王 東，趙 威，陳 勇，張巖岫，成 斌，王 冰

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天空背景紅外輻射亮度測量及其對目標(biāo)探測的影響分析

王 東，趙 威，陳 勇，張巖岫，成 斌，王 冰

（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）

天空背景的紅外輻射特征對目標(biāo)偵察探測具有重要意義。利用3μm～5μm中波、8μm～12μm長波紅外測量設(shè)備對天空背景紅外輻射亮度進行了測量，長波波段輻射亮度在3.7～13.6W×m－2×sr－1，中波波段輻射亮度在0.05～0.48W×m－2×sr－1，相同條件長波輻射亮度高于中波輻射亮度1～2個數(shù)量級；隨著觀測角增大，天空背景輻射亮度顯著降低，同時太陽輻射、大氣溫度等因素也對天空背景輻射有較大的影響。利用測量結(jié)果仿真分析了天空背景輻射對目標(biāo)偵察探測距離的影響，結(jié)果表明當(dāng)觀測角由9.6°降低到1.9°時，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)探測距離會減少41.5%～46.2%。

天空背景；紅外輻射亮度；目標(biāo)探測；程輻射；探測距離

0 引言

目標(biāo)與背景紅外輻射特性研究具有重要意義，紅外偵察探測、紅外制導(dǎo)、紅外隱身等技術(shù)的發(fā)展均離不開對目標(biāo)與環(huán)境輻射特性的研究。由于紅外系統(tǒng)對空中目標(biāo)輻射信息的探測均基于一定的天空背景環(huán)境，因此，對天空背景紅外輻射特性的測量及研究具有重要的意義[1-4]。

目前，研究天空背景紅外輻射特性的方法主要有實測法和仿真法。實測法可以直接獲得天空背景紅外輻射亮度，是天空背景紅外輻射特性研究的重要方法。同時，實測數(shù)據(jù)可用于對仿真結(jié)果的修正。近年來，有關(guān)天空背景紅外輻射特性的研究已有不少報道[4-7]。本文采用3～5μm中波、8～12μm長波紅外測量設(shè)備對不同時間、不同方向天空背景紅外輻射亮度進行了測量，給出了輻亮度與觀測角的關(guān)系圖，并對測量結(jié)果進行了分析；最后，利用測量結(jié)果及紅外搜索跟蹤系統(tǒng)作用距離方程，仿真分析了天空背景輻射對目標(biāo)偵察探測的影響。

1 測量設(shè)備及標(biāo)定

測量設(shè)備為中波、長波熱像儀各一套。工作波段分別為3～5μm、8～12μm，探測器為320×256面陣探測器，像元尺寸30μm，焦距400mm。

為了準(zhǔn)確獲得天空背景的紅外輻射亮度，測量前需對測量設(shè)備進行標(biāo)定，測量過程需記錄環(huán)境參數(shù)，包括測量時間、溫度、濕度、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等。

對測量設(shè)備進行標(biāo)定，用測量設(shè)備測量不同溫度黑體的輻射亮度，得到測量設(shè)備的輻亮度響應(yīng)度和其偏移值DN0之間的對應(yīng)關(guān)系，定標(biāo)模型如下[7-8]：

DN＝＋DN0(1)

式中：DN為測量設(shè)備的輸出灰度值；為輻亮度響應(yīng)度；DN0為測量設(shè)備自身光機結(jié)構(gòu)熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流引起的灰度偏移值；為黑體在測量設(shè)備測量波段內(nèi)的輻亮度。

標(biāo)定結(jié)果如圖1所示，其中橫坐標(biāo)為黑體輻亮度(W×m－2×sr－1)，縱坐標(biāo)為測量設(shè)備輸出灰度值DN。

利用最小二乘法對定標(biāo)結(jié)果進行線性擬合，得到長波、中波測量設(shè)備輻亮度響應(yīng)關(guān)系分別為：

圖1 標(biāo)定結(jié)果

DN＝170×＋19000 (2)

DN＝3000×＋20000 (3)

2 天空背景輻射亮度測量結(jié)果及分析

圖2為同一時間段，不同俯仰角天空背景輻射亮度實測值，圖3為不同時間，不同俯仰角天空背景輻射亮度實測值。測量時間為2014年11月2日8時～15時，測量地點為中原某地。測量期間晴天無云，大氣能見度14～28km，地面溫度9.4～16.7℃，濕度17.1%～38.4%，圖中角度表示測試設(shè)備的俯仰觀測角。

從圖2、圖3及測量結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1）測量期間，天空背景長波波段輻射亮度在3.7～13.6W×m－2×sr－1，中波波段輻射亮度在0.05～0.48W×m－2×sr－1，相同條件下兩者相差1～2個數(shù)量級；

2）隨著觀測角增大，天空背景輻射亮度降低，長波波段70°相對0°輻射亮度下將了1/2左右，中波波段70°相對0°輻射亮度下將了3/4左右，從圖中還可以看出，小角度情況下天空背景輻射亮度降低幅度要高于相同條件下大角度情況下的降低幅度；

3）同一時間段，不同方向天空背景輻射亮度略有差別，受太陽輻射影響（8時、10時、15時太陽方位角分別為119.7°、142.0°、228.1°），靠近太陽方向的輻射亮度略高于遠離太陽方向的輻射亮度；

(a) 長波

(b) 中波

圖2 不同俯仰角天空背景輻射亮度實測值（2014-11-2，15:00）

Fig.2 Radiant intensity of sky background at different angles

(a) 長波

(b) 中波

圖3 不同時間天空背景輻射亮度實測值（2014-11-2）

Fig.3 Radiant intensity of sky background at different times

4）不同時間，同一方向天空背景輻射亮度略有差別，受太陽輻射影響，大氣溫度隨之變化。隨著大氣溫度的升高（8時、10時、15時地面溫度分別為9.4℃、13.2℃、16.7℃），天空背景輻射亮度隨之增大。

