祿曉飛，諶廷政

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高速飛行器多站紅外輻射測量數(shù)據(jù)不一致性分析及解決方案

祿曉飛，諶廷政

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

高速飛行器在大氣層內(nèi)長時間飛行，與空氣摩擦生成幾千度高溫，研究其紅外輻射及熱防護效果是當(dāng)前的熱點。然而用多臺地基紅外輻射測量設(shè)備測量飛行目標(biāo)時，各紅外輻射測量設(shè)備多波段的結(jié)果有著較大差異。首先分析了高速飛行目標(biāo)紅外輻射成像的特點，指出測量結(jié)果存在不一致性的原因，主要有飛行目標(biāo)的方向效應(yīng)、紅外設(shè)備本身的濾波效應(yīng)。然后提出了解決同設(shè)備不同波段處理結(jié)果不一致的方案，包括標(biāo)定數(shù)據(jù)處理、壞像元剔除、雜散能量和反射的星體輻射能量抵消。最后又提出了多站紅外輻射測量設(shè)備處理結(jié)果不一致性分析方案，以及外場試驗方案。

紅外測量；數(shù)據(jù)不一致性；高速飛行器

0 引言

目前高速飛行器已成為國防力量的重要組成部分，對其進行紅外輻射測溫，一方面可考核其熱防護設(shè)計指標(biāo)；一方面通過其輻射能量考核突破防御體系的能力。例如美國高超聲速飛行器研發(fā)過程中遇到的一大技術(shù)難題叫“熱障”，飛行器高速飛行時，與空氣高速摩擦，其周圍空氣溫度急劇升高（達幾千攝氏度），形成嚴(yán)酷的氣動加熱環(huán)境，使一般飛行器結(jié)構(gòu)無法承受而造成破壞[1]。

現(xiàn)有紅外輻射特性測量設(shè)備大都為地基設(shè)備，測量條件和測量精度受大氣環(huán)境、背景因素影響大，在實驗中雖然獲取了大量數(shù)據(jù)，但事后處理中發(fā)現(xiàn)，反演的輻射特征參數(shù)與理論推算結(jié)果差異較大，且同一時刻不同站點的測量結(jié)果也有很大差異，測量數(shù)據(jù)難以反映飛行目標(biāo)的真實特性。究其原因，主要是處理模型、處理方法等問題[2-9]。

1 紅外測量數(shù)據(jù)不一致原因分析

1.1 設(shè)備接收能量成分分析

目前紅外輻射測量設(shè)備大多為地基設(shè)備，在執(zhí)行動態(tài)測量時，焦平面探測器除了接收高速飛行器自身輻射能量t外，不可避免的還要接收來自環(huán)境的雜散能量，雜散能量包括4部分：大氣程輻射a、被目標(biāo)反射的星體輻射p、紅外設(shè)備自身熱噪聲o、地面物體輻射e。再考慮到大氣的衰減作用，設(shè)備接收能量為：

＝1t＋a＋2p＋e＋o(1)

式中：1為大氣對飛行目標(biāo)紅外輻射能量的衰減；2是大氣對星體輻射反射能量的衰減[10]。

1.2 飛行目標(biāo)輻射方向效應(yīng)

飛行目標(biāo)為體目標(biāo)，各部分的溫度是不同的。例如飛機，其發(fā)動機處的溫度最高，外表蒙皮溫度相對來講較低。再比如高速再入大氣層的飛行器，其表面與大氣摩擦，產(chǎn)生大量熱量，造成目標(biāo)溫度急劇升高。在這個過程中，發(fā)生非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)雜的再入物理現(xiàn)象?？諝猱a(chǎn)生激波、電離，目標(biāo)產(chǎn)生燒蝕，燒蝕產(chǎn)物與被加熱、電離的空氣形成尾流等等，擾流、尾流各處的溫度也是不同的，其中激波駐點的溫度最高。

