鄒前進，陳前榮，郝永旺，楊淼淼，劉連偉，姚 梅

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高低海拔地區(qū)地面目標可見光對比度對比分析

鄒前進，陳前榮，郝永旺，楊淼淼，劉連偉，姚 梅

（洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

高低海拔地區(qū)氣象環(huán)境迥異，將對可見光目標背景對比度產(chǎn)生影響。通過分析高低海拔地區(qū)到達探測系統(tǒng)前目標可見光對比度隨月份變化，得到高海拔地區(qū)目標背景對比度優(yōu)于低海拔地區(qū)。分析了高海拔地區(qū)太陽直射照度隨氣象參數(shù)變化、高低海拔地區(qū)輻射參數(shù)隨月份的變化，指出高海拔地區(qū)能見度是影響其目標背景對比度的主要因素。各個月份平均氣象條件下高海拔地區(qū)目標背景亮度約為低海拔地區(qū)一倍以上，將使得在低海拔地區(qū)使用的可見光探測系統(tǒng)直接飽和。

可見光探測系統(tǒng)；對比度；高海拔；實測氣象數(shù)據(jù)

0 引言

利用可見光進行目標探測，是高技術(shù)戰(zhàn)爭中獲取戰(zhàn)場信息的重要手段之一[1]。在可見光波段，目標物體輻射主要來自于其本身對可見光的反射[2]。而在戶外成像過程中，由于受到大氣分子和氣溶膠粒子的吸收和散射，太陽直射、天空背景散射等受氣象環(huán)境參數(shù)的影響十分嚴重[3]。當前分析大氣光學參數(shù)對成像質(zhì)量的影響、建立圖像退化的光學模型[3-5]和建立各階段物理效應(yīng)模型是研究熱點[6-9]。

高海拔地區(qū)氣候具有晝夜溫差大、大氣壓強低等特點，開展高海拔和低海拔地區(qū)氣象環(huán)境對目標和背景影響對比分析，對可見光軍事探測設(shè)備的設(shè)計、使用和仿真等具有重要意義。本文結(jié)合實測的高海拔和低海拔地區(qū)整年月平均壓強、溫度、濕度和能見度等氣象數(shù)據(jù)，對比分析了高低海拔地區(qū)到達可見光探測系統(tǒng)前目標背景對比度變化，并分析了產(chǎn)生不同變化的原因。

1 目標背景傳輸分析

目標與背景之間的對比度是探測系統(tǒng)所能獲得的最終特征，通過對目標與背景的對比度進行分析，將目標與背景區(qū)分開來，從而實現(xiàn)對目標的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤[9-10]，目標和背景輻射傳輸過程如圖1所示。因此，對比度是目標探測與信息處理中的一個非常重要的參量，也是探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別目標的基本依據(jù)。

圖1 目標背景輻射傳輸過程示意圖

在大多數(shù)的目標捕獲模型中，在目標到探測系統(tǒng)前接收到的目標背景對比度定義如式(1)所示[9]：

式中：Ts和Bs分別為目標和背景輻射亮度：

Ts＝T(0)·()＋P()

Bs＝B(0)·()＋P()

式中：()為路徑透過率；p()為路徑輻射；T(0)為零距離目標輻射；B(0)為零距離目標輻射背景。

由圖1，可見光波段目標和背景輻射亮度主要來源于其表面對太陽直射、天空背景散射和地物陽光反射等輻射的反射。典型情況下平原地區(qū)地面附近太陽直射照度為100～300Wm－2，高原地區(qū)地面附近太陽直射照度甚至可達400Wm－2，遠大于天空背景散射和地物陽光反射，因此本文使用下式(2)計算目標和背景零距離處輻射亮度：

式中：(0)為零距離目標或背景輻射亮度；sun為太陽直射照度；為目標或背景反射率。

定義(0)為零距離情況下固有對比度，此時路徑透過率為1，路徑輻射為0，形式如式(1)。假定目標和背景為朗伯體時，目標和背景的固有對比度主要取決于目標和背景的反射率。則經(jīng)推導對比度式(1)可表示為下式(3)：

