CN108163223A - 一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置和方法。包括光学系统、激光测距模块、长波红外视频采集单元、中波红外视频采集单元、温度传感器、湿度传感器、方位角传感器、微处理器、通信接口单元、存储器、控制面板、显示器和外设计算机。长波红外视频采集单元和中波红外视频采集单元共用光学系统，与微处理器电连接，激光测距仪、温度传感器、温度传感器和方位角传感器与微处理器电连接，微处理器的信号端口分别连接到存储器和通信接口单元，通信接口单元与外设计算机的通信接口相连，控制面板和显示器与微处理器电连接。本发明可快速、方便的对飞行器的红外隐身性能做出评估，同时排除了人为主观因素的影响。

Description

一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置和方法

技术领域

本发明涉及红外隐身技术、多传感器探测和信号综合处理技术，特别是针对空中飞行器的一种便携式红外隐身性能评估装置和方法。

背景技术

红外隐身已成为现代战斗机必须具备的重要性能和显著特征。不管是在隐身飞机的设计定型阶段，还是在生产、使用阶段，对新一代战斗机红外隐身性能的评估都是必不可少的。现有的评价方法主要包括实验验证，即将目标置于真实环境中，利用制导武器的红外导引装置对目标进行探测和识别，从而对目标的红外隐身性能进行评估，这种方法所需成本高、灵活性较差、适用范围有一定限制；还有就是通过人眼对红外成像装置形成的热图像进行主观判识，这种方法也存在与实际战场应用差距较大，受人为主观因素影响明显的缺憾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置和方法，选取了全面的评估指标，建立了评估流程和方法，提出了装置的具体实现方法，可快速、方便的对飞行器的红外隐身性能做出评估，同时排除了人为主观因素的影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置和方法，它包括光学系统、激光测距模块、长波红外视频采集单元、中波红外视频采集单元、温度传感器、湿度传感器、方位角传感器、微处理器、通信接口单元、存储器、控制面板、显示器和外设计算机。长波红外视频采集单元和中波红外视频采集单元共用光学系统，与微处理器电连接，激光测距仪、温度传感器、温度传感器和方位角传感器与微处理器电连接，微处理器的信号端口分别连接到存储器和通信接口单元，通信接口单元与外设计算机的通信接口相连，控制面板和显示器与微处理器电连接。

针对飞行器的红外隐身波段，装置完成对飞行器长波红外和中波红外隐身性能的评估。光学系统中的分光镜片，将飞行器的红外辐射分成两路，中波红外被分光镜片反射并被中波红外视频采集单元接收，获取飞行器的中波红外视频图像；长波红外经分光镜片透射并被长波红外视频采集单元接收，获取飞行器的长波红外视频图像。激光测距模块用于测量飞行器与装置间的距离，这些信号输入给微处理器，利用控制面板进行控制并输入必要参数，在微处理器内实现对飞行器红外隐身性能的评估，评估指标包括辐射温差、光斑暴露尺寸、红外能见距离、红外发现概率和隐身效率。显示器用于显示飞行器的红外图像和评估结果，存储器用于数据存储。装置通过通信接口单元与外设计算机相连，装置与外设计算机通过通信接口单元进行数据交换，可在外设计算机上进行飞行器红外隐身性能评估。评估中所涉及到的必要参数红外大气透过率通过第三方软件(如MODTRAN)计算，温度传感器、湿度传感器、方位角传感器获取的环境温度、湿度、方位角为红外大气透过率的计算提供参数。

本发明与现有技术相比，其显著效果是：1.提出了完整的评估流程。2.建立了完善的评估模型，利用理论公式进行隐身性能评估，排除了人为主观因素的影响。3.具备长波红外视频采集单元和中波红外视频采集单元，可同时对飞行器的中波红外、长波红外隐身效果进行评估。4.采用激光测距模块进行探测距离测量，操作简单，测量精度高，实现了空中飞行器的非接触式测量。5.光学系统将长波红餐和中波红外分离，分别被长波红外视频采集单元和中波红外视频采集单元接收，确保长波红外视频采集单元和中波红外视频采集单元视场中心相同，激光测距模块轴线与光学系统轴线平行。6.具备外设计算机接口，既可直接在装置上进行评估，也可以外设计算机上位机软件上进行评估。7.装置体积小、重量轻、具备便携的优点，可单兵随时随地测量。

