在探測器焦平面會聚形成的光斑會被不同的探測元同時接收。由于不同的探測元之間存在響應(yīng)盲區(qū),目標(biāo)的總能量亦有所損失。這里首先定義輸出信號最強(qiáng)的探測器像元接收到的目標(biāo)輻射功率與探測器接收到的目標(biāo)總輻射功率的比為能量利用效率,用η表示。在紅外成像系統(tǒng)中,目標(biāo)等概率處于視場的任意位置,意味著目標(biāo)像點中心在探測器像面上的分布是均勻隨機(jī)的。目標(biāo)光斑出現(xiàn)在焦平面的不同位置,例如目標(biāo)光斑中心落在某個探測元的中心或是幾個探測元之間的位置,其能量利用效率也存在差別。因此,對于特定的系統(tǒng)和特定的目標(biāo),能量利用效率也不是一個固定值,而是存在一定的概率分布。若能量利用效率大于η0的概率為A,則稱η0為概率A下的探測器能量利用效率,此時單個像元接收到的最大輻射功率為:

(7)

用式(7)替換式(1),就可以得到能量利用效率修正后的作用距離公式:

(8)

進(jìn)而得到修正后的作用距離的模型,如圖4所示。

圖4 修正后的IRST作用距離模型

3 仿真測試和驗證

3.1 系統(tǒng)參數(shù)和仿真方法

為對能量利用效率參數(shù)開展仿真測試,首先要確定面陣型IRST系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。本文選取的系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

基于表1的系統(tǒng)參數(shù),采用Monte-Carlo方法進(jìn)行仿真實驗。首先對目標(biāo)光斑出現(xiàn)在探測器中心和邊緣視場分布情況建模,然后依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)和實際系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)測試結(jié)果,得到目標(biāo)在探測器像面上的彌散情況,再依據(jù)定義計算能量利用效率,得到能量利用效率的概率分布曲線。

3.2 能量利用效率參數(shù)確認(rèn)

依據(jù)上述方法開展仿真試驗,得到能量利用效率的概率分布曲線,并對曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。

圖5 能量利用效率仿真曲線

圖5中,橫軸x代表能量利用效率η0,縱軸y代表能量利用效率η≥η0的概率。根據(jù)曲線可知,隨著能量利用效率下限η0的增加,η≥η0的概率逐漸減小。在平均概率下(發(fā)生概率50%),系統(tǒng)的能量利用效率在軸上視場為0.507 6,軸外視場為0.378。

3.3 實際系統(tǒng)測試驗證

利用表1的參數(shù)設(shè)計實際的系統(tǒng),搭建專業(yè)的靈敏度測試環(huán)境[4],測得該IRST系統(tǒng)對紅外目標(biāo)的檢測靈敏度,然后將測試結(jié)果根據(jù)IRST性能模型進(jìn)行指標(biāo)折算[5],得到系統(tǒng)的作用距離。然后將系統(tǒng)參數(shù)和加入能量利用效率的系統(tǒng)參數(shù)分別代入作用距離式(6)(8),得到改進(jìn)前和能量利用效率參數(shù)修正后的作用距離參數(shù),并與測試得到的系統(tǒng)作用距離進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。

表2 實際系統(tǒng)測試值與計算結(jié)果比較

從表2中的數(shù)據(jù)可知,沒有經(jīng)過改進(jìn)的公式計算得到的作用距離是37.2 km,與系統(tǒng)實際偏差較大,而經(jīng)過能量利用效率參數(shù)修正改進(jìn)后計算得到的作用距離是23.9 km,與系統(tǒng)實測靈敏度后折算的距離19.2 km偏差較小,改進(jìn)公式后的作用距離計算結(jié)果和實際系統(tǒng)的測試結(jié)果更為接近,驗證了能量利用效率參數(shù)引入作用距離公式的有效性。

4 結(jié)束語

在IRST系統(tǒng)作用距離計算中引入了能量利用效率的概念和模型,對經(jīng)典的小哈德遜公式進(jìn)行了修正,改進(jìn)后的公式通過仿真試驗和實際系統(tǒng)測試結(jié)果完成了驗證,說明作用距離公式中的能量利用效率參數(shù)修正是有效的。后續(xù)還需要通過系統(tǒng)在實際環(huán)境下的試驗和試飛進(jìn)一步改進(jìn)能量利用效率參數(shù)的計算方法。