CN113589312A - 一种天基红外空中目标探测波段选取方法 - Google Patents

一种天基红外空中目标探测波段选取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113589312A
CN113589312A CN202110800029.8A CN202110800029A CN113589312A CN 113589312 A CN113589312 A CN 113589312A CN 202110800029 A CN202110800029 A CN 202110800029A CN 113589312 A CN113589312 A CN 113589312A
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
radiation
background
flux
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110800029.8A
Other languages
English (en)
Inventor
饶鹏
朱含露
陈略
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Technical Physics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority to CN202110800029.8A priority Critical patent/CN113589312A/zh
Publication of CN113589312A publication Critical patent/CN113589312A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/006—Theoretical aspects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种天基红外空中目标探测波段选取方法，首先系统性地建立了空中目标整体在红外波段的辐射特性模型，再建立几种常见背景的辐射特性模型；以目标和背景的辐射特性为基础，结合信噪比(SNR)和信杂比(SCR)提出信号‑噪声‑杂波联合比(SNCR)，以SNCR作为评价标准对目标整体辐射特性强度进行评估；分别计算空中目标在不同波段区间内的SNCR值，确定SNCR的峰值区间，并以此区间作为天基空中目标的探测波段。本方法可为提升天基红外探测系统获取到的目标信号强度提供依据，提高目标与背景杂波、系统噪声的对比度，显著提升探测系统对空中目标的发现能力。

Description

一种天基红外空中目标探测波段选取方法
技术领域
本发明属于红外遥感和红外空间技术领域，特别是涉及一种天基红外空中目标探测波段选取方法。
背景技术
在远距离条件下对目标进行探测时，由于探测距离远，目标的信号较弱，而背景杂波复杂，探测器的噪声明显，探测效果主要受到三方面的影响：第一是目标在飞行过程中，背景变化的多样性，如海面背景、云背景、城市背景等，因此存在强变化的背景杂波；第二是大气的影响，目标辐射在穿透大气的过程中会被大气中某些气体有选择性地吸收，或被大气悬浮微粒散射，上述现象均会使目标辐射产生衰减，从而降低信噪比和信杂比；第三方面，在探测器中的噪声也会对目标信号产生巨大的干扰。因此需要获取大的信噪比和信杂比，使得探测器获取强信号。国内外学者主要都仅是采用单一参数对目标的谱段进行确定，都无法全面地系统性考虑对探测谱段影响的关键参数。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种天基红外空中目标探测波段选取方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种天基红外空中目标探测波段选取方法，包括以下步骤：
步骤一：收集常见空中目标和不同类型背景的各项参数，构建目标和背景辐射特性模型，分别获取目标和背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)和φbk(λ)，其中φ为辐射通量，λ为波长；
步骤二：根据Silk统计方差的方法定义杂波，并进一步得到在目标探测过程中的信杂比SCR(λ1，Δλ)：
Figure BDA0003164318860000021
步骤三：定义信噪比：信号的辐射通量转化为信号电子数NS(λ1，Δλ)，如下所示：
NS(λ1，Δλ)＝φq·η·tint(e/pixel) (4)；
信噪比SNR(λ1，Δλ)的表达式如下所示：
Figure BDA0003164318860000022
步骤四：结合公式(3)和(5)可以得到SNCR联合参数公式：
Figure BDA0003164318860000023
其中，步骤一中目标的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
全面分析空中目标辐射特性，从目标的几何尺寸、运动特性、蒙皮温度、蒙皮及尾焰的发射率、尾喷口和尾焰的温度变化出发，构建目标的辐射特性模型，获得目标自身光谱辐射通量φtar(λ)与波长λ的关系：
Figure BDA0003164318860000024
其中，Itar(λ)为目标辐射强度，R为卫星轨道高度，H为目标离地面高度，n为目标再焦平面上的像元数，τ(λ)为大气透过率，τ0(λ)为光学系统效率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面积。
其中，步骤一中背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
引起背景辐射的主要辐射源有太阳、大气、云和地物，太阳辐射通过直接或间接的方式反射或散射影响目标辐射特性；地表自身多次发射辐射和散射构成的地表辐射；大气自身热辐射和环境辐射散射，这几类辐射源的叠加即为总的背景辐射；对这几个主要的背景辐射源进行分析，获得背景辐亮度辐射特性模型Lbk(λ)，进一步求得背景的辐射通量：
φbk(λ)＝Ibk(λ)Ωτ(λ)τ0(λ)K(λ)Ar (2)