因此，飛行目標(biāo)的輻射能量與輻射方向相關(guān)。例如從飛機尾部進行測量，其輻射能量要遠大于從頭部進行測量。

為獲取高速飛行的高精度軌跡，各紅外輻射測量設(shè)備一般布設(shè)在其飛行軌跡星下點的兩側(cè)，這就使得各紅外輻射測量設(shè)備往往從不同角度去觀測飛行目標(biāo)，因此其測量源本身是不同的。

1.3 紅外設(shè)備濾波效應(yīng)

由于大氣的窗口效應(yīng)，紅外設(shè)備一般工作在短波（1～3mm）、中波（3～5mm）和長波（8～12mm）3個頻帶上。具體截止波長各設(shè)備是不同的，這與紅外設(shè)備的工藝及選用的焦平面探測器型號相關(guān)。而且在相同波長上設(shè)備的響應(yīng)也不同。

另外，紅外設(shè)備在進行動態(tài)測量時，要選擇工作模式，這包括兩項內(nèi)容：積分時間、衰減片檔位。當(dāng)飛行目標(biāo)在百毫秒量級內(nèi)的輻射能量平穩(wěn)變化時，積分時間的影響可看作是線性的；衰減片對設(shè)備頻帶內(nèi)各波長的衰減是不同的，是典型的非線性影響。這樣，即使各設(shè)備從相同視向測量飛行目標(biāo)，由于上述原因，反演出的輻射強度也會有差別。

1.4 亮溫計算模型不適用于高速飛行目標(biāo)

亮溫計算模型是通過紅外設(shè)備輸出的灰度反演目標(biāo)亮度，進而根據(jù)輻射理論使用目標(biāo)本身的發(fā)射率計算溫度，由于是通過輻射亮度計算得到的，這種溫度稱為亮溫。

對于遠程高速飛行目標(biāo)來講，通常計算目標(biāo)亮溫的方法無法計算出準(zhǔn)確的亮溫，目標(biāo)的能量被分散，紅外成像無法反映目標(biāo)真實大小。這主要由3種因素造成：①光學(xué)系統(tǒng)本身模糊成像；②飛行目標(biāo)與紅外輻射測量設(shè)備的相對運動（又稱為目標(biāo)拖尾，如圖1所示）；③大氣抖動。

圖1 高速飛行目標(biāo)成像的拖尾現(xiàn)象

在對高速再入紅外輻射特性的測量中，設(shè)備拍攝到的目標(biāo)像從幾十到幾百個像元不等。而從純光學(xué)成像的角度考慮，目標(biāo)的成像大小小于一個像元。這說明設(shè)備測量到的內(nèi)容不僅僅是飛行目標(biāo)的輻射，還包含有太多復(fù)雜的成分。

2 同設(shè)備不同波段不一致解決方案

同一設(shè)備不同波段的紅外輻射測量具有如下特性：除了測量波段和工作模式不同外，其測量環(huán)境是相同的。由于測量波段不同，輻射強度、亮度并不能作為比較的依據(jù)，只有將各波段測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度才能進行比較。紅外設(shè)備與飛行目標(biāo)相距較遠，目標(biāo)成像模糊；而且飛行目標(biāo)各處的溫度不同，有些相差還較大，因此無法精確地對目標(biāo)某一部位多波段測量結(jié)果進行比較，只能對平均輻射溫度進行比較。

2.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)處理技術(shù)

紅外標(biāo)定數(shù)據(jù)處理是紅外輻射特性數(shù)據(jù)反演的關(guān)鍵，目前通常采用實驗室標(biāo)定方式，然后用實驗室標(biāo)定參數(shù)處理近距離視在靜態(tài)測量數(shù)據(jù)。然而對于外場試驗來講，實驗室標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方式并不適用，這是由兩方面造成的：1）外場拍攝目標(biāo)為高速飛行器，背景為天空，紅外輻射測量受到太陽、地面輻射、大氣的影響，環(huán)境十分復(fù)雜，與實驗室標(biāo)定環(huán)境大不相同；2）外場紅外輻射測量設(shè)備大多為機動設(shè)備，經(jīng)緯儀方艙較小，一般無法采用實驗室適用的平行光管標(biāo)定方式；外場固定式紅外輻射測量設(shè)備可采用通用的平行光管標(biāo)定方式，然而實驗室的工作環(huán)境是可以精確控制的，外場平行光管的工作環(huán)境很難精確控制。這就要求研究以下內(nèi)容：

