林 濤，劉 飛，王 怡，張建奇

（西安電子科技大學物理與光電工程學院，陜西西安 710071）

紅外隱身飛機光譜探測的譜帶性能分析方法

林 濤，劉 飛，王 怡，張建奇

（西安電子科技大學物理與光電工程學院，陜西西安 710071）

針對隱身飛行目標多譜帶探測中所選波帶性能不易準確客觀進行分析評價這一問題，通過設計一種單元能量光譜探測系統(tǒng)來對所選探測波段進行客觀分析，以證明該波段在紅外隱身飛行目標多譜帶探測的有效性.由于所選窄波段接收到的能量要小于傳統(tǒng)所用的寬波段，而且信號本身無法表征對目標探測性能的優(yōu)劣，故而通過對單元能量光譜探測原理進行分析，結合系統(tǒng)信號的轉換模型，建立了波段質量因子這一評價模型在不同能見度、不同云背景以及不同探測距離情況下分別對所選窄波段性能加以客觀分析.結果表明，單元能量探測系統(tǒng)在不同條件下不僅能夠客觀準確地對各波段探測進行分析，而且對于不同云背景下所使用波段的抖動性也給予了清晰直觀的顯示，證明了窄波段的探測效果優(yōu)于寬波段，與理論分析相一致.

多譜帶；波段質量因子；光譜探測；隱身目標

隨著精確制導技術的發(fā)展，各種干擾與對抗措施也在不斷進步，戰(zhàn)術導彈面臨的戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，對抗性更加激烈［1-2］，而且隨著精確制導導彈和炮彈等武器的大量使用，戰(zhàn)場地面機動設備的防護已經成為現代戰(zhàn)爭中必須考慮的關鍵問題之一［3-4］.

紅外制導作為先進的尋的制導方式在先進國家的導彈武器系統(tǒng)中受到廣泛關注.如何快速而準確地實現對目標的探測，實施精確打擊就成為了近年來國內外研究的主要方向［5］.隨著光譜技術的迅速發(fā)展，且基于自身分辨率高、有利于定量分析等的優(yōu)點，使得光譜技術在目標探測方面也具有廣泛的應用.而對于探測波段的選擇是利用光譜技術進行目標探測的關鍵，對此國內外在這方面也進行了一些相應的研究.文獻［6］對隱身飛機尾焰的紅外輻射特性進行了研究，得到了在幾種常見隱身措施下尾焰輻射能量集中的譜帶.文獻［7］研究了飛機尾焰的紅外輻射特征，建立了定量分析模型.文獻［8］主要研究了如何選擇合適的濾波器抑制背景雜波，得到更高的信噪比.文獻［9］主要在尾焰的紅外輻射特征建模和輻射譜帶方面做了研究，分析了飛機尾焰的紅外輻射特征及大氣傳輸對其造成的影響.文獻［10］使用信噪比探測模型來對光電系統(tǒng)的空間目標探測能力進行綜合評估.以上的研究成果從目標輻射特性出發(fā)，提出了一些關于目標光譜探測的可行方法，但是對于所選探測譜帶的性能分析和研究卻很少涉及，而且利用信噪比探測模型雖然能在一定程度上對所選擇的方法進行判別，但是對于多譜帶探測方法進行評價卻存在一定不足.

基于以上研究基礎和分析，筆者提出一種新的目標光譜譜帶探測性能分析方法.該方法基于光電探測中的信號轉換模型構建了單元能量光譜探測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)能夠對不同波段輻射能量進行探測，以評估在不同波段內進行目標探測的優(yōu)劣.并從理論和仿真角度對不同環(huán)境條件下的目標光譜探測提供了相應支持，最后對于探測距離和波段質量因子之間的關系給予詳細的分析和研究.

1 紅外隱身飛行目標的紅外光譜探測研究

目標紅外光譜探測是受所選取譜帶內目標的自身特征和威脅物（主要指采用光學（含可見光、紅外、激光）制導的導彈等）的傳感器特性控制的.在目標探測中，目標的特征即所有鑒別量的組合體，應是整個探測的關鍵與核心，鑒別量是指那些能用于將目標特征從其他易混淆的背景物體中分開的特性.

1.1紅外隱身飛行目標輻射特性分析

對于空中飛行目標，無論是否采用各種先進的隱身技術，尾焰一直可以作為目標探測的主要輻射源.探測條件為低云；云底高3.0 km；云頂高4.0 km；太陽天頂角為60°；探測器天頂角為30°；太陽方位角為0°；探測器方位角為180°；視場因子為0.9；觀測距離為5 km；飛行高度為4 km；圓噴口，噴口半徑為0.31 m；噴口尾焰溫度為1 000 K.根據文獻［11］的分析可知，目標的輻射強度和背景的輻射強度如圖1所示.

由圖1（a）可以看出，目標能量集中在2.27～3.30μm 和4.15～4.45μm兩個波段.由圖1（b）可知，相應波段的背景輻射恰好處于較低數值.因此，2.27～3.30μm和4.15～4.45μm兩個波段內目標輻射被弱背景突出.

圖1　目標和背景的輻射強度

1.2紅外隱身飛行目標探測譜帶的選擇

基于1.1節(jié)分析可知，在2.27～3.30μm和4.15～4.45μm兩個譜帶內目標輻射強于背景輻射，但是對比度特征作為描述目標特征的基本特征，對目標紅外信號的探測，在很大程度上取決于目標與周圍背景之間的對比度.由于大氣對于目標和背景的對比度的影響，故應對目標的對比度做更為仔細的定義與分析，絕對對比度和相對對比度的定義分別為

其中，下標T和B分別指目標和背景的輻射，在機載目標的情況下，背景輻射為來自目標（尾焰）平面后的大氣輻射.絕對對比度的單位即是輻射量的單位.

