Analysis of Long-wave Infrared Radiation Characteristics of Aerial Target in Different Azimuth at Night
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摘要: 针对试验和训练中靶机实装模拟、建模仿真需求，需在外场动态测试靶机飞行状态下红外辐射特性，该测量结果置信度较高。本文通过对红外成像测量设备定标，计算路径辐射和透过率，亮度反演的方法获得了靶机夜间不同方位辐射强度分布，测量误差约为21.24%。分析测量结果，但当靶机相对测量设备绕飞时，靶机不同方位辐射强度基本一致；靶机在一定距离外无法探测长波尾焰辐射，在靶机模拟和建模中需合理考虑尾焰辐射。该距离下靶机目标/背景灰度对比度约为人眼响应阈值的2倍，人工侦察探测识别较为困难，在靶机外场模拟时需注意对比度对试验探测识别结果的影响。本文可为靶机特性建模、外场模拟应用和测量设备研制提供支撑。
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关键词:
- 夜间长波红外辐射特性 /
- 不同方位 /
- 靶机 /
- 辐射强度分布
Abstract: 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. -
0. 引言
飞机或靶机等平台的红外辐射特性不论是民用还是军事，理论或是实践上均具有重要应用价值[1-2]。空中目标外场测量能够获取飞行平台在实飞状态下的红外辐射特性，测量结果置信度高，可为飞行平台的红外特性建模仿真和相关目标模拟提供支撑[3]。当前对靶机平台的红外辐射特性研究多为理论建模，或在地面条件下蒙皮或尾焰辐射测量[4]。飞行平台的空中动态测量不论是在人力资源方面，还是在经费方面，代价都特别大[5-6]，特别对高空飞行状态的飞行平台辐射测量相关的研究较少[3-4]。
姚凯凯等研究了外场条件下空中目标红外辐射特性测量方法，并对测温范围、测量距离和大气传输进行了分析、验证，测量精度优于25%[6]；国内相关学者在飞行平台的辐射特性测量、定标和建模仿真领域取得许多成果。乔铁英等人研究了面目标外场测量方法，设备不同积分时间的测量误差低于30%[7]；杨词银、李宁等人对大口径辐射测试设备的辐射测量和定标方法进行了研究[8-9]；常松涛等人研究了宽动态范围的点目标测量以及定标方法[10]。当前对靶机等飞行平台的红外特性建模多采用红外辐射源数值计算方式[3-4]：杜胜华等研究了红外辐射特性的形成机理[11]；另外许多学者研究了内部热源、发动机燃速、环境反射等对红外特性的影响[3, 12-13]，在此基础上各种红外特性计算方法得到发展。但靶机飞行平台辐射特性测量，特别是靶机夜间红外辐射测量结果报道较少。
靶机等飞行平台作为假想目标，在相关的试验或训练中发挥着重要作用，也对飞行平台模拟、测量和仿真提出了更高的要求[1-3]。考虑到专门组织靶机平台飞行测量其红外特性十分困难，本文结合靶机平台实际飞行，通过降落段设计相对于测量设备的绕飞航线，测量了其夜间条件下不同方位长波红外辐射强度，并对其与背景的灰度对比度进行了分析。对红外靶试领域的靶机模拟、测量和建模研究具有重要的意义，也可为相关的试验训练及装备研究提供支撑。
1. 目标背景传输分析
飞行平台空中红外辐射特性测量可采用地空动态测量态势，典型布局如图 1所示。测量设备可获取飞行平台在飞行状态下红外辐射信号。气象条件对测量结果存在影响，因此在测量期间需记录测量地域温度、湿度、能见度、压强等气象参数数据。
根据成像原理，目标和背景红外辐射经大气传输后最终成像在红外成像测量设备探测器，经探测器响应及电路处理后输出灰度图像；建立图像灰度和辐射亮度之间关系后，可由红外图像处理获得目标红外辐射特性。当前国内外常用多点温度定标法获得红外成像测量设备波段响应参数，一般设置黑体在多个温度下工作，利用红外图像灰度值与黑体不同温度下辐射亮度计算值联立，得到红外成像测量设备波段响应参数。红外成像测量设备辐射亮度和输出数字图像灰度满足式(1)所示关系[14]：