①分析標(biāo)定方法的光路，即從黑體到探測器的能量傳遞過程，同時考慮標(biāo)定試驗的熱環(huán)境，建立黑體亮度和紅外系統(tǒng)輸出灰度的數(shù)學(xué)關(guān)系；

②分析標(biāo)定過程環(huán)境和飛行環(huán)境能量構(gòu)成；

③標(biāo)定參數(shù)的物理意義。

進而解決如何把外場標(biāo)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)用于飛行試驗測量數(shù)據(jù)中。

2.2 壞像元剔除及熱噪聲統(tǒng)計分析

由于紅外探測器的各個像元輸出具有非均勻性，在標(biāo)定時為每個像元建立定標(biāo)關(guān)系，在執(zhí)行紅外特征反演時將目標(biāo)按像素進行處理。部分探測器器件，壞像元較多，且有連通。當(dāng)目標(biāo)較小時，若成像在連通壞像元處，會造成計算結(jié)果較大誤差，因此需要在標(biāo)定時建立壞像元判斷準(zhǔn)則，標(biāo)識出圖像壞像元位置。在處理測量圖像時，用壞像元附近像元的灰度及標(biāo)定參數(shù)對壞像元進行估計，并作為飛行目標(biāo)的輸出。

熱噪聲是設(shè)備和焦平面探測電路的固有輸出，具體含義為：當(dāng)外界沒有能量輸入時，紅外設(shè)備的輸出。通過數(shù)據(jù)分析，對熱噪聲進行統(tǒng)計分析，將其作為誤差來源，進行精度估計。

2.3 雜散能量抵消技術(shù)

由于飛行動態(tài)測量熱環(huán)境和外場標(biāo)定熱環(huán)境是不同的，大氣程輻射a、地面物體輻射e這些雜散能量無法通過標(biāo)定進行計算。

大氣程輻射a指紅外設(shè)備和飛行目標(biāo)之間的大氣輻射，目前通過大氣透過率軟件進行計算。但通過實際驗證，其計算精度不高；而且地面物體熱輻射無法直接測量。

因此需要通過背景抵消技術(shù)從飛行目標(biāo)中扣除這部分能量。對于高速飛行目標(biāo)紅外測量圖像，目標(biāo)成像面積一般較小，可把紅外測量圖像分為背景區(qū)域（B）和目標(biāo)區(qū)域（A）。根據(jù)上述分析，紅外圖像上飛行目標(biāo)區(qū)域的能量除了飛行器本身熱輻射，還包括大氣程輻射、紅外測量設(shè)備本身熱輻射，地面雜散輻射等，這些雜散輻射也在背景區(qū)域中體現(xiàn)，因此為了計算高精度的目標(biāo)紅外輻射強度，需要利用背景區(qū)域的灰度把雜散輻射從目標(biāo)灰度中扣除。

1）單幀圖像背景抵消

由于目標(biāo)距離紅外輻射測量設(shè)備較遠，目標(biāo)區(qū)域占整幅圖像的比例較小，而且天空背景輻射并不均勻，因此在進行飛行目標(biāo)提取之后，選擇緊鄰飛行目標(biāo)的像元當(dāng)作背景。令M(,)表示動態(tài)跟蹤測量圖像(,)處的灰度，記(,)為紅外系統(tǒng)(,)像元的響應(yīng)度。

對目標(biāo)像元(y,x)，?，其灰度為：

M(y,x)＝[1(y,x)＋2(y,x)](y,x)＋(y,x) (2)

