CN112462392B - 一种基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法，该方法步骤如下：(1)单星多谱段相机以高时间分辨率对视场内空天高温目标连续成像并采集数据；(2)对数据进行预处理，并提取目标信号强度；(3)基于目标温度与信号强度的量化关系，得到对应时刻的目标蒙皮温度；(4)基于高速流动中对流换热规律，建立目标蒙皮温度与大气温度、时间的量化关系，获取当前目标所处高度下大气温度；(5)基于大气温度与垂直高度的对应关系，反演出当前目标所处高度。本发明提供的空天高温目标高度反演方法摆脱了对双星定位的需求，操作简便，可实施性高，且具有高时效性，获得了多谱段数据，提高了对目标定位的精度。

Description

一种基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法

技术领域

本发明属于目标探测领域，尤其涉及基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法。

背景技术

随着空间探测和现代防御体制的不断发展，以高超声速飞行器为代表的空天高温目标的探测与识别成为了空间探测等领域研究热点。此类目标的飞行速度极快，可以达到5马赫以上，且机动性强，这极大增加了对其进行探测与识别的难度。

飞行器高速飞行时，周围大气发生剧烈的压缩，大量的动能转为内能，这使得飞行器表面和附近的空气温度迅速升高，因此一般使用天基红外系统对其进行探测。天基探测中，由于目标面积小，可视为点目标。为了对空天高温目标更有效地识别，如何对目标的温度和高度等特性的反演具有重大意义。

传统的红外探测方法仅获得了目标的强度信息，而光谱维度信息的获取是对目标温度的反演的研究重点。对于空天飞行目标的高度信息获取，一般采用双星(或多星)覆盖探测的方法进行定位，而由于其所处临近空间，目前的天基红外探测系统无法进行双星定位。综合来看，传统探测对于空天高温目标温度和高度的获取能力十分有限，难以满足后续对目标的跟踪、识别与拦截打击的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有探测方法的不足，提供基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法，通过对目标温度和高度等特性反演，为后续的跟踪、识别与打击提供帮助。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：

1)单星多谱段相机以高时间分辨率Δt≤5ms对视场内临近空间20～100km的空天高温目标连续成像并采集数据；

2)对步骤1)中获得的数据进行预处理，并提取目标信号强度具体步骤如下：

2-1)首先对多谱段探测器获得的数据进行“盲元”去除及非均匀矫正处理；

2-2)将像元响应值用电子数形式来表示：N_{target_pixel}表示目标所在的像元相应的电子数，N_{background_pixel}表示由背景完全填充的像元相应的电子数，对于点目标成像，目标信号强度相应的电子数N_s：

N_s＝N_{target_pixel}-N_{background_pixel} (1)

3)对步骤2-2)中获得的多谱段下目标信号等效电子数进行处理，反推出对应时刻的目标蒙皮温度，具体步骤如下：

3-1)目标蒙皮温度与信号等效电子数的量化关系为：

式中只有两个未知量x和T，其它都为常量，具体地：c₁、c₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，T为目标蒙皮温度，H为目标飞行高度度，

为选取谱段的中心波长，在选取的谱段中大气透过率

式中，EE为能量集中度、D为入瞳口径、l为探测距离、Δλ为谱段宽度、τ_opt为光学透过率，η为量子效率，h为普朗克常数，c为光速，T_int为积分时间。

x＝A_t cosθ·ε (4)

式中，A_t、θ和ε分别为目标蒙皮面积，探测夹角以及蒙皮发射率。

3-2)通过多谱段成像，则有：

将中心波长

和

以及对应的目标信号等效电子数N_s1和N_s2代入(5)式，可反推出目标蒙皮温度T；

4)基于目标蒙皮温度与环境温度、时间的量化关系，获取当前目标所处环境温度，具体步骤如下：

4-1)对于不同时刻t_i，通过步骤3-2)可获得对应的目标蒙皮温度

4-2)高速流动中对流换热是主要的热量交换形式，飞行器表面热流密度为：

q_w＝h(T_w-T_r) (6)