$$ H=A L+B $$ (1) 式中：A为红外成像测量设备响应率；B为红外成像测量设备响应偏置；L为黑体到达红外成像测量设备前辐射亮度。
获得红外成像测量设备波段响应参数后，结合路径辐射和路径透过率，目标辐射亮度可由式(2)计算[2]：
$$ L_{\mathrm{t}}=\left[\left(H_{\mathrm{t}}-B\right) / A-L_{\text {path }}\right] / \tau_{\text {path }} $$ (2) 式中：Ht为目标灰度；L为目标在处理波段内的辐射亮度；Lpath为传输路径在处理波段内的辐射亮度；τpath为传输路径在处理波段内的平均透过率。本文采用MODTRAN4.1计算路径辐射和路径透过率。
确定目标区域后，目标真实辐射强度根据式(3)计算，由靶机的大小及测量距离可知，在计算目标辐射强度时只选取弥散范围小于4个像素的图像进行辐射强度计算。
$$ {I_{\text{t}}} = \sum\limits_{i = 1}^N {\frac{{{A_{\text{d}}}}}{{{f^2}}}{R^2}{L_{\text{t}}}} $$ (3) 式中：Ad为红外成像测量设备单元探测器面积；f为红外成像测量设备光学系统焦距；R为红外成像测量设备和被测目标之间距离。
红外对比度对目标人工探测或自动探测识别意义重大[15]。为了分析目标灰度与背景灰度差异，采用相对对比度描述目标和背景差异，如式(4)所示：
$$ C = \frac{{\left| {{H_{\text{t}}} - {H_{\text{b}}}} \right|}}{{{H_{\text{b}}}}} $$ (4) 式中：C为目标与背景灰度相对对比度；Ht为目标灰度；Hb为背景灰度，本文背景灰度取目标区域处4倍大小，目标外区域的平均灰度作为背景灰度。
2. 标定及测量误差分析
2.1 标定及结果
测量过程使用的测量设备包括红外成像测量设备、HGH DCN1000N面源黑体和气象设备等。其中红外成像测量设备工作波段为7.7~9.3 μm，像元尺寸25 μm×25 μm，量化位数为14 bit。HGH DCN1000N面源黑体参数见表 1。
表 1 黑体参数Table 1. Parameters of blackbodyParameters Parameter ranges Temperature range/℃ 0~100 Radiation area/mm 300×300 emissivity 0.98±0.02 Temperature resolution/℃ 0.01 Temperature accuracy/℃ ±0.03 Uniformity/℃ 0.4 根据式(1)，利用Matlab拟合可以得到红外成像测量设备输出灰度与亮度的关系，定标曲线如图 2所示。计算得到测量设备响应率约为270，响应偏置约为5639。
2.2 误差分析
由公式(1)~(3)，影响目标真实辐射计算结果的误差源主要包括：测量设备自身误差、定标误差、大气辐射计算误差和对时误差等。
对于测量设备自身误差，输出图像的起伏基本表征了测量设备随机误差水平，其噪声等效温差表征了设备的噪声起伏水平。设备的噪声等效温差要求不大于50 mK，考虑实际使用条件真实的噪声等效温差不大于150 mK。结合定标结果设备自身误差约为0.39%。
对于定标误差，可能影响定标精度的因素有：大面源黑体辐射、数据采集噪声和随机因素等。大面源黑体辐射误差主要为表面发射率、温度精度和非均匀性等。试验中使用的大面源黑体发射率为0.98±0.02，温度精度±0.03℃，温度均匀性为0.4℃；经计算定标总误差约为2.95%。但实际定标还受数据采集噪声和随机因素影响，很难定量描述，特别是对小目标测量时一般认为定标误差可能扩大1~2倍，取本次定标误差为7%。
小目标的大气辐射计算误差较为困难，该误差是红外辐射特性测量中较难消除的误差。当前国内一般公认LOWTRAN或MODTRAN的计算误差不大于20%[8, 10]。