式中：1(y,x)表示目標(biāo)在像元(y,x)上的輻照度；2(y,x)表示背景能量（大氣程輻射、環(huán)境雜散）在像元(y,x)上的輻照度；(y,x)表示像元(y,x)產(chǎn)生的固定輸出。

對背景像元(y,x)，?，其灰度為：

M(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (3)

由于選擇目標(biāo)近鄰的像元作為背景像元，可認(rèn)為在像元(y,x)和(y,x)上背景輻照度是相等的，即2(y,x)＝2(y,x)。選擇多個背景像素，計算平均背景輻照度：

目標(biāo)輻照度：

2）額外背景圖像抵消方法

標(biāo)定環(huán)境和外場動態(tài)跟蹤測量環(huán)境是不同的，這樣通過標(biāo)定計算得到的參數(shù)(,)并不能直接應(yīng)用到動態(tài)跟蹤測量圖像中，即通過式(5)計算的目標(biāo)輻照度具有一定的誤差。因此，本節(jié)提出了一種利用外場跟蹤測量前的背景圖像進行背景抵消的方法。

在動態(tài)跟蹤測量之前，拍攝天空紅外圖像作為背景圖像，令0(,)表示背景圖像(,)處的灰度，跟蹤測量圖像灰度仍記為M(,)。

1）目標(biāo)像元

對于屬于目標(biāo)的像元(y,x)，?，在背景圖像和跟蹤測量圖像中的輸出為：

0(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (6)

M(y,x)＝(y,x)＋[2(y,x)＋D2(y,x)＋

1(y,x)](y,x) (7)

式中：D2(y,x)表示跟蹤測量圖像相對于背景圖像背景能量的變化量。且(y,x)是跟蹤測量時的固定輸出，與通過標(biāo)定參數(shù)計算得到固定輸出是不同的，通過式(7)－式(6)可把(y,x)扣除：

M(y,x)－0(y,x)＝[D2(y,x)＋1(y,x)](y,x) (8)

(y,x)處飛行目標(biāo)的能量1(y,x)為：

2）背景像元

對于屬于背景的像元(y,x)，?，，在背景圖像和跟蹤測量圖像中的輸出為：

M(y,x)＝(y,x)＋[2(y,x)＋D2(y,x)](y,x) (10)

0(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (11)

式(10)－式(11)，可得：

M(y,x)－0(y,x)＝D2(y,x)(y,x) (12)

通過(12)可計算(y,x)處背景能量的變化量：

由于選擇目標(biāo)近鄰的像元作為背景像元，可認(rèn)為在像元(y,x)和(y,x)上背景輻照度的增量是相等的，即D2(y,x)＝D2(y,x)。選擇多個背景像素，計算平均背景輻照度增量：

把式(14)帶入到式(9)中，計算目標(biāo)輻照度：

2.4 星體輻射反射能量計算

被飛行目標(biāo)反射的星體輻射p主要來源于兩部分：太陽輻射和地球輻射，為精確計算經(jīng)飛行目標(biāo)反射的能量，除了要計算太陽、地球的輻射能量外，還要已知飛行目標(biāo)的雙向反射分布函數(shù)（BRDF），其表示了不同入射角條件下物體表面在任意觀測角的反射特性，是光輻射的反射輻亮度和入射輻照度的比值，其數(shù)學(xué)表達式為：

式中：i，i為入射光的入射角和方位角；r，r為反射光的反射角和方位角；r是面元d經(jīng)照射后在r，r方向上的輻射亮度；i是i，i方向上入射光產(chǎn)生的表面輻射度。通過對飛行目標(biāo)表面積、測量設(shè)備接收頻帶積分可得到測量設(shè)備接收的反射能量：

式中：為目標(biāo)微面元d的法線與太陽光方向的夾角；￠為目標(biāo)微面元d的法線與地球及大氣反射的太陽光夾角；為目標(biāo)微面元d的法線與測量方向的夾角；sun()為對應(yīng)波長太陽光譜輻照度；1為飛行目標(biāo)面元d相對于太陽的雙向反射分布函數(shù)；2為飛行目標(biāo)面元d相對于地球的雙向反射分布函數(shù)；為地球及其大氣系統(tǒng)對太陽光的反照率；為太陽與飛行目標(biāo)的距離。

對于白天中段大氣層外的目標(biāo)，太陽輻射是主要的加熱方式，飛行目標(biāo)很快達到較低的平衡溫度，星體反射能量不能忽略不計，而且大氣層外飛行目標(biāo)仍能保持外形，可用雙向反射分布函數(shù)計算反射的能量。由于飛行目標(biāo)再入時，外形及摩擦使得雙向反射分布函數(shù)不再適用，但由于再入段最主要紅外輻射來自于氣動加熱，反射能量可忽略。

2.5 飛行目標(biāo)輻射溫度反演技術(shù)

由于光學(xué)系統(tǒng)本身模糊成像、飛行目標(biāo)與紅外輻射測量設(shè)備的相對運動和大氣抖動使得目標(biāo)的能量被分散，紅外成像無法反映目標(biāo)真實大小，因此可采用以下方法計算飛行目標(biāo)的平均輻射溫度：

1）獲取目標(biāo)的姿態(tài)角，通過太陽位置、飛行目標(biāo)的雙向反射分布函數(shù)及表面形式計算目標(biāo)反射亮度r。

2）提取目標(biāo)，計算目標(biāo)輻射亮度。得到目標(biāo)的像素序列，像素數(shù)目為，根據(jù)公式(18)計算目標(biāo)的輻射亮度：

式中：DN為第個像素的響應(yīng)；K和B是第個像素的標(biāo)定參數(shù)。

3）計算背景輻射亮度

4）計算目標(biāo)輻射強度

令表示紅外輻射測量設(shè)備與飛行目標(biāo)的距離，由下式計算目標(biāo)輻射強度：

5）計算目標(biāo)輻射亮度

令fly表示飛行目標(biāo)對于紅外設(shè)備的視在面積，由下式計算目標(biāo)等效黑體輻射亮度：

BB＝fly/(fly) (21)

扣除飛行目標(biāo)反射亮度r，得到飛行目標(biāo)自身輻射亮度＝BB－r：

＝fly/(fly)－r(22)

6）根據(jù)等效黑體輻射亮度尋找溫度。

2.6 地面靜態(tài)試驗對比分析

因此在知道目標(biāo)輻射源的溫度、發(fā)射率等條件下，可以通過對輻射理論的深入研究，建立同一設(shè)備不同波段間數(shù)據(jù)比對分析模型。

3 不同設(shè)備同一波段測量不一致解決方案

不同設(shè)備同一波段的紅外輻射測量則相對復(fù)雜，除了波段相同以外，其他的外部測量影響因素均不相同。所以在理論建模時，需要考慮到目標(biāo)的形狀、姿態(tài)、環(huán)境以及處理方法等多種因素。

3.1 處理方法統(tǒng)一化

不同的紅外輻射測量設(shè)備來自不同研制單位，標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法和動態(tài)測量圖像處理方法均不同，甚至處理結(jié)果的量綱也不都相同。因此為使得處理結(jié)果有可比性，需要統(tǒng)一多種紅外設(shè)備的處理方法。而對于紅外輻射測量設(shè)備來說，其測量結(jié)果為不同類型參數(shù)，之間的數(shù)據(jù)一致性分析需要建立統(tǒng)一的量綱。

3.2 多設(shè)備測量結(jié)果不一致統(tǒng)計分析

為消除飛行目標(biāo)輻射能量的方向性，對不同設(shè)備的不一致性進行統(tǒng)計分析，需要把外場活動紅外測量設(shè)備布設(shè)在固定設(shè)備處，用相同視向角對飛行目標(biāo)進行測量，消除飛行目標(biāo)輻射方向性的影響。

