CN106872992A - 自适应红外双波段被动测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应红外双波段被动测距方法，用于解决现有方法测距范围小、目标适用性和计算实时性差的问题。其实现步骤是：首先，利用红外探测器对目标进行一次测量，根据目标辐射经大气传输衰减后在不同波段传感器上的辐照度比重不同，评估目标类型；其次，利用温湿度传感器测量的温度、湿度参数，计算出消光系数和大气透过率；再将目标等效为不同温度的黑体，选择两个辐射能量较多的窗口作为工作波段，建立红外双波段被动测距模型；最后，利用红外探测器对目标进行实时测量，应用被动测距模型，解算目标距离。本发明对于空中高温目标和地面常温或低温目标均具有较大的测距范围和较高的测距精度，可用于对空中和地面红外目标的被动定位。

Description

自适应红外双波段被动测距方法

技术领域

本发明属于光电检测与光电对抗技术领域，主要涉及一种红外目标被动测距方法，可用于对空中和地面红外目标的被动定位。

背景技术

在电子对抗环境中，与主动测距的雷达系统相比，被动测距方法因其隐蔽性好和抗干扰能力强等优点而备受追捧。红外探测系统是典型的被动探测系统，由于它不会向对方目标辐射任何能量，只是通过接收目标辐射的热能对目标进行探测和跟踪，因而不易被对方目标侦察或定位，具有极大的生存能力；与此同时，红外探测系统还具有很强的辨伪能力，因此，红外探测系统得到了广泛的应用。资料显示，国内外基于大气吸收特性的红外被动测距根据波段选取可分为三大类：红外单波段被动测距，红外双波段被动测距和红外三波段被动测距。目前，美国空军技术研究所已经研究的“基于红外及可见波段氧气传输衰减的火箭羽流被动测距方法”(见文献[1]:Vincent R A,Hawks M.R..Passive Ranging ofDynamic Rocket Plumes using Infrared and Visible Oxygen Attenuation[C]，Proc.Of SPIE Acquisition,Tracking,Pointing,and Laser Systems TechnologiesXXV，2010(8052):80520D-1.)，属于红外单波段被动测距的范畴，详细地说明了O₂、CO₂的大气传输特性，并证明了762nm附近波段只有氧气吸收带，不受天气影响，其采用的逐线积分方法，虽然可以给出精确地带平均吸收系数，但计算量过大，对系统资源占用过多，实时性差。在国内，乔亚等人研究的“红外双色单站被动定位方法”(见文献[2]:乔亚,路远,杨华.红外双色单站被动定位方法[J].半导体光电,2014,35(1):100-103.)，属于红外双波段被动测距的范畴，选择0.75～3/3～5μm两个大气窗口作为工作波段，设计了合作目标与非合作目标的红外双色单站被动定位算法，通过实例计算的方式证明了该方法的正确性和有效性，分析了双色消光系数差异大小以及目标温度高低对测距定位性能的影响，得出了双色消光系数差异越小、目标温度越高，越有利于测距定位的结论，但该定位算法仅对1000K以上的空中目标在20km的测距范围内才有较好的测距精度，对低温目标，如500K以下的物体，即使在5km的范围内，测距效果也很差，由此可知该定位算法对目标的适用范围较窄。路远等人研究的“红外三色被动测距”(见文献[3]:路远,冯云松,凌永顺,等.红外三色被动测距[J].光学精密工程,2012,20(12):2680-2685.)，属于红外三波段被动测距的范畴，选择8.5μm、9.0μm和9.5μm三个波长作为色比波段，推导了目标辐射强度色比与目标温度、辐射传输距离、大气消光系数之间的关系，在大气消光系数相对固定时，通过测量不同波长的辐射强度比值对目标进行了测距，推导出了红外三色比距离方程，但是该测距公式的探测精度严重受限于目标所处的周围环境和探测距离。

综上所述，结合国内外红外被动测距发展的现状，针对空中和地面不同温度红外目标的定位，研究一种能够对目标进行实时快速距离解算的被动测距方法，增强测距方法适用性、提高测距精度和扩宽测距范围，是当前亟需解决的问题，且具有重大研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对上述被动测距方法的不足，提出了一种自适应红外双波段被动测距方法，以增强测距的适用性，扩宽测距范围，提高测距精度和系统的实时性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)根据实际需求，对被测目标所处方位和类型进行初步评估；

