杜石明,呂相銀,張 偉,曾 凱,陳善靜

(電子工程學院安徽省紅外與低溫等粒子體重點實驗室,合肥 230037)

0 引言

目前絕大多數(shù)的紅外技術(shù)都是基于目標與背景的紅外輻射特征差異來發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤和監(jiān)視目標,因此對衡量目標與背景紅外輻射特征差異對比度的研究在軍事上具有重要的意義[1]。文中從對比度的定義出發(fā),對人工紅外光照射目標時目標與背景的對比度進行了仿真計算與分析,得到一些有價值的結(jié)論,對目標的探測、識別、紅外制導武器的研制、紅外隱身技術(shù)研究、作戰(zhàn)模擬訓練、武器性能評估有重要的意義和應用價值。

1 人工紅外光照射目標的理論模型

由于地面目標的結(jié)構(gòu)形狀復雜,外界環(huán)境不斷變化,目標表面溫度隨時間而變化,很難從理論上對人工紅外光照射目標時目標與背景對比度進行精確的分析,因此,作出如下的幾種假設對問題進行簡化:1)假設目標沒有內(nèi)熱源,目標表面的初始溫度根據(jù)目標實際溫度來確定;2)假設目標表面溫度分布均勻,以某時刻為研究對象,把自然環(huán)境對目標的影響看作是不變的因素,把這個不變因素等效為目標相應的溫度值,避免自然環(huán)境對目標影響的復雜性;3)假設目標與背景為漫輻射,并為不透明的朗伯體。圖1為在上述假設條件下時,人工照射目標的理論模型。

2 計算表達式模型

背景與目標之間以及它們內(nèi)部各部分之間的輻射亮度通常是不同的,反映在熱像儀顯示器上則是各像元的灰度(或偽色彩)會有所不同,因而通過熱像儀可以發(fā)現(xiàn)并識別目標。而目標與背景輻射亮度的差別則是熱像儀發(fā)現(xiàn)和識別目標的基礎(chǔ),因此通常采用輻射亮度來表征目標與背景的對比度[2]:

圖1 理論模型圖

式中:L0為目標的輻射亮度;LB為背景的輻射亮度。由于在大多數(shù)的戰(zhàn)場環(huán)境中,目標的溫度都高于背景的溫度,因此目標的輻射亮度大于背景的輻射亮度。則式(1)可寫成:

在理論模型中已經(jīng)假設了目標與背景是朗伯輻射體,則式(2)進一步寫成:

式中M0包括兩部分,一部分為自身輻射出射度,另一部分為反射環(huán)境的輻射[3-5],同理M B為自身輻射與反射目標輻射之和。為了便于分析人工光照時目標與背景的對比度,對目標表面建立坐標如圖2所示。當采用人工紅外光照射目標時,目標與背景的反射輻射部分將發(fā)生改變,式(3)經(jīng)過推導為:

圖2 人工光源照射目標表面的坐標軸

經(jīng)整理得:

其中:ε0為目標的發(fā)射率;εB為背景的發(fā)射率;T0為目標在自然環(huán)境中的等效溫度;T B為背景溫度;σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù);P為光源的功率;d為光源到被照射物體的距離;θ為被照物體表面法線方向與光源距離之間的夾角(文中為入射角);F1為目標對光源的角系數(shù);F2為背景對光源的角系數(shù)。

3 仿真計算結(jié)果與分析

設某地面目標上表面尺寸為6m×8m,初始溫度為300K,在天氣晴朗、背景溫度為295K、背景發(fā)射率為0.9的情況下,在上午7點至8點時刻采用氙燈[6]脈沖式垂直照射目標(垂直照射指入射角為0°),照射距離為2m。對于光源與該目標的角系數(shù)可以采用定義或解析法計算,具體可參考文獻[7]。