式中，q_w为热流密度，h对流换热系数，T_w是蒙皮温度，T_r是驻点处温度。

在短时间间隔内，蒙皮温度的温升为：

式中，C、ρ、δ分别为比热容、大气密度以及壁面厚度。

T_r与环境温度T_e成正比，将(6)式代入(7)式，建立目标壁面温度与加热时间以及环境温度的量化关系为：

式中，C_c＝C·ρ·δ，t_i为不同时刻，Δt为时间间隔，T_e为所处环境温度，

为相应时刻的蒙皮温度。

4-3)将不同时刻下的目标蒙皮温度

代入公式(8)，反推出所处环境温度为：

5)基于大气环境温度与高度的对应关系，反演出目标所处的环境高度，具体步骤如下：

5-1)根据统计的大气平均温度T_e与目标所处的环境高度H，建立量化关系式：

5-2)将步骤4-3)获得的环境温度T_e代入式(10)可得到对应的高度H。

本发明的优点和积极效果是：

1.本发明采用单星多谱段探测取代了双星定位方案，降低对探测的要求，设计合理，时效性高，定位精度高；

2.本发明构建了空天高温目标多个谱段强度数据库，可以在对飞机等目标的跟踪与识别应用推广。

附图说明

图1是本发明的空天高温目标的高度反演方法流程图；

图2是空天高温目标在单星天基红外多谱段探测系统以点目标成像的示意图；

图3是根据不同时刻的蒙皮温度迭代求解当前环境温度的算法流程；

图4是根据统计的大气温度平均值与大气高度平均值所绘曲线图。

具体实施方式

本文所述的发明提供基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法，下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的详述。

如附图1所示，本发明基于单星天基红外探测系统，分析所得的多谱段数据，经解算可获得当前探测下目标的温度和高度。主要包含以下步骤：

1)单星多谱段相机以高时间分辨率Δt≤5ms对视场内临近空间20～100km的空天高温目标连续成像并采集数据；

2)对步骤1)中获得的数据进行预处理，并提取目标信号强度具体步骤如下：

2-1)首先对多谱段探测器获得的数据进行“盲元”去除及非均匀矫正处理；

2-2)将像元响应值用电子数形式来表示：N_{target_pixel}表示目标所在的像元相应的电子数，N_{background_pixel}表示由背景完全填充的像元相应的电子数，对于点目标成像，目标信号强度相应的电子数N_s：

N_s＝N_{target_pixel}-N_{background_pixel} (1)

3)对步骤2-2)中获得的多谱段下目标信号等效电子数进行处理，反推出对应时刻的目标蒙皮温度，具体步骤如下：

3-1)对于空天高温目标，蒙皮面积较小，可认为是类灰体辐射。如图2所示，基可建立目标蒙皮温度与信号等效电子数的量化关系，具体如下：

式中只有两个未知量x和T，其它都为常量，具体地：c₁、c₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，T为目标蒙皮温度，H为目标飞行高度度，

为选取谱段的中心波长，在选取的谱段中大气透过率

式中，EE为能量集中度、D为入瞳口径、l为探测距离、Δλ为谱段宽度、τ_opt为光学透过率，η为量子效率，h为普朗克常数，c为光速，T_int为积分时间。

x＝A_t cosθ·ε (4)

式中，A_t、θ和ε分别为目标蒙皮面积，探测夹角以及蒙皮发射率。

3-2)通过对多谱段成像信息分析，则有：

将中心波长

和

以及对应的目标信号等效电子数N_s1和N_s2代入(5)式，可反推出目标蒙皮温度T；

4)基于目标蒙皮温度与环境温度、时间的量化关系，获取当前目标所处环境温度，具体步骤如下：

4-1)对于不同时刻t_i，通过步骤3-2)可获得对应的目标蒙皮温度

4-2)高速流动中对流换热是主要的热量交换形式，飞行器表面热流密度为：

q_w＝h(T_w-T_r) (6)