(2)利用相应辅助系统获得探测系统在距离解算时所需的大气温度和湿度参数；

(3)建立基于红外双波段的被动测距模型；

3a)根据步骤(1)中得到的被测目标类型和空间位置，将被测目标等效为不同温度的黑体，利用普朗克定律分别计算出不同温度的黑体在0.76～3μm的短波窗口中产生的光谱辐出度M_S(λ)、在3～5μm的中波窗口中产生的光谱辐出度M_M(λ)和8～12μm的长波窗口中产生的光谱辐出度M_L(λ)，其中λ为波长；

3b)利用步骤(2)中获得的气象参数，计算在该气象条件下的消光系数μ(λ)，并根据朗-伯比尔吸收定律计算出不同传输距离r下相应工作波段内各波长下的大气透过率τ(λ,r)＝e^-μ(λ)r；

3c)结合步骤3a)和3b)得到的光谱辐出度和大气透过率，分别计算出黑体在短波、中波和长波三个大气窗口内不同温度黑体和传输距离条件下的多组辐照度I_S、I_M和I_L，其中I_S是短波辐照度，I_M是中波辐照度，I_L是长波辐照度；

3d)初始化双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁、第二工作波段数据阵I₂以及传输距离数据阵R，这三个数据阵的维度与步骤3c)中计算出的辐照度组数相等；

3e)比较步骤3c)中得到的每一组辐照度I_S、I_M和I_L，剔除辐照度最小的数据项，将剩下的两个数据项中较大的数据项放入双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁中，将较小的数据项放入第二工作波段数据阵I₂中，再将与每组辐照度对应下的传输距离r放入传输距离数据阵R中；

3f)定义传输距离数据阵R与两个工作波段数据阵I₁、I₂的函数关系为：R＝f(I₁,I₂)，建立传输距离与两个工作波段内辐照度的函数关系式为：

式中，p₁,p₂,…,p₉为各项系数，其数值取决于当地实际气象条件，由传输距离数据阵内的传输距离和两个工作波段数据阵内的辐照度通过线性回归方法求得；

(4)利用红外探系统对被测目标进行实时测量，将被测目标在短波窗口内产生的实际辐照度中波窗口内产生的实际辐照度以及长波窗口内产生的辐照度进行比较，选择数值较大的两组辐照度代入测距函数关系式，计算出被测目标的距离。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于在辐射信号接收部分采用短波、中波和长波三个大气窗口接收，对于不同温度目标的红外辐射都有匹配的大气窗口进行接收，使得该被动测距方法对高温目标和低温目标都具有很好的适应性和测量精度，与现有技术相比，扩大了被动测距对目标的适用范围。

2)本发明由于在距离解算时，动态选择接收辐射信号量较多的两个大气窗口作为工作波段，使得该被动测距方法对于远距离红外目标具有较高的可测度和分辨能力，与现有技术相比，扩大了被动测距的测距范围和提高了对目标的分辨能力。

3)本发明由于在对目标进行测距前，不需要考虑目标的运动情况，仅对目标辐射在三个大气窗口的辐照度做一次比较确定其工作波段，利用等效黑体辐射理论建立被动测距模型，同时在后续对该目标的跟踪测量中只需将目标在两工作波段内产生的辐照度带入被动测距模型即可计算出目标的距离信息，降低了距离反演过程中的大量计算，与现有技术相比，该被动测距方法具有较高的实时性。

附图说明

图1为本发明的测距原理框图；

图2为本发明中不同温度黑体在三个大气窗口内的光谱辐照度图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，对被测目标所处方位和类型进行初步评估。

被测目标包括高温空中目标和常温或低温地面目标，如飞机、导弹等属于高温空中目标，坦克、装甲车等属于常温或低温地面目标。

根据实际需求，选取被测目标，并对被测目标所处方位进行初步评估，假设在本实施例中被测目标为空中某型号的喷气式飞机，对其所处方位和类型进行初步评估的过程如下：

1a)利用三组不同接收波段的红外探测器对该目标进行一次测量，分别得到该目标在不同大气窗口内的光谱辐照度，即通过第一组0.76～3μm波段的传感器测得该目标在短波窗口内的光谱辐照度I_S＝2141.874376；通过第二组3～5μm波段的传感器测得该目标在中波窗口内的光谱辐照度I_M＝2560.243602，通过第三组8～12μm波段的传感器测得该目标在长波窗口内的光谱辐照度I_L＝978.549796；

