柴國慶,李武周,周 哲

(中國洛陽電子裝備試驗中心 光電對抗測試評估技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471003)

引言

煙幕遮蔽干擾是以改變光電信號的傳輸介質(zhì)特性，實現(xiàn)對光電觀瞄、制導(dǎo)等設(shè)備進行干擾的一種無源對抗方式[1]。煙幕作為一種主動式無源干擾器材，具有速度快、易實施、效率高等優(yōu)點，但不足是受氣象因素影響明顯。煙幕一般而言是用于對抗重要軍事威脅的最后防御手段，按照防御系統(tǒng)層次劃分，煙幕的作用距離約為4 km～7 km。煙幕遮蔽效果因發(fā)煙器材和防御方式存在差異。根據(jù)煙幕作戰(zhàn)使用方式，可分為噴撒、爆炸和噴射等煙幕；根據(jù)煙幕成煙材料，可分為化學(xué)合成、高溫燃燒和粉塵等煙幕；根據(jù)煙幕防護地域環(huán)境，可分為白色、黑/白組合和彩色等煙幕。目前，國內(nèi)外關(guān)于煙幕遮蔽干擾測量方法已開展了大量的研究，主要有煙幕采樣分析法、數(shù)值推算模擬法、煙霧實驗箱分析法和煙幕衰減率數(shù)據(jù)陣列法等，不同的測量方法用于不同的測量對象和環(huán)境。本文針對地面煙幕罐噴射彩色煙幕遮蔽干擾的特點，提出一種基于RGB色彩模式的彩色煙幕遮蔽效果的測量方法。

1 噴射式彩色煙幕的遮蔽原理

根據(jù)對抗防護需要、地形特點和氣象條件等因素，統(tǒng)籌設(shè)計地面煙幕罐布設(shè)位置和噴射方向，地面煙幕罐通過其內(nèi)外大氣壓力差的相互作用，噴射形成具有大面積遮蔽干擾效果的彩色粉塵煙幕。一是煙幕對目標的紅外輻射強度產(chǎn)生吸收、反射和散射等衰減作用，降低目標與周圍背景的對比度，消減光學(xué)探測和目標反射的信號傳輸能力；二是彩色煙幕遮蔽目標后能夠消除目標的光學(xué)特征，使目標圖像被有效遮蔽而不能分辨，使偵察設(shè)備難以從偵察區(qū)域背景中發(fā)現(xiàn)和識別預(yù)定目標。

2 RGB色彩模式的顏色空間模型

三基色原理：選取3種基色(紅、綠、藍)，按不同的比例進行合成，可以產(chǎn)生豐富的顏色，合成彩色光的亮度由3個基色的亮度之和決定，色度由三基色分量的比例決定[2-4]。國際照明委員會(CIE)推薦使用波長分別為700 nm(紅)、546.1 nm(綠)、435.8 nm(藍)的光譜色為三基色，并用(R)、(G)、(B)表示。每一種顏色按其亮度的不同分為256個等級。當(dāng)三基色重疊時，由不同的混色比例能產(chǎn)生各種中間色，所以，RGB模式常用于視頻和多媒體設(shè)計。RGB顏色空間[5-9]是用一個單位長度的立方體表示顏色，黑藍綠青紅紫黃白8種常見顏色分別為立方體的8個頂點，如圖1所示。

RGB顏色空間模型圖中各參數(shù)的取值范圍為0～255，紅綠藍分量組合83×83×83=16 777 216種不同的顏色。數(shù)碼圖像處理設(shè)備的顏色系統(tǒng)就是采用RGB色彩模式，可顯示任何采集物體的彩色圖像。

圖1 RGB顏色空間模型圖Fig.1 RGB color space model diagram

3 采用RGB色彩模式評估彩色煙幕遮蔽性能的方法

3.1 采用RGB色彩模式評估彩色煙幕色度

通過查閱資料，目前尚無對彩色煙幕色度進行測量的方法，針對彩色煙幕的遮蔽效果使目標光學(xué)特征消減這一特點，提出按照主觀判斷和客觀測量相結(jié)合的方法評估彩色煙幕色度。