附图说明

图1是本发明控制电路示意图。

图2是本发明光学系统示意图。

图3是光斑暴露尺寸计算原理图。

图4是本发明评估步骤示意图。

图5是本发明上位机软件预览窗口。

图6是本发明上位机软件评估窗口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明综合了多种传感器，通过准确的评估模型，首次提出了完整的评估流程，可以快速、方便、准确的给出评估结果，并消除了人为因素的影响。典型飞行器的红外辐射特征源包括三大部分：发动机尾喷口/腔体热部件、排气尾焰辐射和机体外表面，这些辐射主要集中在中、长红外波段,本发明主要针对飞行器的中波红外和长波红外的隐身性能进行评估。

如图1所示，装置包括光学系统101、激光测距模块102、长波红外视频采集单元103、中波红外视频采集单元104、温度传感器105、湿度传感器106、方位角传感器107、微处理器108、通信接口单元109、存储器110、控制面板111、显示器112和外设计算机113构成。

光学系统101将飞行器的红外辐射分成中波红外和长波红外两路，中波红外被中波红外视频采集单元104接收，中波红外视频采集单元104的信号输出接口与微处理器108的中波红外视频输入接口相连；长波红外被长波红外视频采集单元103接收，长波红外视频采集单元103的信号输出接口与微处理器108的长波红外视频输入接口相连，

激光测距模块102、温度传感器105、湿度传感器106和方位角传感器107的信号输出接口与微处理器108的相应的信号输入接口电连接，

微处理器108的信号端口分别与通信接口单元109和存储器110电连接，外设计算机113通过通信接口单元109与微处理器108连接，控制面板111的信号输出接口与微处理器108的信号输入接口电连接，显示器112的信号输入接口与微处理器108信号输出接口电连接。

微处理器108可以采取单片FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)实现，也可以通过其他技术框架来实现。长波红外视频采集单元103、中红外视频采集单元104，分别采集目标的长波红外图像和中波红外图像，激光测距模块102的轴线与光学系统101的轴线平行。评估中所涉及到的必要参数红外大气透过率通过第三方软件(如MODTRAN)计算，温度传感器105、湿度传感器106、方位角传感器107获取的环境温度、湿度、方位角为红外大气透过率的计算提供参数，其中方位角传感器可使用电子罗盘实现。控制面板111用于对装置各部件进行控制以及评估过程中必要参数的输入，长波红外视频图像、中波红外视频图像和评估结果通过显示器112显示。

本发明可通过装置本身进行评估，也可通过外设计算机113进行评估。外设计算机113通过通信接口单元109与微处理器108相连，负责向装置发送指令，同时装置采集到的各种数据通过通信接口单元109传递给外设计算机113，通过外设计算机113上相关软件进行评估。

图2是本发明光学系统示意图，飞行器的红外辐射透过物镜201到达分光镜片202，分光镜片202采用锗材料制成，分光镜片202具有反射中波红外，透射长波红外的性质。分光镜片202与长波红外探测器204轴线、中波红外探测器203轴线均呈45°夹角。反射的中波红外被中波红外探测器203接收，透射的长波红外被长波红外探测器204接收。

本实施例中采取了辐射温度/温差、光斑暴露尺寸、红外能见距离、红外发现概率和隐身效率等隐身性能评价指标。在建立装置的软件系统前必须确定装置的性能指标，包括像元尺寸、镜头焦距、分辨率、等效噪声温差、瞬态视场角、帧频、阈值信噪比等参数。通过黑体对红外成像模块进行标定，拟合辐射温度—图像灰度关系曲线，标定或拟合最小可分辨温差—空间频率关系曲线等。

指标1：辐射温差：辐射温差分为表观温差和固有温差。通过标准黑体对红外成像单元标定后，可拟合辐射温度——图像灰度的关系曲线。通过图像算法计算目标区域的红外热像灰度，根据辐射温度——图像灰度的关系曲线可求目标区域的表观辐射温度，两区域的表观辐射温度之差即为表观辐射温差。大气对红外的透过率通过第三方软件(如LOWTRAN)求出，通过理论公式(1.1)换算可求得两区域的固有辐射温差。

ΔT_表观＝ΔT_固有·τ_a(1.1)

式中：ΔT_表观——表观温差；

ΔT_固有——固有温差；

τ_a——为大气透过率。

指标2：斑点暴露尺寸：是指在给定辐射温差阈值下，目标在探测器上所暴露的几何尺寸所对应的目标实际尺寸，按如下方法进行光斑暴露尺寸计算。通过计算暴露区域在探测器上所占的像素点数，利用像元尺寸，可求目标在探测器靶面上所暴露的尺寸，再结合激光测距模块获取的探测距离信息，红外成像模块的焦距等参数通过比例换算可求得目标实际暴露尺寸。原理如图3所示，利用公式(2.1)计算：