式中各參數(shù)與上式相同。

氣象條件主要影響太陽直射、路徑輻射、路徑透過率等，導致目標背景對比度變化。

2 不同海拔地區(qū)可見光目標背景分析

2.1 不同海拔地區(qū)可見光對比度隨月份變化

在獲得不同海拔地區(qū)氣象參數(shù)情況下，太陽直射、天空背景散射、路徑背景輻射和路徑透過率等參數(shù)可借助各種大氣輻射傳輸模型或軟件進行計算獲得。本文選擇MODTRAN4.0來計算太陽輻射、背景輻射、路徑輻射和路徑透過率等。

假定高海拔和低海拔地區(qū)目標、背景的反射率一致，(0)為0.5。仿真參數(shù)為：高低海拔地區(qū)海拔高度分別為：4416m和124m；氣溶膠類型為中緯度鄉(xiāng)村氣溶膠模式；時間取每月21日上午9時；氣象條件為高海拔和低海拔地區(qū)2014年月平均溫度、濕度、壓強和能見度實測值。由式(3)，5km處目標背景對比度隨月份變化如圖2所示。

圖2 高低海拔地區(qū)目標背景對比度隨月份變化

由圖2可以看出，高海拔地區(qū)目標和背景可見光對比度下降程度隨月份變化程度遠小于低海拔地區(qū)。

2.2 氣象條件影響分析

圖3給出了高低海拔地區(qū)某一時刻，太陽照度隨氣象參數(shù)的變化。仿真過程中，當改變某一參數(shù)時，其他參數(shù)使用當?shù)貙崪y數(shù)據(jù)。

圖3 高低海拔地區(qū)太陽照度隨氣象條件變化

由圖3可知，溫度和濕度對太陽直射影響較小。統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)顯示高海拔地區(qū)大氣壓在600hPa左右；低海拔地區(qū)大氣壓強在1000hPa左右，波動范圍約幾十百帕，則壓強對太陽直射影響較小。由圖3(d)，太陽照度隨能見度變化較為劇烈，但能見度在20km后，太陽照度變化較為平緩。典型情況下，低海拔地區(qū)能見度一般為5～25km，處于太陽直射照度劇烈變化區(qū)域；高海拔地區(qū)能見度高達20～50km，處于太陽直射照度平緩區(qū)域。所以高低海拔地區(qū)能見度的差異是影響可見光波段目標背景對比度的主要原因。

圖4給出了高海拔和低海拔地區(qū)太陽直射、天空背景輻射、路徑輻射和路徑透過率隨月份的變化。

圖4 高低海拔地區(qū)不同參數(shù)計算結(jié)果隨月份變化

由圖4，由于能見度較高，高海拔地區(qū)路徑透過率大于低海拔地區(qū)、天空背景輻射和路徑輻射小于低海拔地區(qū)共同造成了高海拔地區(qū)目標背景對比度優(yōu)于低海拔地區(qū)；作為主要輻射源，高海拔地區(qū)太陽直射照度是低海拔地區(qū)兩倍，使得高海拔地區(qū)目標和背景輻射遠大于低海拔地區(qū)，將對可見光探測系統(tǒng)目標探測產(chǎn)生影響。

2.3 小結(jié)

通過分析高低海拔地區(qū)目標背景可見光波段對比度變化可以看出：高海拔地區(qū)到達光學系統(tǒng)前目標和背景對比度優(yōu)于低海拔地區(qū)。主要原因是：高海拔地區(qū)不同月份平均能見度優(yōu)于低海拔地區(qū)。但上述分析建立在高低海拔地區(qū)目標、背景的輻射均處于探測系統(tǒng)線性范圍內(nèi)，同時未考慮探測系統(tǒng)背景噪聲和光學系統(tǒng)雜散輻射等。由上述計算：各個月份平均氣象條件下，高海拔地區(qū)目標和背景亮度約為低海拔地區(qū)一倍以上，將使得在低海拔地區(qū)正常使用的可見光探測系統(tǒng)直接飽和。所以高海拔地區(qū)使用的可見光探測系統(tǒng)需考慮加裝衰減裝置和雜光抑制手段。