主觀判斷法：用高清數(shù)碼攝像機拍攝彩色煙幕的視頻，4名視力、色覺正常的人員獨立觀察煙幕視頻，對煙幕顏色作出主觀判斷。

客觀測量法：用高清數(shù)碼照相機拍攝彩色煙幕的照片，編寫MATLAB程序，采集彩色煙幕數(shù)碼照片彩色煙幕區(qū)域中各像素點的RGB色彩模式數(shù)據(jù)，一組RGB色彩模式數(shù)據(jù)值對應(yīng)唯一的彩色煙幕色度。采集數(shù)碼照片中像素點RGB數(shù)據(jù)的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

imshow(img)

圖2 彩色數(shù)碼照片像素點的RGB色彩模式值Fig.2 RGB color mode of color digital photos point

如圖2所示，統(tǒng)計煙幕遮蔽區(qū)域內(nèi)各像素點出現(xiàn)概率較大的RGB色彩模式數(shù)據(jù)值，用于定量表示彩色煙幕的色度。目前，通過主觀判斷和客觀測量相結(jié)合的方法提高了彩色煙幕色度的評估措施。

3.2 煙幕形成時間的測量方法

煙幕設(shè)備的形成時間是指接到成煙指令至形成規(guī)定有效遮蔽煙幕面積的時間。一般情況下根據(jù)被保護目標地域的綜合情況，選擇設(shè)計配置煙幕設(shè)備的煙幕形成方式、成煙材料和煙幕顏色等。

煙幕彈爆炸后在短時間內(nèi)形成以爆點為中心近似球體狀的煙幕，此時在距離爆點中心處煙幕濃度大、距中心越遠煙幕濃度越小，在爆炸初期的煙幕有效遮蔽面積受大氣條件的影響較小。而地面煙幕罐噴射初期時形成多個近似柱狀的彩色粉塵煙幕，此時在內(nèi)外壓力作用下噴射的煙幕濃度很高，形成有效遮蔽面積的擴散效果會受煙幕罐噴射動力和大氣條件的影響。

不同煙幕設(shè)備的工作方式對煙幕形成時間測量的要求和方法也存在差異。

1) 衰減率數(shù)據(jù)矩陣插值法

目前對煙幕形成時間的野外測量方法是依據(jù)GJB6092.1-2007[10]的主要方法：在各采樣時刻紅外成像設(shè)備分別測量錄取多個紅外源陣列點的衰減率數(shù)據(jù)，按紅外成像設(shè)備的焦平面陣列插值，得到焦平面陣列所有像元對應(yīng)的衰減率數(shù)據(jù)矩陣，如圖3和圖4所示，Apq代表紅外源陣列遮蔽率數(shù)據(jù)，X代表插值計算得出的衰減率數(shù)據(jù)；將各采樣時刻對應(yīng)的衰減率數(shù)據(jù)與規(guī)定的衰減率閾值進行比對，衰減率大于閾值的像元為有效遮蔽像元，取值為1，反之為0。

圖3 衰減率數(shù)據(jù)矩陣插值示意圖Fig.3 Diagram of attenuation rate data matrix interpolation

圖4 衰減率數(shù)據(jù)矩陣與閾值比對示意圖Fig.4 Diagram of attenuation data matrix compared with threshold value

統(tǒng)計各采樣時刻衰減率數(shù)據(jù)矩陣為1的像元個數(shù)ni、像元面積s、煙幕與測量設(shè)備距離L、紅外成像設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)焦距f、第i個采樣時刻煙幕有效遮蔽面積Si，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)物、像投影關(guān)系得：

(1)