式中，q_w为热流密度，h对流换热系数，T_w是蒙皮温度，T_r是驻点处温度。

在短时间间隔内，蒙皮温度的温升为：

式中，C、ρ、δ分别为比热容、大气密度以及壁面厚度。

T_r与环境温度T_e成正比，将(6)式代入(7)式，建立目标壁面温度与加热时间以及环境温度的量化关系。如图3所示，有：：

式中，t_i为不同时刻，Δt为时间间隔，T_e为所处环境温度，

为相应时刻的蒙皮温度。C_c＝C·ρ·δ，C为比热容，ρ为大气密度，δ为边界厚度。

4-3)将不同时刻下的目标蒙皮温度

代入公式(8)，反推出所处环境温度为：

5)基于大气环境温度与高度的对应关系，反演出目标所处的环境高度，具体步骤如下：

5-1)根据统计的大气平均温度T_e与目标所处的环境高度H，建立量化关系式：

5-2)将步骤4-3)获得的环境温度T_e代入式(10)可得到对应的目标飞行高度H。

通过以上方法，至少选用3个通道的红外谱段数据即可求解目标温度与高度。通过适当的增加通道数量，目标飞行高度反演的精度可达1km。

Claims (1)

1.一种基于天基多谱段数据的空天高温目标高度反演方法，其特征在于包括以下步骤：

1)单星多谱段相机以高时间分辨率Δt≤5ms对视场内临近空间20～100km的空天高温目标连续成像并采集数据；

2)对步骤1)中获得的数据进行预处理，并提取目标信号强度具体步骤如下：

2-1)首先对多谱段探测器获得的数据进行“盲元”去除及非均匀矫正处理；

2-2)将像元响应值用电子数形式来表示：N_{target_pixel}表示目标所在的像元相应的电子数，N_{background_pixel}表示由背景完全填充的像元相应的电子数，对于点目标成像，目标信号强度相应的电子数N_s：

N_s＝N_{target_pixel}-N_{background_pixel} (1)

3)对步骤2-2)中获得的多谱段下目标信号等效电子数进行处理，反推出对应时刻的目标蒙皮温度，具体步骤如下：

3-1)目标蒙皮温度与信号等效电子数的量化关系为：

式中只有两个未知量x和T，其它都为常量，具体地：c₁、c₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，T为目标蒙皮温度，H为目标飞行高度度，

为选取谱段的中心波长，在选取的谱段中大气透过率

式中，EE为能量集中度、D为入瞳口径、l为探测距离、Δλ为谱段宽度、τ_opt为光学透过率，η为量子效率，h为普朗克常数，c为光速，T_int为积分时间；

x＝A_tcosθ·ε (4)

式中，A_t、θ和ε分别为目标蒙皮面积，探测夹角以及蒙皮发射率；

3-2)通过多谱段成像，则有：

将中心波长

和

以及对应的目标信号等效电子数N_s1和N_s2代入(5)式，可反推出目标蒙皮温度T；

4)基于目标蒙皮温度与环境温度、时间的量化关系，获取当前目标所处环境温度，具体步骤如下：

4-1)对于不同时刻t_i，通过步骤3-2)可获得对应的目标蒙皮温度

4-2)基于高速流动中对流换热规律，建立目标壁面温度与加热时间以及环境温度的量化关系为：

式中，t_i为不同时刻，Δt为时间间隔，T_e为所处环境温度，

为相应时刻的蒙皮温度，C_c＝C·ρ·δ，C为比热容，ρ为大气密度，δ为边界厚度；

4-3)将不同时刻下的目标蒙皮温度

代入公式(6)，反推出所处环境温度T_e：

5)基于大气环境温度与高度的对应关系，反演出目标所处的环境高度，具体步骤如下：

5-1)根据统计的大气平均温度T_e与目标所处的环境高度H，建立量化关系式：

5-2)将步骤4-3)获得的环境温度T_e代入式(8)可得到对应的高度H。

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