式中，R——探测距离；

f——焦距；

A_P——探测器靶面上的光斑暴露尺寸；

A₁——实际斑点暴露尺寸。

指标3：红外能见距离：推导过程如下：

等效目标长宽比m按公式(3.1)计算

式中，n——视觉探测等级要求的线对数；

L——暴露光斑长度，m；

H——暴露光斑宽度，m。

目标等效空间频率f_T，按公式(3.2)计算

式中，R——待求的目标红外能见距离，km；

修正最小可分辨温差，按公式(3.3)计算

式中，MRTD₀(f_T)——仪器的最小可分辨温差，K，通过理论计算或实验标定。当目标辨识概率为50％时，目标阈值探测温差ΔT_阈值，按公式(3.4)计算

ΔT_阈值＝MRTD'exp(β_sf_T+β_aR)(3.4)

式中，β_s——仪器瞬态视场，仪器常数；

β_a——大气消光系数，与大气透过率的关系：

当目标与背景温度经大气衰减后，降低到目标阈值探测温差时，其目标红外能见距离R按公式(3.5)计算

式中，ΔT_固有——目标与背景的固有温差，K；

C——修正系数，夜间C取25，白昼C取45。

MRTD₀是空间频率的函数，而空间频率又与红外能见距离R有关，即式(3.5)等号右面也包含红外能见距离R，通过反复迭代可求出红外能见距离R。

指标4：红外发现概率：

探测概率是在特定距离处对特定目标被探测到的可能性，目标红外探测概率可用如下公式表示：

式中，N_e——目标上可分辨的最大周数；

N₅₀——Johnson准则中探测概率为50％时对应的周数；

σ——随观察等级而定的系数，通常:

式中N_e利用目标的临界尺寸的张角H/R，并用公式：

式中f_x为最大可分辨频率，由表观辐射温差ΔT和MRTD'确定。

指标5：隐身效率：为实施隐身方案前后目标红外能见距离的减少量与实施隐身方案前目标红外能见距离的比值。按分式(5.1)计算。

式中：R_非隐身——实施隐身方案前目标的红外能见距离；

R_隐身——实施隐身方案后目标的红外能见距离。

长波红外隐身性能评估和中波红外隐身性能评估均按如下步骤实施，如图3所示，以长波红外隐身性能评估为例作说明：

1)利用装置获取目标的长波红外图像、探测距离、环境温度、环境湿度和目标方位角信息；

2)利用探测距离、环境温度、环境湿度和目标方位角信息，通过第三方软件(如MODTRAN)计算长波红外的大气透过率和消光系数；

3)给定长波红外辐射温差阈值，利用黑体标定曲线反演灰度差阈值；

4)通过相关图像算法确定目标暴露区和背景区，并统计暴露区和背景区所占像元个数；

5)计算暴露区和背景区的平均灰度，利用黑体标定曲线计算平均辐射温度，并求暴露区和背景区表观辐射温差；给定像元尺寸，计算探测器靶面上暴露区尺寸，并利用探测距离的和探测器光学系统焦距计算目标暴露区实际尺寸；

6)给定大气透过率和环境温度，利用表观温差计算暴露区和背景区的固有温差；

7)给定视觉等级要求的线对数，利用目标暴露区实际尺寸计算目标等效长宽比和空间频率；

8)通过最小可分辨温差——空间频率曲线，计算目标在当前空间频率下对应的最小可分辨温差；

9)给定瞬态视场、大气消光系数等参数计算目标在辨识概率为50％时的阈值探测温差；

10)给定探测距离R和相应的大气透过率，利用当前探测距离下的表观温差，计算探测距离R时表观温差，与辨识概率为50％时的阈值探测温差相比较，通过返复迭代，当探测距离R时表观温差，与辨识概率为50％时的阈值探测温差相等时，此时的探测距离R即为该目标的红外能见距离；

11)利用表观温差，结合最小可分辨温差——空间频率曲线计算在该表观温差下目标对应的最大可分辨频率；

12)利用最大可分辨频率，结合探测距离和目标暴露区的实际尺寸，计算该目标上最大可分辨周数；

13)利用最大可分辨周数，并给定Johnson准则中50％概率时要求的周数，计算目标在当前探测距离下的探测、识别和确认的概率；

利用目标在实施红外隐身方案前后的红外能见距离计算隐身效率。

Claims (6)

