CN106483522A - 一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法。对红外动目标的运动轨迹进行建模，并对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真；根据红外动目标温度分布仿真结果计算获得红外动目标的红外辐射量；计算获得大气传输过程中的红外辐射量；计算获得面阵凝视探测系统所接收的红外动目标辐射能量刚好能达到预期的使用效果，即得出红外探测系统针对红外动目标所能探测到的最大作用距离。本发明高了红外动目标探测的准确性和实时性，从而使红外动目标搜索、探测、跟踪达到理想的要求。

Description

一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法

技术领域

本发明属于红外动目标的探测搜索技术领域，具体属于红外动目标及大气背景的红外辐射特性研究领域，具体涉及一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法。

背景技术

典型飞行器红外动目标的探测与跟踪是作战防御系统中最核心的问题，对红外动目标探测作用距离的研究是红外动目标探测与跟踪的前提和基础。在现代战争中无线电雷达探测依然处于主导地位，然而无线电雷达往往以较大发射功率工作，在电子战技术高度发展的今天，往往易于成为反辐射攻击的目标，其战场生存能力受到严重挑战。在这种背景下，红外探测系统应运而生，并得到迅速发展。

红外探测系统的关键技术涉及诸多领域，包括红外动目标及大气背景的红外辐射特征研究、红外探测技术、光学系统、扫描技术、信号与信息处理技术、图像处理技术、模式识别与数据融合技术等等。其中红外动目标及大气背景的红外特性研究，包括各种飞机、导弹等目标在各种工作状态下的红外辐射波段和辐射强度，还有大气对这些辐射传输的影响，这些数据有助于设备工作波段和战术指标的确定。

红外探测系统以被动方式工作，其利用目标和背景之间的温差及发射率差形成的红外辐射特性，接收目标和背景固有的红外辐射，借助高速图像处理硬件和算法软件获取目标特性和航迹。具有隐蔽性好、抗电子干扰能力强、可昼夜工作的特点，因而可在电磁压制环境下雷达静默时执行任务，也可与无线电探测同时工作，弥补其低角探测能力的不足。随着隐身技术的发展，导弹和各类作战飞机平台的雷达反射截面积呈现显著减小的趋势，增大了无线电探测的困难。与此形成对比的是，这类目标运动时与空气的摩擦和其发动机的尾焰均会产生强烈的红外辐射，更有利于红外系统对目标的探测。微电子技术的发展，使红外探测器的研制水平不断提高，从单元、多元发展到焦平面阵列成像探测，虽然其探测方式发生了本质的变化，但探测距离依然是其关键战术指标之一。而红外成像系统的作用距离是其本身性能、目标特性、大气环境等多项因素的函数。在红外热成像系统研制过程中，系统的作用距离是评价系统性能的重要指标，其估算对于提高红外系统设计水平、降低成本、缩短研制和生产周期都有非常重要的作用。目标红外成像探测的影响因素较多，如：目标的特性(信噪比、对比度、尺寸、运动速度等)、大气环境因素、显示器的性能、热成像系统的特性、观察者视觉特性等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，利用对红外动目标运动轨迹的建模、普朗克定律、朗伯源辐射特性定律，结合目标的红外辐射特性和大气背景传输的红外辐射特性理论，在面阵凝视成像系统中进行最大作用距离的创新性分析计算，相比传统方法而言提高了红外动目标探测的准确性和实时性，从而使红外动目标搜索、探测、跟踪达到理想的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，

步骤1：对红外动目标的运动轨迹进行建模，并对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真；

步骤2：根据步骤1获得的红外动目标温度分布仿真结果计算获得红外动目标的红外辐射量，即红外动目标经过大气传输衰减之后的光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分；

步骤3：计算获得大气传输过程中的红外辐射量，即大气经过传输衰减之后的背景光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分。

步骤4：计算获得面阵凝视探测系统所接收的红外动目标辐射能量刚好能达到预期的使用效果，即得出红外探测系统针对红外动目标所能探测到的最大作用距离。

进一步，使用Matlab软件对红外动目标的运动轨迹进行建模，使用SolidWorks和ANSYS软件对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真。

进一步，红外动目标经过大气传输衰减之后的光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分获得红外动目标的红外辐射量，计算公式为：

其中，λ是波长，R是红外探测系统的作用距离，L_目标(λ)是红外动目标的光谱辐射亮度，τ(λ,R)是大气透过率，L_t是红外动目标的红外辐射量，λ₁是波长积分下限，λ₂是波长积分上限。