1b)根据普朗克定律知高温目标在短波窗口和中波窗口内的光谱辐照度大于长波窗口内的光谱辐照度，比较三组辐照度，I_M＞I_S＞I_L，由于该飞机在短波和中波窗口的光谱辐照度大于其在长波窗口内的光谱辐照度，因此将该飞机视为高温目标。

步骤2，利用相应辅助系统获得探测系统在距离解算时所需的大气温度和湿度参数。

利用温湿度传感器获得该条件下的大气温度和湿度，设温度传感器测得的气温T＝21℃，湿度传感器测得的大气相对湿度RH＝53％。

步骤3，建立基于红外双波段的被动测距模型。

3a)在确定目标类型后，将该目标等效为温度范围在600K到1200K的黑体，温度变化步长设为100K，利用普朗克定律分别计算出不同温度的黑体在0.76～3μm的短波窗口中产生的光谱辐出度M_S(λ)、在3～5μm的中波窗口中产生的光谱辐出度M_M(λ)和8～12μm的长波窗口中产生的光谱辐出度M_L(λ)，普朗克定律计算表达式如下：

式中，c₁＝3.741832×10⁴为第一辐射常数，c₂＝1.438786×10⁴为第二辐射常数，M(λ,T)为黑体的光谱辐出度，T为绝对温度，λ为波长；

在600K到1200K不同温度下，得到等效黑体在三个大气窗口内产生的光谱辐出度值如附图2所示，图2的横坐标为波长，纵坐标为光谱辐出度值；

3b)计算气温T为21℃时，相对湿度RH在53％下的消光系数μ(λ)，并根据朗-伯比尔吸收定律计算出不同传输距离r下相应工作波段内各波长的大气透过率τ(λ,r)＝e^-μ(λ)r，其中消光系数μ(λ)＝α(λ)+γ(λ)，α(λ)为吸收系数，γ(λ)为散射系数，因此大透过率又可以改写为：

式中，τ_α(λ,r)＝e^-α(λ)r为纯吸收时的透过率，τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r为纯散射收时的透过率。

计算大气透过率τ(λ,r)，可先通过分别计算纯吸收时的透过率τ_α(λ,r)和纯散射收时的透过率τ_s((λ,r)后，再根据公式<2>求得。

下面以计算传输距离r＝16km，波长λ＝1.6μm处的大气透过率τ(λ,r)为例，描述其计算过程：

3b1)计算纯吸收时的透过率τ_α(λ,r)＝e^-α(λ)r，采用表格法进行求解，表格数据可在被动测距建模前给出，经查表可得，在传输距离r＝16km上波长λ＝1.6μm处纯吸收时的透过率τ_α＝0.662；

3b2)计算纯散射时的透过率τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r，γ(λ)为散射系数，在红外区域，可以忽略瑞利散射，因此散射系数可以表示为：

式中，V是气象视程，λ₀＝0.55μm，λ为波长，q为常数，根据气象视程取值：V>80km时q＝1.6，6<V<80km时q＝1.3，V<6km时q＝0.585V¹³，气象视程V通过指定波长λ₀＝0.55μm的大气透过率来计算，其表达式为：

式中，r为传输距离，τ_s(λ₀,r)为指定波长λ₀处的散射透过率，在本实施例的气象条件下，其值为0.352，将r＝16km，τ_s(λ₀,r)＝0.352代入式<4>，解得气象视程V＝60km，又因为6<V<80km所以q值取1.3，再将V＝60km和q＝1.3代入式<3>，可解得传输距离r＝16km上波长λ＝1.6μm处的散射系数γ(1.6)＝0.0163，再将γ(1.6)＝0.0163代入τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r，解得该气象条件下的纯散射透过率τ_s＝0.77；

3b3)将τ_α＝0.662和τ_s＝0.77代入式<2>，可得大气透过率τ＝0.51，以同样的方法，改变传输距离r和波长λ的组合方式，依次计算出r分别为3km,4km,5km,6km,7km,8km,10km,12km,14km,16km,18km,20km,25km,30km,35km,40km,45km,50km和λ为0.76,0.77,…,3.00μm，3.00,3.01,…,5.00μm，8.00,8.01,…,12.00μm各组合下的大气透过率；