其中，Ω是瞬时视场立体角。
其中，步骤二中式中，
Figure BDA0003164318860000031
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标辐射通量均值，是目标光谱辐射通量φtar(λ)在此波段上的积分，
Figure BDA0003164318860000032
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标周围局部范围内的背景辐射通量均值；σφc(λ1，Δλ)为目标周围局部范围内的背景辐射通量标准差。
其中，步骤三中φq为光敏面上的光子辐射通量，photon·s-1，η为量子效率，tint为积分时间；NS(λ1，Δλ)为波段Δλ上的光电流信号电子数，Nrd为波段Δλ上的读出噪声，Nd为波段Δλ上的暗电流噪声。
本发明的优点如下：
本发明通过建立羽流仿真模型，全面构建目标辐射特性，结合信噪比SNR和信杂比SCR的SNCR联合指标分析探测谱段，最终确定合理的针对于飞机目标探测的具体谱段，尽可能地使探测系统输出的信号中目标分量最大，提高空中目标的探测概率。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的两种不同的目标模型的原型，(a)类型1，(b)类型2；
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些内容。
一种天基红外空中目标探测波段选取方法，包括以下步骤：
步骤一：收集常见空中目标和不同类型背景的各项参数，构建目标和背景辐射特性模型，分别获取目标和背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)和φbk(λ)，其中φ为辐射通量，λ为波长；
目标的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
全面分析空中目标辐射特性，从目标的几何尺寸、运动特性、蒙皮温度、蒙皮及尾焰的发射率、尾喷口和尾焰的温度变化出发，构建目标的辐射特性模型，获得目标自身光谱辐射通量φtar(λ)与波长λ的关系：
Figure BDA0003164318860000041
其中，Itar(λ)为目标辐射强度，R为卫星轨道高度，H为目标离地面高度，n为目标再焦平面上的像元数，τ(λ)为大气透过率，τ0(λ)为光学系统效率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面积；
背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
引起背景辐射的主要辐射源有太阳、大气、云和地物等，太阳辐射通过直接或间接的方式反射或散射影响目标辐射特性；地表自身多次发射辐射和散射构成的地表辐射；大气自身热辐射和环境辐射散射等，这几类辐射源的叠加即为总的背景辐射；对这几个主要的背景辐射源进行分析，获得背景辐亮度辐射特性模型Lbk(λ)，进一步求得背景的辐射通量：
φbk(λ)＝Ibk(λ)Ωτ(λ)τ0(λ)K(λ)Ar (2)
其中Ω是瞬时视场立体角；
步骤二：根据Silk统计方差的方法定义杂波，并进一步可以得到在目标探测过程中的信杂比SCR(λ1，Δλ)：
Figure BDA0003164318860000042
式中，
Figure BDA0003164318860000043
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标辐射通量均值，是目标光谱辐射通量φtar(λ)在此波段上的积分，
Figure BDA0003164318860000051
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标周围局部范围内的背景辐射通量均值；σφc(λ1，Δλ)为目标周围局部范围内的背景辐射通量标准差；
步骤三：定义信噪比，信号的辐射通量转化为信号电子数NS(λ1，Δλ)，如下所示：
NS(λ1，Δλ)＝φq·η·tint(e/pixel) (4)
其中，φq为光敏面上的光子辐射通量，photon·s-1，η为量子效率，tint为积分时间；信噪比SNR(λ1，Δλ)的表达式如下所示：
Figure BDA0003164318860000052
其中，NS(λ1，Δλ)为波段Δλ上的光电流信号电子数，Nrd为波段Δλ上的读出噪声，Nd为波段Δλ上的暗电流噪声；
步骤四：结合公式(3)和(5)可以得到SNCR联合参数公式：
Figure BDA0003164318860000053
实施例
仿真环境：Matlab2018b；
测试输入：图2中两类目标的基本参数和尾焰参数，模拟探测系统的轨道高度、读出噪声、量化位数和波段范围等参数以及不同背景参数。
指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种天基红外空中目标探测波段选取方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：收集常见空中目标和不同类型背景的各项参数，构建目标和背景辐射特性模型，分别获取目标和背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)和φbk(λ)，其中φ为辐射通量，λ为波长；
步骤二：根据Silk统计方差的方法定义杂波，并进一步得到在天基目标探测过程中的信杂比SCR(λ1,Δλ)：
Figure FDA0003164318850000011
步骤三：定义信噪比：信号的辐射通量转化为信号电子数NS(λ1,Δλ)，如下所示：
NS(λ1,Δλ)＝φq·η·tint(e/pixel) (4)；
信噪比SNR(λ1,Δλ)的表达式如下所示：
Figure FDA0003164318850000012
步骤四：结合公式(3)和(5)可以得到SNCR联合参数公式：
Figure FDA0003164318850000013
步骤五：结合公式(6)可以得到天基空中目标探测的起始波段λint和波长间隔λdif：