1.一种便携式飞行器红外隐身性能评估装置，其特征在于：包括光学系统101、激光测距模块102、长波红外视频采集单元103、中波红外视频采集单元104、温度传感器105、湿度传感器106、方位角传感器107、微处理器108、通信接口单元109、存储器110、控制面板111、显示器112和外设计算机113；长波红外视频采集单元103与微处理器108电连接，用于采集目标的长波红外视频图像；中波红外视频采集单元104与微处理器108电连接，用于采集目标的长波红外视频图像；激光测距仪102与微处理器108电连接，用于采集目标与评估装置间的距离；温度传感器105、湿度传感器106和方位角传感器107分别与微处理器108电连接，分别采集环境温度、环境湿度和目标的方位角信息，这些信息作为大气透过率仿真的必要参数，利用第三方软件计算大气透过率；微处理器108通过通信接口与外设计算机113电连接，存储器110与微处理器108电连接，用于数据存储，控制面板111和显示器112分别与微处理器108电连接，分别用于系统控制和信息显示。

2.如权利要求1所述的便携式飞行器红外隐身性能评估装置，其特征在于：长波红外视频采集单元103和中波红外视频采集单元104同轴。

3.如权利要求1所述的便携式飞行器红外隐身性能评估装置，其特征在于：光学系统101由物镜和分光镜片组成，分光镜片采用锗材料制成，可以反射中波红外，透射长波红外。

4.如权利要求1或3所述的便携式飞行器红外隐身性能评估装置，其特征在于：分光镜片与长波红外视频采集单元103轴线、中波红外视频采集单元104轴线分别呈45°角，反射的中波红外被中波红外视频采集单元104接收，透射的长波红外被长波红外视频采集单元103接收。

5.如权利要求1所述的便携式飞行器红外隐身性能评估装置，其特征在于：激光测距模块102的轴线与光学系统101的轴线平行。

6.一种便携式飞行器红外隐身性能评估方法，其特征在于：长波红外隐身性能评估和中波红外隐身性能评估均选取辐射温度/辐射温差、光斑暴露尺寸、红外能见距离、红外发现概率和隐身效率作为评估指标；长波红外隐身性能评估和中波红外隐身性能评估按如下步骤实施：

1)利用装置获取目标的长波红外图像或中波红外图像、探测距离、环境温度、环境湿度和目标方位角信息；

2)利用探测距离、环境温度、环境湿度和目标方位角信息，通过第三方软件计算长波红外或中波红外的大气透过率和消光系数；

3)给定长波红外辐射温差阈值或中波红外辐射温差阈值，利用黑体标定曲线反演灰度差阈值；

4)通过相关图像算法确定目标暴露区和背景区，并统计暴露区和背景区所占像元个数；

5)计算暴露区和背景区的平均灰度，利用黑体标定曲线计算平均辐射温度，并求暴露区和背景区表观辐射温差；给定像元尺寸，计算探测器靶面上暴露区尺寸，并利用探测距离的和探测器光学系统焦距计算目标暴露区实际尺寸；

6)给定大气透过率和环境温度，利用表观温差计算暴露区和背景区的固有温差；

7)给定视觉等级要求的线对数，利用目标暴露区实际尺寸计算目标等效长宽比和空间频率；

8)通过最小可分辨温差——空间频率曲线，计算目标在当前空间频率下对应的最小可分辨温差；

9)给定瞬态视场、大气消光系数等参数计算目标在辨识概率为50％时的阈值探测温差；

10)给定探测距离R和相应的大气透过率，利用当前探测距离下的表观温差，计算探测距离R时表观温差，与辨识概率为50％时的阈值探测温差相比较，通过返复迭代，当探测距离R时表观温差，与辨识概率为50％时的阈值探测温差相等时，此时的探测距离R即为该目标的红外能见距离；

11)利用表观温差，结合最小可分辨温差——空间频率曲线计算在该表观温差下目标对应的最大可分辨频率；

12)利用最大可分辨频率，结合探测距离和目标暴露区的实际尺寸，计算该目标上最大可分辨周数；

13)利用最大可分辨周数，并给定Johnson准则中50％概率时要求的周数，计算目标在当前探测距离下的探测、识别和确认的概率；

14)利用目标在实施红外隐身方案前后的红外能见距离计算隐身效率。