3 背景輻射對目標(biāo)偵察探測距離的影響分析

從天空背景輻射亮度測量結(jié)果可知，隨著觀測角增大，天空背景輻射亮度降低。對于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，其對目標(biāo)的偵察探測距離不僅取決于目標(biāo)自身輻射的強弱，背景輻射也是制約其偵察探測距離的重要因素。

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)對點目標(biāo)的偵察探測距離方程可由下式表示[9]：

式中：為紅外搜索跟蹤系統(tǒng)偵察探測距離；為信號衰減因子；0為光學(xué)系統(tǒng)口徑；*為波段探測率，0為光學(xué)系統(tǒng)的平均透過率；t為目標(biāo)在視線方向的投影面積；t為目標(biāo)輻射亮度；b為天空背景輻射亮度，a為目標(biāo)到紅外系統(tǒng)之間的路徑輻射亮度；a為波段內(nèi)大氣透過率；d為探測器光敏元面積；D為信號帶寬；SNR為紅外搜索跟蹤系統(tǒng)信噪比。從式(4)可以看出，特定的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)的偵察探測距離不僅決定于系統(tǒng)自身參數(shù)、目標(biāo)在視線方向的投影面積t、目標(biāo)輻射亮度t有關(guān)，還與目標(biāo)所在的背景輻射亮度b、大氣透過率a及路徑大氣亮度a有關(guān)。

文獻[10]計算了某型飛機紅外輻射亮度，利用文中的蒙皮輻射亮度計算結(jié)果，假定某型長波紅外搜索跟蹤系統(tǒng)對文獻[10]中飛機在9.6°觀測角情況下迎頭方向的偵察探測距離為30km。相同氣象條件，且探測器信噪比固定的條件下，利用(4)式仿真計算了該紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在不同觀測角條件下對上述飛機的偵察探測距離，如圖4所示。其中，圖4(a)圖為飛機處于迎頭水平飛行狀態(tài)下的偵察探測距離仿真結(jié)果，圖4(b)圖為飛機處于向紅外搜索跟蹤系統(tǒng)俯沖飛行狀態(tài)下的偵察探測距離仿真結(jié)果。

(a) 水平飛行

(b)俯沖飛行

圖4 偵察探測距離仿真結(jié)果

Fig.4 simulation results of operating range

從圖4可以看出，在目標(biāo)輻射亮度一定的情況下，背景輻射對紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的偵察探測距離具有重要的影響。相對于9.6°觀測角條件下的30km（目標(biāo)相對高度5000m）偵察探測距離，當(dāng)觀測角降低到1.9°時，飛機水平飛行狀態(tài)和俯沖飛行狀態(tài)下的偵察探測距離減小為16.1km（目標(biāo)相對高度530m）、17.6km（目標(biāo)相對高度580m），分別減少了46.2%和41.5%；觀測角升高到15.5°時，飛機水平飛行狀態(tài)和俯沖飛行狀態(tài)下的偵察探測距離分別增大為37.1km（目標(biāo)相對高度9900m）、32.5km（目標(biāo)相對高度8660m），分別增加了23.7%和8.3%?？梢姳尘拜椛鋵δ繕?biāo)偵察探測距離具有顯著影響作用。相對于大觀測角，小觀測角條件下由于背景輻射變化幅度更大，目標(biāo)偵察探測距離變化更為顯著。

4 結(jié)束語

利用中波、長波紅外測量設(shè)備對天空背景輻射亮度進行了測量，經(jīng)分析，相同條件下天空背景長波輻射亮度高于中波輻射亮度1～2個數(shù)量級；天空背景輻射亮度與觀測角、太陽輻射、大氣溫度等因素有較大的關(guān)系，仿真結(jié)果表明天空背景輻射對目標(biāo)偵察探測距離具有顯著影響作用。因此，研究天空背景的紅外輻射亮度具有重要意義，通過長時間、大量的實測及分析研究，建立不同時段、不同地點、不同季節(jié)、不同氣象條件下天空背景輻射亮度數(shù)據(jù)庫，可對目標(biāo)偵察探測、紅外偵察裝備研制及檢測提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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Measurement of Sky Background Infrared Radiant Intensity and Analysis of it￠s Effect on Target Detection

WANG Dong，ZHAO Wei，CHEN Yong，ZHANG Yan-xiu，CHENG Bin，WANG Bin

(,,471003,)

The infrared radiation characteristics of sky background on the target detection has important significance. The sky background infrared radiation intensity was measured by using 3-5μm medium wave and 8-12μm long wave infrared radiation measuring equipment, with 3.7-13.6W×m－2×sr－1radiation brightness in long wave band and 0.05-0.48W×m－2×sr－1radiation brightness in medium wave band. Under the same conditions, long wave radiation brightness is 1-2 magnitude higher than that of medium wave. With the observation angle increases, the brightness of the sky background radiation significantly reduced, and at the same time, solar radiation, air temperature and other factors also have a great effect on the sky background radiation. The measurement results of simulation and analysis of the sky background radiation of target reconnaissance detection range, the results show that when the view angle decreased from 9.6 degrees to 1.9 degrees, infrared search and track system’s detection range will reduce 41.5%-46.2%.

sky background，infrared radiant intensity，target detection，air path radiation，detection distance

TN219

A

1001-8891(2015)09-0774-04

2015-05-11；

2015-06-10.

王東（1978-），男，內(nèi)蒙古磴口人，碩士，工程師，主要研究方向為光電技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：wd.hardman@163.com。