Figure FDA0003164318850000014
2.根据权利要求1所述的一种天基红外空中目标探测波段选取方法，其特征在于：所述的步骤一中目标的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
全面分析空中目标辐射特性，从目标的几何尺寸、运动特性、蒙皮温度、蒙皮及尾焰的发射率、尾喷口和尾焰的温度变化出发，构建目标的辐射特性模型，获得目标自身光谱辐射通量φtar(λ)与波长λ的关系：
Figure FDA0003164318850000021
其中，Itar(λ)为目标辐射强度，R为卫星轨道高度，H为目标离地面高度，n为目标再焦平面上的像元数，τ(λ)为大气透过率，τ0(λ)为光学系统效率，K(λ)为能量集中度，Ar为入瞳面积。
3.根据权利要求2所述的一种天基红外空中目标探测波段选取方法，其特征在于：所述的步骤一中背景的辐射通量与波长的关系φtar(λ)的确定：
引起背景辐射的主要辐射源有太阳、大气、云和地物，太阳辐射通过直接或间接的方式反射或散射影响目标辐射特性；地表自身多次发射辐射和散射构成的地表辐射；大气自身热辐射和环境辐射散射，这几类辐射源的叠加即为总的背景辐射；对这几个主要的背景辐射源进行分析，获得背景辐亮度辐射特性模型Lbk(λ)，进一步求得背景的辐射通量：
φbk(λ)＝Ibk(λ)Ωτ(λ)τ0(λ)K(λ)Ar (2)
其中，Ω是瞬时视场立体角。
4.根据权利要求3所述的一种天基红外空中目标探测波段选取方法，其特征在于：所述的步骤二中式中，
Figure FDA0003164318850000022
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标辐射通量均值，是目标光谱辐射通量φtar(λ)在此波段上的积分，
Figure FDA0003164318850000023
为起始波长λ1，波段宽度Δλ的目标周围局部范围内的背景辐射通量均值；σφc(λ1,Δλ)为目标周围局部范围内的背景辐射通量标准差。
5.根据权利要求4所述的一种天基红外空中目标探测波段选取方法，其特征在于：所述的步骤三中φq为光敏面上的光子辐射通量，photon·s-1，η为量子效率，tint为积分时间；NS(λ1,Δλ)为波段Δλ上的光电流信号电子数，Nrd为波段Δλ上的读出噪声，Nd为波段Δλ上的暗电流噪声。
CN202110800029.8A 2021-07-15 2021-07-15 一种天基红外空中目标探测波段选取方法 Pending CN113589312A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110800029.8A CN113589312A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种天基红外空中目标探测波段选取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110800029.8A CN113589312A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种天基红外空中目标探测波段选取方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113589312A true CN113589312A (zh) 2021-11-02

Family

ID=78247642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110800029.8A Pending CN113589312A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种天基红外空中目标探测波段选取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113589312A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107894284A (zh) * 2017-10-24 2018-04-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种结合探测效能的红外相机波段比较方法
CN108287350A (zh) * 2017-12-06 2018-07-17 中国科学院上海技术物理研究所 基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法
CN110907927A (zh) * 2019-11-26 2020-03-24 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种山火目标自动定位监测系统及方法
CN111951299A (zh) * 2020-07-01 2020-11-17 中国科学院上海技术物理研究所 一种红外空中目标检测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107894284A (zh) * 2017-10-24 2018-04-10 中国科学院上海技术物理研究所 一种结合探测效能的红外相机波段比较方法
CN108287350A (zh) * 2017-12-06 2018-07-17 中国科学院上海技术物理研究所 基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法
CN110907927A (zh) * 2019-11-26 2020-03-24 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种山火目标自动定位监测系统及方法
CN111951299A (zh) * 2020-07-01 2020-11-17 中国科学院上海技术物理研究所 一种红外空中目标检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HANLU ZHU: "Key parameters design of an aerial target detection system on a space-based platform", OPTICAL ENGINEERING, vol. 57, no. 2 *