3c)在得到的辐出度和大气透过率之后，分别计算出黑体在短波、中波和长波三个大气窗口内不同条件下的多组辐照度I_S、I_M和I_L，在本实施例中辐照度组数为126组，辐照度计算公式为：

3d)将双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁、第二工作波段数据阵I₂以及传输距离数据阵R初始化为维数是126×1的一维矩阵；

3e)比较每一组辐照度I_S、I_M和I_L，剔除辐照度最小的数据项，将剩下的两个数据项中较大的数据项放入双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁中，将较小的数据项放入第二工作波段数据阵I₂中，再将与每组辐照度对应下的传输距离r放入传输距离数据阵R中；

3f)在得到双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁、第二工作波段数据阵I₂和传输距离数据阵R后，定义传输距离数据阵R与两个工作波段数据阵I₁、I₂的函数关系为：R＝f(I₁,I₂)；

利用1stOpt软件对传输距离数据阵R中的距离值与两个工作波段数据阵I₁和I₂中的辐照度值进行线性回归，建立传输距离与两个工作波段内辐照度的函数关系式为：

式中，p₁,p₂,…,p₉为各项系数，在该条件下的值分别为：p₁＝962.434324，p₂＝-0.976323，p₃＝0.221827，p₄＝0.000253，p₅＝-0.000135，p₆＝0.000023，p₇＝-40.972861，p₈＝20.538456，p₉＝0.019803。

步骤4，计算被测目标的距离。

利用红外探测系统对被测目标进行实时测量，将被测目标在短波窗口内产生的实际辐照度中波窗口内产生的实际辐照度以及长波窗口内产生的辐照度进行比较，选择数值较大的两组辐照度代入测距函数关系式<6>，计算出被测目标的距离。

本发明的效果可同过仿真实例进一步说明：

1.仿真条件

用温度为950K的黑体模拟飞机，设某时刻目标在距探测器16km，天顶角为30°的斜上方空域。

2.仿真内容

利用红外探测系统对该目标进行测量，即用第一组0.76～3μm传感器测得该目标在短波窗口内的光谱辐照度I_S＝2145.205877，用第二组3～5μm传感器在中波窗口内的光谱辐照度I_M＝2573.036192，用第三组8～12μm传感器在长波窗口内的光谱辐照度I_L＝996.076854；

比较三组辐照度，I_M＞I_S＞I_L，将I_M和I_S代入测距函数关系式公式<6>中，利用1stOpt软件解得该目标和红外探测器的距离R＝15.9985215km，其与实际值16km的相对误差在1％以内；

用同样的方法对该目标进行其他位置测量，其最大测距范围是50km，最大误差不超过3％；

用同样的方法对300K的地面常温目标进行测量，其最大测距范围是5km，最大相对误差不超过2％。

Claims (5)

1.一种自适应红外双波段被动测距方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)根据实际需求，对被测目标所处方位和类型进行初步评估；

(2)利用相应辅助系统获得探测系统在距离解算时所需的大气温度和湿度参数；

(3)建立基于红外双波段的被动测距模型；

3a)根据步骤(1)中得到的被测目标类型和空间位置，将被测目标等效为不同温度的黑体，利用普朗克定律分别计算出不同温度的黑体在0.76～3μm的短波窗口中产生的光谱辐出度M_S(λ)、在3～5μm的中波窗口中产生的光谱辐出度M_M(λ)和8～12μm的长波窗口中产生的光谱辐出度M_L(λ)，其中λ为波长；

3b)利用步骤(2)中获得的气象参数，计算在该气象条件下的消光系数μ(λ)，并根据朗-伯比尔吸收定律计算出不同传输距离r下相应工作波段内各波长下的大气透过率τ(λ,r)＝e^-μ(λ)r；

3c)结合步骤3a)和3b)得到的光谱辐出度和大气透过率，分别计算出黑体在短波、中波和长波三个大气窗口内不同温度黑体和传输距离条件下的多组辐照度I_S、I_M和I_L，其中I_S是短波辐照度，I_M是中波辐照度，I_L是长波辐照度；