3.3 多設(shè)備不同站址不一致性統(tǒng)計分析

由于飛行目標(biāo)輻射的方向性，在開展多臺設(shè)備紅外輻射測量數(shù)據(jù)一致性分析時，要計算測量設(shè)備與飛行目標(biāo)軸線的視向角，建立時間、視向角、輻射強度的關(guān)系，即＝(,)?？筛鶕?jù)遙測數(shù)據(jù)獲取彈頭目標(biāo)的姿態(tài)，從中計算出目標(biāo)矢量，聯(lián)合紅外設(shè)備方位角和俯仰角計算視向角。與此同時，預(yù)先測量目標(biāo)的輻射量或者對其進行理論計算，找出實際動態(tài)測量中保持平穩(wěn)的時段，用實測數(shù)據(jù)進行比對分析，對不一致性進行統(tǒng)計分析。

4 外場試驗

為進行驗證，可考慮3種類型外場實驗：

1）一是不同溫度的同一熱源的多設(shè)備遠距離靜態(tài)標(biāo)校實驗。

2）二是測量飛行試驗主動段尾焰輻射。飛行主動段，尾焰成像大，且其溫度場數(shù)據(jù)動靜態(tài)差異小，可作為參考對象，驗證紅外輻射測量設(shè)備測量數(shù)據(jù)的不一致性[11]。

3）三是測量天體輻射。根據(jù)各輻射測量儀器性能和波段特性，選擇同一天體（例如月球）進行輻射測量，對其測量結(jié)果進行不一致性比對分析。針對不同紅外輻射特性測量設(shè)備一致性修正問題，開展多設(shè)備聯(lián)合跟星或跟蹤同一目標(biāo)實驗。通過同場地觀測實驗、異地觀測實驗、不同角度觀測實驗，摸索差異形成的主要因素，驗證相關(guān)修正模型。

而對于飛行主動段，尾焰輻射面積大，有較準(zhǔn)確的溫度場數(shù)據(jù)。尾焰輻射可作為標(biāo)準(zhǔn)來驗證測量數(shù)據(jù)。通過近距離布站，可以獲取清晰的目標(biāo)像。開展多臺紅外輻射測量設(shè)備主動段跟蹤測量實驗，測量飛行主動段本體及尾焰輻射，可以獲取滿足多設(shè)備紅外輻射測量數(shù)據(jù)一致性分析條件的測量數(shù)據(jù)。再對獲取的多設(shè)備紅外輻射測量數(shù)據(jù)進行一致性分析。

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Method of Analyzing and Solving Inconsistency of Infrared Data Measured by Devices at Different Locations for High-speed Aircraft

LU Xiao-fei，SHEN Ting-zheng

(,732750,)

The high-speed aircraft flies in atmosphere for a long time and the friction between aircraft and air makes huge thermal energy. Measuring the infrared energy of high-speed flying aircraft to verify the design of heat protection system is the hot topic. Generally many infrared optic systems at different locations are applied to measure infrared energy of the same flying aircraft, but the results of these infrared optic systems are not consistent. This paper firstly analyzes the characteristics of high-speed flying targets imaging, then points out the reasons which make the inconsistent results, such as infrared energy of targets is relevant with the direction of infrared emission and the optical system can only receive infrared energy within specific bandwidth. Then the methods dealing with inconsistent results of different bands of one infrared optical system are proposed, which includes computing calibration data, finding dead pixels, delimiting stray energy of background and reflected energy of sun and earth by the aircraft. Finally, the methods of analyzing the inconsistent results of different infrared systems and field experiments for verification are proposed.

infrared measurement，inconsistency of data，high-speed aircraft

O434.31-34

A

1001-8891(2015)05-0435-06

2014-12-04；

2015-02-10.

祿曉飛（1981-），男，博士，工程師，主要從事紅外輻射測量、紅外圖像、紅外設(shè)備等方面的研究工作。E-mail：luxf08@163.com。