3.1 在全波段(0～+∞)時的分析

從圖 3可以看出,當光源照射功率增加時(以光源的輻射照度計算),在目標發(fā)射率小于 0.7時,目標與背景輻射對比度隨照射功率的增加而增加,這是由于在發(fā)射率較小時,目標的反射率相應較大(目標為不透明朗伯體),而目標的溫度在短時間內(nèi)不能突變,自身輻射部分較小,此時目標紅外輻射取決于目標對光源的反射輻射,隨著功率的增加,目標反射部分的能量就越大,目標與背景的對比度就越大。在目標發(fā)射率大于0.7時,目標與背景輻射對比度隨照射功率的增加而減小,這是由于在發(fā)射率較大時,目標相應的反射率較小,目標的反射輻射部分就較小,由于目標溫度不能突變,目標對光源功率的利用率不高,而此時環(huán)境的輻射增大,使得目標與背景的對比度減小,功率越大,減小就越快,目標與背景越容易融合,此時不利于目標探測與識別。假設當輻射對比度控制在±0.02時,紅外成像系統(tǒng)無法探測和識別目標,則從圖3中可以看出對應于目標的發(fā)射率大于0.7時,對其采用一定范圍ΔE1、ΔE2的光照,可以使目標的對比度降低到±0.02范圍之內(nèi),從而實現(xiàn)目標與背景的融合,使紅外成像系統(tǒng)失效。同時,在 ΔE1、ΔE2區(qū)域中存在一個公共的區(qū)域(500～700W/m2),表明采用這個區(qū)間范圍內(nèi)的照射功率的光源,在目標發(fā)射率大于0.7時,均能使目標與背景達到融合。同理,當采用光照功率在ΔE1、ΔE2時,目標發(fā)射率在 0.7以上的目標同樣能達到很好的融合效果。圖4反映了輻射對比度與目標發(fā)射率的關(guān)系,當采用固定光照功率的光源可對目標發(fā)射率在 Δε1、Δε2、Δε3范圍內(nèi)的目標達到很好的融合效果,例如當光源輻射照度在600W/m2時,可以對發(fā)射率在0.75～0.94的目標達到很好的融合效果。

圖3 光源輻射照度與輻射對比度的關(guān)系

圖4 目標發(fā)射率與對比度的系

3.2 在3～5μm波段以及8～14μm波段時的分析

從圖5～圖8中可以看出,在3～5μm 波段以及8～ 14μm 波 段時,目標與背景的輻射對比度的變化趨勢與在全波段時的變化趨勢相似,即適當調(diào)節(jié)對目標的光照功率和目標的發(fā)射率,可以實現(xiàn)目標與背景的融合,以致使紅外成像探測系統(tǒng)失效。當輻射對比度控制在±0.02時 ,在 3 ～5μm波段以及8～ 14μm 波 段存在一定范圍ΔE′1、ΔE′2的 光照區(qū)域,可以使目標的對比度降低到±0.02的范圍之內(nèi),在 8～14μm 波 段的 調(diào)節(jié)范圍大于3～5μm波段的調(diào)節(jié)范圍,說明8～14μm功率利用效率比3～5μm波段的利用效率高。一般情況下,對于大多數(shù)地面常溫目標而言,8～14μm波段比3～5μm波段更具有實際應用意義;但是在實際實現(xiàn)過程中,3～5μm波段容易實現(xiàn),而 8～ 14μm 波段實現(xiàn)比較困難,這是由于功率與光譜利用率是互相制約的,功率的增大會導致光譜的改變,功率越大,8～14μm波段的光譜利用率越低。同理,當采用固定光照功率的光源可對目標發(fā)射率在Δε′1、Δε′2、Δε′3范圍內(nèi)的目標實施融合,也可以達到很好的效果。

圖8 目標發(fā)射率與對比度的關(guān)系

4 結(jié)論

通過對人工采用紅外光照射地面目標時目標與背景對比度影響的分析,可以得出主要結(jié)論如下:

1)人工采用紅外光照射地面目標時,目標與背景的對比度將會發(fā)生改變,目標發(fā)射率在0.7～0.95時,采用適當范圍的功率照射目標,可以使目標與背景達到很好的融合效果,從而使紅外探測、識別系統(tǒng)失效;

2)當光源照射功率一定時,對目標的發(fā)射率進行適當?shù)恼{(diào)節(jié),同樣能達到很好的融合效果;

3)在相同的條件下,即照射功率和目標發(fā)射率不變時,對于常溫的地面目標而言,在全波段時光照功率利用率最高,而且也比較容易實現(xiàn)目標與背景的融合。就波段而言,在8～14μm波段光照功率利用率高,而3～5μm波段的光照利用效率低;但是3～5μm波段比8～14μm波段更容易實現(xiàn)目標與背景的融合。

[1] 宣益民,韓玉閣.地面目標與背景的紅外特征[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

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