3d)初始化双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁、第二工作波段数据阵I₂以及传输距离数据阵R，这三个数据阵的维度与步骤3c)中计算出的辐照度组数相等；

3e)比较步骤3c)中得到的每一组辐照度I_S、I_M和I_L，剔除辐照度最小的数据项，将剩下的两个数据项中较大的数据项放入双波段被动测距的第一工作波段数据阵I₁中，将较小的数据项放入第二工作波段数据阵I₂中，再将与每组辐照度对应下的传输距离r放入传输距离数据阵R中；

3f)定义传输距离数据阵R与两个工作波段数据阵I₁、I₂的函数关系为：R＝f(I₁,I₂)，建立传输距离与两个工作波段内辐照度的函数关系式为：

$R=p_1+p_2{I}_1+p_3\frac{I_2}{\sqrt{R}}+p_4{I}_1^2+p_5\frac{I_1{I}_2}{\sqrt{R}}+p_6\frac{I_2^2}{R}+p_7\sqrt{R}+p_8{R}^{2/3}+p_9{I}_2$

式中，p₁,p₂,…,p₉为各项系数，其数值取决于当地实际气象条件，由传输距离数据阵内的传输距离和两个工作波段数据阵内的辐照度通过线性回归方法求得；

(4)利用红外探系统对被测目标进行实时测量，将被测目标在短波窗口内产生的实际辐照度中波窗口内产生的实际辐照度以及长波窗口内产生的辐照度进行比较，选择数值较大的两组辐照度代入测距函数关系式，计算出被测目标的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)根据实际需求，对被测目标所处方位和类型进行初步评估，包括有如下步骤：

1a)根据实际情况，判断被测目标所处方位；

1b)利用红外探测系统对被测目标做一次测量，比较被测目标在短波、中波和长波三个窗口内的光谱辐照度，如果长波窗口内的辐照度大于短波窗口内的辐照度，则认为被测目标为常温或低温目标，否则，认为是高温目标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3a)中将被测目标等效为不同温度的黑体，按如下规则进行：

当被测目标类型为空中高温目标时，根据被测目标的辐射能量主要集中在短波和中波窗口的特性，将被测目标等效为600K以上的黑体；

当被测目标类型为地面或低空常温目标时，根据被测目标的辐射能量主要集中在中波和长波窗口的特性，将被测目标等效为300K左右的黑体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3b)中计算在该气象条件下的消光系数μ(λ)，按如下公式进行：

μ(λ)＝α(λ)+γ(λ)

式中，α(λ)为吸收系数，采用表格法进行求解，表格数据可在被动测距建模前给出；γ(λ)为散射系数，其计算表达式为

${\mathrm{\&gamma;}}_s\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{3.91}{V}{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^q$

式中，V是气象视程，λ₀＝0.55μm，q根据气象视程取值：V>80km时q＝1.6，6<V<80km时q＝1.3，V<6km时q＝0.585V^1/3，气象视程V可以通过指定波长λ₀＝0.55μm的大气透过率来计算，其表达式为：

$V=-\frac{3.91r}{{\mathrm{ln\&tau;}}_s({\mathrm{\&lambda;}}_0,r)}$

式中，r为传输距离，τ_s(λ₀,r)为指定波长λ₀＝0.55μm处的散射透过率，在被动测距建模前给出。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3c)中分别计算出黑体在短波、中波和长波三个大气窗口内不同温度黑体和传输距离条件下的多组辐照度I_S、I_M和I_L，按如下公式进行：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_S={\&Integral;}_{0.76}^3\mathrm{\&tau;}(\mathrm{\&lambda;},r)\&CenterDot;M_S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}\\ I_M={\&Integral;}_3^5\mathrm{\&tau;}(\mathrm{\&lambda;},r)\&CenterDot;M_M\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}\\ I_L={\&Integral;}_8^{12}\mathrm{\&tau;}(\mathrm{\&lambda;},r)\&CenterDot;M_L\left(\mathrm{\&lambda;}\right)d\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.$

式中，M_S(λ)为黑体在在短波窗口的光谱辐出度，M_M(λ)为黑体在在中波窗口的光谱辐出度，M_L(λ)为黑体在在长波窗口的光谱辐出度，r为传输距离，τ(λ,r)为不同传输距离r下相应工作波段内各波长下的大气透过率。