进一步，大气经过传输衰减之后的背景光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分获得大气传输过程中的红外辐射量，计算公式为：

其中，λ是波长，R是红外探测系统的作用距离，L_大气(λ)是大气背景的光谱辐射亮度，τ(λ,R)是大气透过率，L_b是大气传输过程中的红外辐射量，即大气背景的红外辐射量，λ₁是波长积分下限，λ₂是波长积分上限。

进一步，可探测红外动目标的最大作用距离R_max的计算方法如下式所示，

其中，A_t是红外动目标可探测的像素面积，L_t是红外动目标的红外辐射量，L_b是大气背景的红外辐射量，NEI＝(A_d·Δf)^1/2/A₀D^*是探测器的噪声等效辐照度，SNR_inf是信噪比。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)根据不同高度给出对应的气体恢复系数、拟合出加速度和尾喷口温度的近似函数关系等，从而能更客观地给出红外动目标的运动轨迹数据。(2)结合对应的大气背景和红外探测器模型，能够使面阵凝视成像系统实时地得出最大作用距离，并且可得出不同探测部位对应的探测谱段。(3)采用光谱间隔等分法计算大气背景的光谱透过率，减少了因采用常数或拟合函数表示整个波段范围内的透过率而造成的失真。

附图说明

图1是本发明基于天基红外探测系统的作用距离分析方法流程图。

图2是本发明中红外动目标的三维温度分布图。

图3是本发明中红外动目标的辐射示意图。

图4是本发明中大气传输过程中的透过率曲线示意图。

图5是本发明中针对飞机蒙皮的作用距离与时间的曲线示意图。

图6是本发明中针对飞机尾喷口的作用距离与时间的曲线示意图。

图7是本发明中针对飞机尾焰的作用距离与距尾喷口距离的曲线示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于天基红外探测系统的作用距离分析方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明是基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，如图1所示具体包括以下步骤：

第一步，使用Matlab软件对红外动目标的运动轨迹进行建模，并使用SolidWorks、ANSYS软件对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真。

红外动目标以飞机为例，即首先对飞机的运动轨迹进行建模，主要研究的是飞机的上升阶段和平飞阶段的运动特性，分析在这两种状态下飞机所受到的各种力的作用，包括空气阻力，地心引力和升力，以及飞机自身的发动机推力，利用公式推导出飞行的轨迹。飞机在空中飞行时受到的力有重力G，推力P和气动力R，其中R又是由升力Y，侧力Z和阻力Q组成。假设飞机作不倾斜、无侧滑运动。此时飞机的对称面与质心运动轨迹所在的铅垂平面重合，飞行速度矢量和作用于飞机的外力均在飞机对称面内。所以飞机的运动方程为：

上式中，G是重力，g是重力加速度，P是推力，Q是阻力，Y是升力，θ是轨迹倾角，v是速度，t是时间。

飞机平飞中最常见的是等速水平直线飞行，由于其参数都不随时间变化，所以又称定直平飞运动。定直平飞时满足 θ＝0，所以对应的运动方程为：

根据上述的运动轨迹方程，利用Matlab软件对飞机的运动轨迹进行仿真，得到各个时刻飞机的运动参数。

对建模之后的飞机模型进行热力学分析，即利用SolidWorks软件画出飞机的三维模型，根据飞机的红外辐射特性以及大气温度分布关系，对其在飞行时自身的温度分布进行分析。利用ANSYS软件中热力学分析的部分，对其温度分布进行仿真，得出了三维温度分布图，如图2所示。

第二步，根据第一步得出的红外动目标温度分布仿真结果可计算得到红外动目标的红外辐射量，即红外动目标经过大气传输衰减之后的光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分，如图3所示。

飞机的发动机和蒙皮都有红外辐射，总的辐射角分布应该是这种辐射在某种飞行角度上的线性叠加。假设飞机的红外光谱辐射出射度为M_目标，根据普朗克定律公式得：

上式中，ε为目标表面材料的发射率，M_bλ为目标表面为黑体时的光谱辐射出射度，C₁、C₂为常数，其中C₁＝3.7420e-16、C₂＝1.439e-2。λ为波长，T为目标温度，M_目标为计算得出的红外动目标光谱辐射出射度。

根据朗伯源辐射特性定律公式可得：

上式中，L_目标是计算得出的红外动目标的光谱辐射亮度。

经过大气传输衰减之后的目标辐射亮度为：

第三步，分析计算大气传输过程中的红外辐射量，即大气经过传输衰减之后的背景光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分。如图4所示是大气传输过程中的透过率曲线。

红外辐射在大气中的红外传输特性对红外成像技术的研究和应用极为重要，在研究地球的热平衡、目标的红外探测、导航、通讯与遥测地球资源等问题时都需要详细的大气传输资料。红外辐射通过实际大气的传输过程是非常复杂的，它依赖于引起吸收的分子类型及其浓度、大气中悬浮微粒的尺寸、特性和密度以及沿传输路径上各点的温度和压强等气象条件。

对于红外波段，红外辐射的衰减与三种现象有关:大气气体分子(CO₂和H₂O)的吸收、大气分子和微粒的散射、气象条件(云、雾、雨雪)引起的衰减。上述因素影响红外在1-3um、3-5um、8-14um处形成几个有意义的大气窗口。同时,因大气梯度和湍流使辐射在结构上发生畸变,引起空气折射率不均。

经过LOWTRAN7软件得出大气背景光谱辐射强度为I_大气，根据朗伯源辐射特性定律公式：

上式中，L_大气是计算得出的大气背景光谱辐射亮度，I_大气是大气背景光谱辐射强度，A_b是背景辐射面积。

经过大气传输衰减之后的背景辐射亮度：

第四步，分析计算得出面阵凝视探测系统所接收的红外动目标辐射能量刚好能达到预期的使用效果，即得出红外探测系统针对红外动目标所能探测到的最大作用距离。

红外探测系统的实际使用效果与它所接收的红外动目标的红外辐射能量密切相关。在其他条件确定的情况下，目标越远，则探测器接收的目标辐射越少。假定在某一距离，红外探测系统接收的红外动目标的辐射能量刚好能达到预期的使用效果，则这个距离称为红外探测系统的最大作用距离，也就是探测目标的最大距离。最大作用距离是红外目标探测系统一个极其重要的综合性能参数。仿真试验采用的是面阵凝视成像系统，对其探测距离进行分析。

当目标进入红外系统入瞳中心的张角小于系统探测器的瞬时视场角时，即目标在探测器上的成像理论上小于一个像素时，但由于大气散射和光学系统影响，目标通常在10个像元左右，即3×3大小。设经过衰减后的目标辐射亮度为L_t，辐射面积为A_t，经过衰减后的均匀背景的辐射亮度为L_b，背景面积为A_b，红外光学系统的入瞳面积为A_o，目标到探测器的有效距离为R。

入瞳对目标中心的张角为：

上式中，A_o是红外光学系统的入瞳面积，R是目标到探测器的有效距离，ω_t是入瞳对目标中心的张角。

红外探测器接收到的目标辐射功率为：

上式中，P_t是目标的辐射功率。

红外目标在λ₁～λ₂波段的辐射功率为：

大气背景的辐射功率为：

上式中，P_b是大气背景的辐射功率。

计算出大气背景在λ₁～λ₂波段的辐射功率为：

在视场角不太大的情况下同时，由于考虑的是小目标探测的情况，目标本身遮挡了该处的背景辐射，背景的实际辐射功率为：

上式中，是大气背景的实际辐射功率，ω_b是入瞳对背景中心的张角。

此时系统接收的总辐射功率为：

上式中，P是系统接收的总辐射功率。

由于，红外系统探测目标是借助于目标和背景辐射功率的差值，如下式所示：

探测器接收到功率为ΔP的有效辐射后，产生的信噪比为：

联立上面两个式子可以得出：

最终，红外探测系统基于信噪比的针对红外动目标探测的最大作用距离方程为：

红外动目标以飞机为例来进行说明，图5所示为波长为3～5μm和8～14μm时的针对飞机表面蒙皮的作用距离与时间的关系曲线，图6所示为波长为3～5μm和8～14μm时的针对飞机尾喷管的作用距离与时间的关系曲线，图7示为波长为3～5μm和8～14μm时的针对飞机尾焰的作用距离与时间的关系曲线。

可得结论如下：(1)针对飞机的蒙皮辐射，当红外探测器的探测波段为3～5μm时，可得：当t＝0s时，作用距离最小为8.1237×10⁶m；当t＝60s时，作用距离最大为2.3463×10⁷m。当t＝0～60s时，红外探测器均可以探测到飞机目标。

针对飞机的蒙皮辐射，当红外探测器的探测波段为8～14μm时，可得：当t＝0s时，作用距离最小为4.0482×10⁷m；当t＝60s时，作用距离最大为7.1165×10⁷m。当t＝0～60s时，红外探测器均可以探测到飞机目标。

当t＝0～60s时，作用距离探测以8～14μm红外探测器波段为主。

(2)针对飞机的尾喷管辐射，当红外探测器探测波段为3～5μm时，可得：当t＝10.1s时，作用距离最大为2.7789×10⁷m；当t＝40.1s时，作用距离最小为1.9689×10⁶m。当t＝0～60s时，红外探测器均能探测到飞机目标。

针对飞机的尾喷管辐射，当红外探测器探测波段为8～14μm时，可得：当t＝10.1s时，作用距离最大为1.2835×10⁷m；当t＝40.1s时，作用距离最小为3.5849×10⁶m。此时当t＝0～60s时，红外探测器均可以探测到飞机目标。

在t＝0～27.2s或t＝53～60s时，作用距离探测以3～5μm探测器波段为主；在t＝27.2～53s时，作用距离探测以8～14μm红外探测器波段为主。

(3)针对飞机的尾焰辐射，红外探测器探测波段为3～5μm时，可得：当x＝501cm时，作用距离最小为1.1397×10⁷m；当x＝101cm时，作用距离最大为1.1397×10⁸m。

针对飞机的尾焰辐射，红外探测器探测波段为8～14μm时，可得：当x＝501cm时，作用距离最小为2.1757×10⁷m；当x＝101cm时，作用距离最大为9.1422×10⁷m。

在x＝0～250cm时，作用距离探测以3～5μm红外探测器波段为主；在x＝250～500cm时，作用距离探测以8～14μm红外探测器波段为主。

本发明首先对红外动目标如飞机等的运动轨迹进行建模，并根据红外动目标在运动过程中的热力学分布，通过仿真得出其在运动过程中的温度分布。再根据普朗克定律来分析红外动目标的红外辐射特性，辐射源主要因素为蒙皮、尾喷口和喷焰羽状气流等。然后对大气背景传输过程中的红外辐射特性进行理论分析，对于红外波段，红外辐射与大气气体分子(CO₂、H₂O)的吸收、大气分子和微粒的散射、气象条件(云、雾、雨雪)等引起的衰减有关。最后，由于红外探测系统的实际使用效果与其所接收的红外动目标的红外辐射能量密切相关，其中最大作用距离是红外探测系统中一个极其重要的综合性能参数，因此我们针对红外探测系统可探测到的最大作用距离进行研究。本发明实现了对红外动目标和大气背景的红外辐射特性研究，通过对最大作用距离的仿真分析可得出红外探测系统的探测效果，能够广泛应用于军事探测、民用监控等领域。

Claims (5)

1.一种基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，其特征在于，

步骤1：对红外动目标的运动轨迹进行建模，并对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真；

步骤2：根据步骤1获得的红外动目标温度分布仿真结果计算获得红外动目标的红外辐射量；

步骤3：计算获得大气传输过程中的红外辐射量；

步骤4：计算获得红外探测系统针对红外动目标所能探测到的最大作用距离。

2.根据权利1所述基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，特征在于，使用Matlab软件对红外动目标的运动轨迹进行建模，使用SolidWorks和ANSYS软件对建模后的红外动目标进行热力学分析和温度分布仿真。

3.根据权利1所述基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，特征在于，红外动目标经过大气传输衰减之后的光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分获得红外动目标的红外辐射量L_t，计算公式为：

其中，λ是波长，R是红外探测系统的作用距离，L_目标(λ)是红外动目标的光谱辐射亮度，τ(λ,R)是大气透过率，λ₁是波长积分下限，λ₂是波长积分上限。

4.根据权利1所述基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，特征在于，大气经过传输衰减之后的背景光谱辐射亮度对波长λ进行连续积分获得大气传输过程中的红外辐射量L_b，计算公式为：

其中，λ是波长，R是红外探测系统的作用距离，L_大气(λ)是大气背景的光谱辐射亮度，τ(λ,R)是大气透过率，λ₁是波长积分下限，λ₂是波长积分上限。

5.根据权利1所述基于天基红外探测系统的作用距离分析方法，特征在于，可探测红外动目标的最大作用距离R_max的计算方法如下式所示，

$R_{max}=\sqrt{\frac{A_t(L_t-L_b)}{NEI\·{\mathrm{SNR}}_{inf}}}$

其中，A_t是红外动目标可探测的像素面积，L_t是红外动目标的红外辐射量，L_b是大气传输过程中的红外辐射量，NEI＝(A_d·Δf)^1/2/A₀D^*是探测器的噪声等效辐照度，SNR_inf是信噪比。