基于能量利用效率的紅外點目標作用距離公式改進研究

李林林

中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471009

0 引言

隨著第4代隱身戰機的裝備和投入使用,對雷達探測隱身目標的探測和感知已成為未來空戰的必然要求。雖然傳統的雷達等機載射頻傳感器也通過不斷改進來提升對隱身目標的探測能力,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載紅外搜索跟蹤(IRST)系統正被越來越多的設計者關注,該系統依靠飛機高速飛行時的蒙皮氣動加熱和發動機尾焰產生的紅外輻射來對目標進行遠距探測,不主動發射電磁波,且具有很高的探測概率和角精度,能夠協助載機在現代空戰中做到“先敵發現、先敵攻擊”,因此,IRST系統是現代戰機的關鍵裝備之一[1-2]。

IRST系統設計的核心是系統的探測性能,反映到指標上就是系統的作用距離。由于探測距離遠,IRST系統探測的目標為典型的紅外點目標。在探測紅外點目標時,系統作用距離與目標的輻射強度、大氣透過情況、光學系統設計參數、探測器性能參數、圖像目標檢測算法和信噪比等均有關系。作為一個完善的點目標作用距離公式,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可。然而,40多年前提出的經典公式在技術上的局限性也逐步體現出來,尤其是隨著紅外探測器技術的發展,目前IRST系統的核心探測部件——紅外探測器從最開始的單元探測器發展為多個探測元組成的面陣凝視型探測器,大幅提升了系統的空間分辨能力,但受探測器制備工藝限制,造成目標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,需要對公式進行相應的改進,使其更加貼近當前的工程應用實際,更好地指導系統的設計。

1 紅外點目標作用距離公式

IRST系統探測紅外點目標的工作原理為:目標的紅外輻射首先經過大氣傳輸到達IRST的光學系統前端,然后光學系統將目標和背景的輻射會聚到探測器焦平面上,生成紅外圖像,經過對紅外圖像的信息處理,完成目標檢出,再對目標檢出結果進行數據處理,完成目標識別和決策,形成最終的上報目標信息。具體如圖1所示。

I為目標輻射強度;Ωopt為目標對系統張角;Aopt為光學入射面積,Ad為探測器像元面積。

到達探測器焦平面的目標紅外輻射功率為:

(1)

式中:τopt為光學系統透過率,τatm為目標和IRST系統之間的大氣透過率。探測器焦平面接收到目標紅外輻射后,產生信號電壓Vs為:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

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

圖2 IRST作用距離模型

通過圖2可以看到經典的小哈德遜公式反映了系統作用距離與目標輻射強度、大氣透過情況、光學系統設計參數、探測器性能參數、圖像目標檢測算法和信噪比的關系,為IRST系統各個環節的設計提供了參考依據。

小哈德遜公式提出時的紅外技術,尤其是作為核心器件的紅外探測器技術,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,系統直接測量探測元上的信號電壓Vs來判斷有無目標存在,通過光學系統設計,目標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的綜合性能。

隨著紅外探測器技術的發展,單個探測器探測元數量成倍增加,目前面陣凝視型紅外探測器探測元數量已經發展到百萬級別。同時,系統探測目標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行采樣和模數轉換,生成高分辨率的紅外圖像,然后在數字圖像中完成對目標的檢出和識別。在這種情況下,由于探測元數量多且面積小,即使是點目標,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盲區,造成目標的紅外輻射不能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,對作用距離模型進行修正,以期更準確地反映系統實際。

2 能量利用效率的概念和模型

對圖1進行適當的修改,就可以得到IRST系統紅外點目標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,由于實際的光學系統衍射、像差和色差的存在,理想點目標在探測器像面上的像并不是一個點,而是一個彌散斑。目標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盲區,目標的總能量亦有所損失。這里首先定義輸出信號最強的探測器像元接收到的目標輻射功率與探測器接收到的目標總輻射功率的比為能量利用效率,用η表示。在紅外成像系統中,目標等概率處于視場的任意位置,意味著目標像點中心在探測器像面上的分布是均勻隨機的。目標光斑出現在焦平面的不同位置,例如目標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,對于特定的系統和特定的目標,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 系統參數和仿真方法

為對能量利用效率參數開展仿真測試,首先要確定面陣型IRST系統相關參數。本文選取的系統相關參數如表1所示。

表1 系統相關參數

基于表1的系統參數,采用Monte-Carlo方法進行仿真實驗。首先對目標光斑出現在探測器中心和邊緣視場分布情況建模,然后依據光學系統設計參數和實際系統的光學傳遞函數(MTF)測試結果,得到目標在探測器像面上的彌散情況,再依據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 能量利用效率參數確認

依據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,并對曲線進行擬合,結果如圖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(發生概率50%),系統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 實際系統測試驗證

利用表1的參數設計實際的系統,搭建專業的靈敏度測試環境[4],測得該IRST系統對紅外目標的檢測靈敏度,然后將測試結果根據IRST性能模型進行指標折算[5],得到系統的作用距離。然后將系統參數和加入能量利用效率的系統參數分別代入作用距離式(6)(8),得到改進前和能量利用效率參數修正后的作用距離參數,并與測試得到的系統作用距離進行比較,結果如表2所示。

表2 實際系統測試值與計算結果比較

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

4 結束語

在IRST系統作用距離計算中引入了能量利用效率的概念和模型,對經典的小哈德遜公式進行了修正,改進后的公式通過仿真試驗和實際系統測試結果完成了驗證,說明作用距離公式中的能量利用效率參數修正是有效的。后續還需要通過系統在實際環境下的試驗和試飛進一步改進能量利用效率參數的計算方法。