3 結(jié)論

本文對高低海拔地區(qū)到達探測系統(tǒng)前目標可見光對比度隨月份變化進行了分析。通過分析高低海拔地區(qū)太陽直射照度隨氣象參數(shù)變化、高低海拔地區(qū)太陽直射、路徑輻射和透過率等隨月份的變化，指出高海拔地區(qū)良好的能見度是造成高海拔地區(qū)目標背景對比度優(yōu)于低海拔地區(qū)的主要原因。但高海拔地區(qū)目標背景亮度約為低海拔地區(qū)一倍以上，將使得在低海拔地區(qū)正常使用的可見光探測系統(tǒng)直接飽和，高海拔地區(qū)使用可見光探測系統(tǒng)需考慮加裝衰減裝置和雜光抑制手段。

本文研究結(jié)果對可見光探測系統(tǒng)高海拔應(yīng)用和設(shè)計具有參考意義。但需要進一步開展高原強可見光背景輻射、低溫和低壓等對可見光探測系統(tǒng)響應(yīng)的影響效應(yīng)研究。

[1] Huschke R E.[M]. New York: The Rand corporation, 1976: 16-28.

[2] Bailey H H.[M]. New York: The Rand corporation, 1970: 32-36.

[3] D Sadot, N S Kopeika. Imaging through the atmosphere: practical instrumentation-based theory and verification of aerosol modulation transfer function[J]., 1993, 10(1): 172-179.

[4] N. s. Kopeika, T. Sheayik, Z. Givati, et al. Restoration of satellite image based on atmospheric MTF[C]//, 1996, 2817: 106-117.

[5] N. s. Kopeika. Aerosol modulation transfer function:an overview[C]//, 1997, 3125: 214-225.

[6] Y Yitzhaky, I Dror, N S Kopeika. Restoration of atmosphereically blurred images according to wether predicted atmospheric modulation transfer function[J]., 1997, 36(11): 3064-3072.

[7] 寧殿艷. 星載推掃型紅外傳感器建模與仿真[D].西安: 西安電子科技大學, 2008: 3-5.

NING Dianyan. Modeling and simulation of spaceborne pushbroom infrared imaging sensor[D]. Xi’an: Xidian University, 2008: 3-5.

[8] 吳振森, 竇玉紅. 空間目標的可見光散射與紅外輻射[J]. 光學學報, 2003, 23(10): 250-254.

WU Zhensen, DOU Yuhong. Visible light scattering and infrared radiation of spatial object[J]., 2003, 23(10): 250-254.

[9] 張建奇, 王曉蕊. 光電成像系統(tǒng)建模及性能評估理論[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2010: 312-320.

ZHANG Jianqi, WANG Xiaorui.[M]. Xi’an: XiDian University Press, 2010: 312-320.

[10] 蔡明, 田昌會, 楊百愚, 等. 探測天頂角與太陽天頂角對衛(wèi)星探測的影響[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(3): 221-224.

CAI Ming, TIAN Changhui, YANG Baiyu, et al. Effect of the detective zenith and solar zenith angle on satellite-borne infrared detection[J]., 2014, 36(3): 221-224.

Comparative Analysis of Visible Contrast between High and Low Altitude

ZOU Qianjin，CHEN Qianrong，HAO Yongwang，YANG Miaomiao，LIU Lianwei，YAO Mei

(,471003,)

There are great differences of the meteorological conditions between high and low altitude. The meteorological conditions have an impact on the visible contrast between target and its background. The visible contrast between target and its background at high and low altitude changed monthly, which were analyzed at first. The results show that the visible contrast between target and its background at high altitude is superior to which at low altitude. And then, the solar irradiance with monthly meteorological conditions at high and low altitude is simulated. The path irradiance and transmission with monthly meteorological conditions at high and low altitude was calculated. It points out that good visibility is the major factor in visible contrast calculation. Through contrastive analysis, the calculated results show that the brightness of different meteorological conditions at high altitude has more than double, and the visible detecting system will be saturated.

visible detecting system，contrast，high altitude，measured meteorological data

P422

A

1001-8891(2016)11-0935-04

2015-10-17；

2016-03-07.

鄒前進（1982-），男，碩士，從事光電對抗方面研究。E-mail：zouqianjin1982@163.com。

總裝預(yù)研基金項目。