对于对时误差，对时误差主要影响测量设备相对于目标的方位、俯仰、斜距等辅助信息计算；对时误差约±1 s，经计算即使在俯仰和斜距变化较大情况，路径辐射和透过率计算偏差分别约为0.61%和1.52%。
综上，测量误差主要来源于大气辐射计算和定标。上述误差因素相互独立，根据误差传递公式，测量总误差应不大于21.24%。
3. 测量结果及分析
目标辐射强度为给定方向单位立体角目标向外的辐射通量，单位为W⋅Sr－1；目标辐射亮度为该给定方向辐射强度除以通过面元的正投影面积，单位为W⋅m－2⋅Sr－1，而目标平均辐射亮度为多个面元的平均值。空中靶机作为小目标，在实际使用中更关注辐射强度，下面重点分析其辐射强度随方位变化情况。
3.1 不同方位辐射强度和对比度分析
利用文中的目标红外辐射特性计算方法，对某无人靶机长波红外辐射进行了测量。测量时间为秋季夜晚，天气晴朗，能见度约12 km，温度为－8~－10℃，湿度约75.6%。根据公式(1)~(3)测量得到的该靶机不同方位辐射强度抽帧结果如图 3所示。图中红叉实线为第一圈靶机红外辐射强度分布；绿方框虚线为预备降落前第二圈靶机红外辐射强度分布；蓝色虚线，为靶机降落时辐射强度分布。
从测量结果可以看出：虽然受环境扰动，靶机飞行状态存在一定差异，靶机绕飞状态下辐射强度基本一致，且从红外图像上基本观察不到尾焰；说明靶机在约4 km外即使侧飞状态下，尾焰长波红外辐射的影响也较小，这在靶机模拟和图像仿真时需要注意。
根据式(4)计算了目标最大灰度和背景灰度对比度，如图 4所示。该靶机的目标和背景灰度对比度较小，在该距离下绕飞阶段仅2倍多于人眼对比度响应阈值，造成了该目标利用人工探测识别较为困难。由图 3和图 4，目标辐射强度在降落段存在较大起伏，对比度突然增加且近似稳定为固定值，说明此时红外成像测量设备探测到了目标非蒙皮部位。
3.2 目标不同方位辐射亮度分析
目标不同方位平均辐射亮度抽帧结果如图 5所示，红叉实线为靶机第一圈平均辐射亮度；绿方框虚线为预备降落前第二圈靶机平均辐射亮度；蓝色虚线，为靶机降落时平均辐射亮度。分析目标平均辐射亮度发现：目标平均辐射亮度在降落段起伏较大，且约1.5倍于绕飞段平均辐射亮度。
目标路径辐射和透过率变化如图 6所示，此时路径辐射增加、透过率减少，但路径辐射和透过率的变化是缓变的；同时由公式(2)及上文中侧向飞行时尾焰基本探测不到，说明此时测量设备明显探测到非蒙皮和尾焰区域。
目标降落前航迹如图 7所示，可以看出导致目标平均辐射亮度增加的主要原因为：当目标降落时，测量设备可以探测到目标部分尾喷口区域；但暴露喷口较少，该区域并未充满整个像素，导致目标平均辐射亮度虽大于绕飞段，但尚不明显。结合理论计算发现，目标在夜晚长波平均红外辐射亮度与气动加热计算结果在误差范围内，说明测量结果较为可信。
4. 结论
本文利用红外成像设备获得了某靶机红外辐射图像，通过计算获得了该靶机平台夜间不同方位辐射强度分布。经分析，虽受环境扰动、飞行状态差异影响，但靶机相对测量设备绕飞状态下目标辐射强度基本一致，约4 km外探测不到长波波段尾焰，尾焰辐射影响较小。绕飞阶段该距离下靶机的目标和背景灰度对比度较小，仅约人眼对比度响应阈值的2倍，造成了人工侦察探测识别较为困难，在靶机模拟目标时需注意目标背景对比度对最终试验结果影响。结合理论计算发现，目标在夜晚长波平均红外辐射亮度与气动加热计算结果在误差范围内，说明测量结果较为可信。本文研究成果可为靶机特性建模、模拟应用、靶机侦察探测和相关测量设备研制提供一定的支撑。
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表 1 黑体参数
Table 1 Parameters of blackbody
Parameters Parameter ranges Temperature range/℃ 0~100 Radiation area/mm 300×300 emissivity 0.98±0.02 Temperature resolution/℃ 0.01 Temperature accuracy/℃ ±0.03 Uniformity/℃ 0.4 
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