张磊 等: "双模型空中目标红外谱段的联合SNCR评估方法", 红外与毫米波学报, vol. 39, no. 5, pages 660 - 666 *
朱含霜: "天基空中动目标红外探测与识别关键技术研究", 中国博士学位论文全文数据库, pages 2 - 3 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kiemle et al. Sensitivity studies for a space-based methane lidar mission
Buchwitz et al. Atmospheric carbon gases retrieved from SCIAMACHY by WFM-DOAS: version 0.5 CO and CH 4 and impact of calibration improvements on CO 2 retrieval
Killinger et al. Remote probing of the atmosphere using a CO 2 DIAL system
Vigouroux et al. Ground-based FTIR and MAX-DOAS observations of formaldehyde at Réunion Island and comparisons with satellite and model data
Nemuc et al. Assessment of aerosol's mass concentrations from measured linear particle depolarization ratio (vertically resolved) and simulations
Sutherland et al. Significance of vegetation in interpreting thermal radiation from a terrestrial surface
Salmon Outdoor passive millimeter-wave imaging: Phenomenology and scene simulation
CN108287350A (zh) 基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法
Queißer et al. Insights into geological processes with CO2 remote sensing–A review of technology and applications
Spang et al. A multi-wavelength classification method for polar stratospheric cloud types using infrared limb spectra
Cai et al. Analysis of XCO 2 retrieval sensitivity using simulated Chinese Carbon Satellite (TanSat) measurements
US8158944B2 (en) Atmospheric gas detection apparatus and method
Richter et al. SO2 measurements with SCIAMACHY
Wang et al. A cloud detection scheme for the Chinese Carbon Dioxide Observation Satellite (TANSAT)
CN115222707A (zh) 一种全谱段高光谱对地遥感成像测量不确定度分析方法
CN117784101A (zh) 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统
Sioris et al. Improved OSIRIS NO 2 retrieval algorithm: description and validation
Irons et al. Multiple-angle observations of reflectance anisotropy from an airborne linear array sensor
Lu et al. CALIOP receiver transient response study
CN113589312A (zh) 一种天基红外空中目标探测波段选取方法
Min et al. A high-resolution oxygen A-band spectrometer (HABS) and its radiation closure
CN116719049A (zh) 星载单光子激光雷达海洋区域噪声估计方法及系统
Stoyanov et al. LIDAR atmospheric sensing by metal vapor and Nd: YAG lasers
Read et al. Retrieval of wind, temperature, water vapor and other trace constituents in the Martian Atmosphere
Kim et al. Aerosol layer height (ALH) retrievals from oxygen absorption bands: Intercomparison and validation among different satellite platforms, GEMS, EPIC, and TROPOMI

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination