CN108287350A - 基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法 - Google Patents

基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法，所述的关键参数是边界地面采样距离和探测谱段。该方法首先建立飞机目标的三维模型，并根据飞机目标的飞行特性、红外辐射特性和飞机实际飞行过程中的海面背景、城市背景和云背景，采用目标‑背景绝对对比度确定飞机目标探测的地面采样距离，并采用目标‑背景相对比度和系统局部信杂比确定飞机目标探测的谱段，并由此实现对系统参数的设计。本方法解决了在天基平台下对空中目标探测的参数确定问题，弥补了地面采样距离和谱段选择缺少依据的缺点。

Description

基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法
技术领域
本发明属于光学遥感技术领域，特别是涉及一种基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法。
背景技术
实现空中飞机目标的搜索探测是保障飞机飞行安全的基础和关键，但是现阶段对其的研究还处于初级阶段，不具备高概率发现、识别和跟踪的能力，关键参数等相应的技术指标更是缺少选择依据的支撑。在探测过程中，飞机目标存在很大的变化性，虽然现在的天基系统已具备一定的探测能力，但是仍然存在目标和环境特性、目标各状态下与环境的作用机理等研究不全面、不深入，探测谱段单一，以及地表背景和大气背景相互耦合关系分析的缺乏。在2000年，英国防御评估机构提出利用双推扫模式，在4-6μm谱段和地面采用距离35m下对飞机目标实现探测，但是对于相关关键参数的选择问题的研究尚未见到公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术上的不足，提供一种基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定的方法，该方法充分考虑目标和背景的变化，分析在不同探测角度下的目标特性，以及飞机飞行过程中的主要背景：海面背景、城市背景和云背景，利用目标和背景之间的相对和绝对关系，再结合背景的波动得到相应的地面采样距离和探测谱段，为关键参数的确定提供了重要依据。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法，所述的关键参数是边界地面采样距离和探测谱段，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立飞机目标三维模型：
将飞机目标建立在以飞机中心位置为原点的世界坐标系中，其辐射强度I分别为XOZ平面的投影的红外辐射强度I1和XOZ所在平面与YOZ平面交线方向的投影的红外辐射强度I2，则飞机目标总的辐射强度为：
I＝I1+I2
(2)确定目标探测的边界地面采样距离GSD：
(2-1)计算在波段λ1～λ2上的目标自身辐射通量φtar_sf(λ1,λ2)，其由三部分组成，分别为目标自身辐射通量φtar_sf(λ1,λ2)、目标路径辐射通量Φtar_path(λ)和像元上目标外背景的辐射通量Φtar_bk(λ)，其表达式为：
其中，Itar_sf(λ)为目标自身辐射强度，Ltar_path(λ)为路径辐射亮度，Lbk(λ)为背景辐射亮度，τ(λ)为大气透过率，τo(λ)为光学系统透过率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面面积，At为目标自身面积，n为目标所占像元个数，Ω为光敏面接收立体角；
(2-2)计算目标-背景绝对对比度TBAC(λ1,λ2)：
其中，不含目标像元的辐射通量即为背景辐射通量为：
(2-3)计算边界地面采样距离GSD：
(3)确定目标探测的谱段信息：
谱段信息分别是：目标-背景相对对比度和系统局部信杂比。目标-背景相对对比度计算方法如下：
TBRC(λ1，λ2)＝|φtar(λ1，λ2)-φbk(λ1，λ2)|
系统局部信杂比计算方法如下：
其中，是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的目标辐射通量平均值，是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的背景辐射通量平均值，σφc(λ1，Δλ)为在λ1处，波段间隔为Δλ的背景辐射通量波动值；σφc(λ1，Δλ)的计算方法如下：
σΦc(λ1，Δλ)＝σclutter(λ1，Δλ)·Ω·τo(λ)·Ar
其中，σclutter(λ1，Δλ)是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的背景杂波值；其计算方法如下：
其中，m是波段λ1～λ2上波段宽度为0.001μm的波段个数，Lbk(λi)为在λi处的背景辐射亮度值，为在λi处的背景辐射亮度均值；
基于上述技术方案可知，本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明结合飞机目标特性，对其进行三维建模，考虑了不同探测角(侧视角和方向角)对目标探测产生的影响；
(2)本发明根据目标-背景绝对对比度的等级划分，以TBAC＝0.02作为高对比度确定探测的边界地面采用距离；
(3)本发明根据探测器焦平面响应的是目标和背景的相对差值的特点和探测器上背景杂波对目标探测效果的影响两点出发，采用目标-背景相对对比度和系统局部信杂比对探测谱段进行选择；
附图说明
图1是目标探测关键参数确定方法的流程图；
图2是飞机目标的三维建模图；
图3是海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系，(a)是在中波波段海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系，(b)是在长波波段海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系。
图4是海面云背景下目标-背景相对对比度，(a)是在中波波段海面云背景下目标-背景相对对比度，(b)是在长波波段海面云背景下目标-背景相对对比度。
图5是在城市云背景中波波段不同探测角度下的峰值局部信杂比，(a)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝30°时，在2.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(b)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝60°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(c)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝90°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(d)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝135°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比。
图6是在城市云背景长波波段不同探测角度下的峰值局部信杂比，(a)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝30°时，在9.2-10μm部分的峰值局部信杂比；(b)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝30°时，在11-12μm部分的峰值局部信杂比；(c)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝90°时，在9.2-9.8μm部分的峰值局部信杂比；(d)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝135°时，在9.2-10μm部分的峰值局部信杂比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是为实现空中目标探测关键参数确定方法的具体流程图，首先需要建立飞机目标的三维模型，由此得到目标的辐射特性；再根据飞机实际飞行过程中的背景(海面、城市和云背景)确定飞机目标的背景辐射特性；根据上述得到的飞机目标的辐射特性和背景辐射特性，得到目标背景相对对比度、目标-背景绝对对比度和系统局部信杂比等信息，由此可以确定飞机目标探测的地面采样距离和谱段特性，进一步可以利用上述参数，通过系统干扰比分析系统的探测效能。
图2是飞机目标的三维模型，将XOZ平面作为平面1，将YOZ平面作为平面2。在任意视线方向上的红外辐射强度I可以分解为两部分，一部分为其在平面1上投影的红外辐射强度I1,另一部分为视线在平面1投影所在平面与平面2交线方向上的红外辐射强度I2。I1与OX轴的夹角为方向角β，机飞机尾向为0°，飞机头向为180°。I2与OZ轴的夹角为侧视角α。则飞机在任意方向上的红外辐射强度为：
I＝I1+I2
图3是海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系，(a)是在中波波段海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系，(b)是在长波波段海面云背景下目标-背景绝对对比度与地面采样距离之间的关系。目标-背景绝对对比度表征的是经过大气衰减后到达焦平面上含目标像元与不含目标像元辐射通量差值绝对值与背景辐射通量的比值，即为：
其中含有目标像元的辐射由三部分组成，分别为目标自身辐射通量、目标路径辐射通量和像元上目标外背景的辐射通量，分别为：
因此含目标像元的辐射通量为以上三个部分的总和，而其在波段λ1～λ2上的波段辐射通量为：
不含目标像元的辐射通量即为背景辐射通量为：
其中，Itar_sf(λ)为目标自身辐射强度，Ltar_path(λ)为路径辐射亮度，Lbk(λ)为背景辐射亮度，τ(λ)为大气透过率，τo(λ)为光学系统透过率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面面积，At为目标自身面积，Ω为光敏面接收立体角，GSD为地面采样距离。
在图3中，黑色虚线为边界绝对对比度，地面采样距离的选择为从20m到100m，间隔为5m；探测的侧视角为0°时，方向角分别为30°、60°、90°、和135°。基于上述相关参数值的改变，最终确定了在高绝对对比度的情况下，中波波段的地面采样距离为30m，长波波段的地面采样距离为35m。
图4是海面云背景下目标-背景相对对比度，(a)示出了本发明在中波波段海面云背景下目标-背景相对对比度，(b)示出了本发明在长波波段海面云背景下目标-背景相对对比度。由于探测器响应的是目标与背景的差值，因此目标-背景相对对比度可以反映出目标的谱段信息，其定义即为含目标像元与不含目标像元辐射通量的差值，因此可以得到目标-背景相对对比度的表达式为：
TBRC(λ)＝|φtar(λ)-φbk(λ)|
通过(a)可以看出在中波波段的峰值相对对比度谱段为4.05-4.19μm，4.3-4.5μm；通过(b)可以看出在长波波段的峰值相对对比度谱段为8-9.2μm，9.5-9.65μm和10.5-12μm。
图5是在城市云背景中波波段不同探测角度下的峰值局部信杂比，(a)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝30°时，在2.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(b)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝60°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(c)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝90°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比；(d)是在城市云背景中波波段α＝0°，β＝135°时，在3.6-4.6μm部分的峰值局部信杂比。
图6是在城市云背景长波波段不同探测角度下的峰值局部信杂比，(a)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝30°时，在9.2-10μm部分的峰值局部信杂比；(b)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝30°时，在11-12μm部分的峰值局部信杂比；(c)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝90°时，在9.2-9.8μm部分的峰值局部信杂比；(d)是在城市云背景长波波段α＝0°，β＝135°时，在9.2-10μm部分的峰值局部信杂比。
为了减小计算量，将传统的系统信杂比的形式转换为波段上积分形式的杂波为：
其中，m为λ1～λ2上的波段个数，Lbk(λi)为λi处的背景辐亮度，为λi处的背景辐亮度均值，Δλ为波段宽度。则最终到达焦平面上的辐射通量形式的背景杂波为：
σΦc(λ1，Δλ)＝σclutter(λ1，Δλ)·Ω·τo(λ)·Ar
为了更好的反映谱段的信息，利用局部范围内的杂波波段得到系统局部信杂比，选取的是含有目标像元范围内3×3的区域，得到局部信杂比公式为：
结合图4的目标-背景相对对比度关系和图5、图6的系统局部信杂比得到了针对于飞机目标的合理探测谱段为：中波波段3.4-4.2μm和4.3-4.5μm，长波波段为8-9.2μm、9.5-9.8μm和10.5-12μm。

Claims (1)

1.一种基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法，所述的关键参数是边界地面采样距离和探测谱段，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立飞机目标三维模型：
将飞机目标建立在以飞机中心位置为原点的世界坐标系中，其辐射强度I分别为XOZ平面的投影的红外辐射强度I1和XOZ所在平面与YOZ平面交线方向的投影的红外辐射强度I2，则飞机目标总的辐射强度为：
I＝I1+I2
(2)确定目标探测的边界地面采样距离GSD：
(2-1)计算在波段λ1～λ2上的目标自身辐射通量φtar_sf(λ1,λ2)，其由三部分组成，分别为目标自身辐射通量φtar_sf(λ1,λ2)、目标路径辐射通量Φtar_path(λ)和像元上目标外背景的辐射通量Φtar_bk(λ)，其表达式为：
其中，Itar_sf(λ)为目标自身辐射强度，Ltar_path(λ)为路径辐射亮度，Lbk(λ)为背景辐射亮度，τ(λ)为大气透过率，τo(λ)为光学系统透过率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面面积，At为目标自身面积，n为目标所占像元个数，Ω为光敏面接收立体角；
(2-2)计算目标-背景绝对对比度TBAC(λ1,λ2)：
其中，不含目标像元的辐射通量即为背景辐射通量为：
(2-3)计算边界地面采样距离GSD：
(3)确定目标探测的谱段信息：
谱段信息分别是：目标-背景相对对比度和系统局部信杂比。目标-背景相对对比度计算方法如下：
TBRC(λ1,λ2)＝|φtar(λ1,λ2)-φbk(λ1,λ2)|
系统局部信杂比计算方法如下：
其中,是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的目标辐射通量平均值，是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的背景辐射通量平均值，σφc(λ1,Δλ)为在λ1处，波段间隔为Δλ的背景辐射通量波动值；σφc(λ1,Δλ)的计算方法如下：
σΦc(λ1,Δλ)＝σclutter(λ1,Δλ)·Ω·τo(λ)·Ar
其中，σclutter(λ1,Δλ)是在起始波长为λ1，波长间隔为Δλ的背景杂波值；其计算方法如下：
其中，m是波段λ1～λ2上波段宽度为0.001μm的波段个数，Lbk(λi)为在λi处的背景辐射亮度值，为在λi处的背景辐射亮度均值。
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