上述方法主要用于測量煙幕彈爆炸后在短時間內(nèi)形成以爆點為中心近似球狀煙幕的形成時間，因為煙幕彈爆炸初期的球狀煙幕能夠覆蓋較多紅外源，采集的煙幕衰減率值滿足數(shù)據(jù)采集處理需要。但是采用該方法測量地面煙幕罐噴射煙幕的形成時間時，會產(chǎn)生較大的誤差。因為地面煙幕罐噴射煙幕初期形成多個柱狀彩色煙幕，如圖5所示，若某個柱狀煙幕形成在2列紅外源之間，測試有效煙幕遮蔽面積變小、形成時間變大；若某個柱狀煙幕正好將一列紅外源遮蔽，測試有效煙幕遮蔽面積變大、形成時間變??；統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明該方法用于測量噴射煙幕形成時間時測量誤差約為30%～50%。

圖5 彩色煙幕噴射初期遮蔽示意圖Fig.5 Color smokescreen obscured diagram in early jet

2) 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣法

地面煙幕罐噴射初期時形成的彩色煙幕濃度很大，衰減率接近100%，彩色煙幕與地面背景區(qū)域的圖像界限涇渭分明，可以采用RGB色彩模式測量彩色煙幕形成時間。主要方法是：各采樣時刻連續(xù)拍攝彩色煙幕數(shù)碼照片，采集各像素點的RGB色彩模式數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)碼照片中彩色煙幕及附近區(qū)域所有像素點對應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)矩陣，如圖6和圖7所示，將各采樣時刻的彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣與規(guī)定背景彩色色度進行比對，彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)的彩色色度滿足規(guī)定色度的像素點為有效像素點，取值為1，反之為0。采集彩色數(shù)碼照片中任意像素點RGB數(shù)據(jù)矩陣的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

h=imshow(img);

[X,Y,I,rect] = imcrop(h)

圖6 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣示意圖Fig.6 Diagram of color smokescreen RGB data matrix

圖7 彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣與規(guī)定背景比對示意圖Fig.7 Diagram of color smokescreen RGB data matrix compared with provided background

統(tǒng)計各采樣時刻RGB數(shù)據(jù)矩陣有效遮蔽像素點個數(shù)n，采用公式(1)計算不同采樣時刻的彩色煙幕有效遮蔽面積，得出從接到指令至形成規(guī)定有效遮蔽煙幕面積時間即為形成時間。

采用RGB數(shù)據(jù)矩陣法測量噴射煙幕遮蔽面積的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

煙幕在逐漸形成過程中，由于煙幕濃度高、衰減率大，其有效遮蔽面積逐漸增大，對預(yù)定區(qū)域的遮蔽效果明顯，產(chǎn)生的煙幕能夠遮蔽區(qū)域內(nèi)目標和背景的主要光電輻射特性，干擾光電觀瞄和精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的威脅，從而達到防護遮蔽的效果。

圖8 噴射初期的有效煙幕遮蔽面積Fig.8 Effective smokescreen shield area in early jet

圖9 噴射形成規(guī)定的有效煙幕遮蔽面積Fig.9 Prescribed effective smokescreen shield area formed by jet

采用彩色煙幕RGB數(shù)據(jù)矩陣法成功測量彩色煙幕形成時間，重點在于數(shù)碼照相機的像素數(shù)明顯多于紅外成像設(shè)備像元數(shù)，采樣的有效數(shù)據(jù)量大。解決了由煙幕的形狀及形成方式、紅外源陣列的數(shù)量及布設(shè)方式等因素引起的系統(tǒng)誤差，經(jīng)分析該方法對噴射煙幕形成時間的測量精度提高到了90%以上。所以采用RGB數(shù)據(jù)矩陣法測量彩色煙幕形成時間具有測量精度高、便于數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點。

4 結(jié)論

彩色煙幕隨著時間和氣象條件的變化從無到有、持續(xù)擴散，形成有效遮蔽煙幕，保護重要目標免于精確制導(dǎo)武器的攻擊。但是彩色煙幕的遮蔽效果受條件影響因素較多，所以能夠準確評估彩色煙幕的性能具有重要意義，本文采用RGB色彩模式的彩色煙幕遮蔽效果測量方法，可用于解決評估彩色煙幕遮蔽效果中的煙幕色度和煙幕形成時間難題，具有高精度和高適用性。

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