圖2（a）中的光譜傳輸相對對比度曲線1存在的明顯峰值驗證了在4.15～4.45μm和2.27～3.30μm兩個波段內目標輻射被弱背景突出，即目標的對比度特征具有明顯的特性.在2.27～3.70μm波段，通過圖2 （b）的光譜傳輸絕對對比度可以定位此波段內光譜傳輸絕對對比度的最大峰值波長，在這里等于2.90μm.

以其為分界線，分別求2.90～2.27μm和2.90～3.30μm的積分傳輸絕對對比度，即圖2（b）中的曲線2.通過對光譜傳輸積分對比度的分析易得，對于飛行目標進行探測的最優(yōu)波段為2.86～3.30μm和4.17～4.55μm［12］.

圖2　目標及背景的傳輸對比度在不同波段的分布

2 單元能量光譜探測系統(tǒng)

紅外隱身飛行目標光譜探測中所選波段在實際中進行目標探測時的優(yōu)劣將是此探測方法能否應用于實際戰(zhàn)場的關鍵.由于窄波段所能接收到的能量要小于傳統(tǒng)所用的寬波段，但是信號本身卻無法表征對目標探測性能的優(yōu)劣，所以設計單元能量光譜探測系統(tǒng)來進行相應的性能評估就顯得尤為必要.

2.1單元能量光譜探測原理分析

圖3的單元能量光譜探測系統(tǒng)組成原理圖表示了單元光譜探測系統(tǒng)的信號轉換機理.視場內的景物輻射信號經過光譜濾光片進行光譜濾波，通過光學系統(tǒng)進行匯聚，并經由斬光器調制到光電探測器上，探測器將入射的紅外輻射轉換成電信號，并由后續(xù)信號處理電路進行放大、鑒頻等處理后輸出.

圖3 單元能量光譜探測系統(tǒng)組成原理圖

圖3中的斬光器旋轉對于輸入信號進行調制是單元光譜探測系統(tǒng)進行能量探測的核心.斬光器以一定的頻率旋轉，使得探測器能周期性地接收視場內場景的輻射.顯然，斬光器對系統(tǒng)的輸入輻射進行了調制，其調制的實質是控制有效視場大小，使探測器能接收的場景輻射能量發(fā)生變化.可以將調制等效為斬光器對探測器面積（圓形）的調制.由推導可得探測器能接收場景輻射的面積隨時間t的變化關系為其中，Ad為探測器總面積，K為斬光器透明/不透明扇形葉片對數，f為斬光器的旋轉頻率.Kf實際是斬光器調制的基頻，以fB表示，則上式可寫為

根據以上分析，建立單元能量光譜探測系統(tǒng)對于目標探測中所選的窄波段性能進行分析時，首先要對光電探測器所接收到的信號進行詳細分析和研究，故建立以下系統(tǒng)信號轉換模型和窄波段性能評價分析模型.

2.2單元能量光譜探測模型

2.2.1系統(tǒng)信號轉換模型

（1）探測純背景輻射的情形 探測器接收到的場景光譜輻射功率為其中，EBdλ為探測器上的光譜輻照度，Ad（t）為斬光器對探測器面積的調制函數.背景輻射在光學系統(tǒng)前的光譜輻照度為EBλ，當除透過率外的其他光學系統(tǒng)效應很小可以忽略時，則

其中，AO為光學系統(tǒng)入瞳面積，τO為光學系統(tǒng)透過率.探測器輸出信號為

采用鑒頻器提取基頻信號，得

其中，DO為光學系統(tǒng)入瞳直徑.

（2）探測場景中有目標的情形 目標在光學系統(tǒng)前的光譜輻照度為ETλ，在探測器上所成的像的面積為AT，AT?Ad.背景輻射在光學系統(tǒng)前的光譜輻照度為EBλ.探測器接收到的光譜輻射功率為目標在探測器上的輻射功率PTλ與背景在探測器上的輻射功率PBλ之和，即

由于目標成像面積遠小于探測器面積，所以，可以近似認為

對于目標，有

所以，

其中，ξ（t）為幅值為1方波函數，頻率為斬光器調制的基頻.探測器輸出的信號為

采用鑒頻器提取基頻信號，得

其中，S′為目標方波信號的基頻信號強度.

2.2.2窄波段性能評價分析模型

此單元能量光譜探測系統(tǒng)用于不同波段輻射能量的探測，以評估在不同波段內進行目標探測的優(yōu)劣.顯然，系統(tǒng)在寬波段內接收的能量要大于窄波段的.但信號本身的絕對強度無法表征對目標探測性能的優(yōu)劣，目標與背景之間的差異程度才是進行目標探測難易的指標.雖然此系統(tǒng)只是能量測量系統(tǒng)，無法進行目標探測，但是可以利用測量結果，進行一定的計算后得出能夠表征波段目標探測性能的參數，定義波段質量因子這一物理量表征波段信號質量，即

其中，Q稱為波段質量因子，N為系統(tǒng)對無目標場景進行測量時輸出的信號，S為在相同場景下加入目標后系統(tǒng)的輸出.在目標對系統(tǒng)的張角遠小于系統(tǒng)視場的情況下，可將S=N+S′，代入式（15），S′為目標信號的輸出能量，得

可見，Q表征了目標本身信號相對于背景信號的強度.

3 實驗結果及分析

根據以上分析，設定飛機沿水平飛行，系統(tǒng)參數如下:光學系統(tǒng)透過率為0.8；入瞳直徑為73 mm；有效焦距為80 mm；探測器直徑為1 000μm；峰值波長為3.6μm；峰值探測率D*為2×1010；周期采樣數為256；采樣點間的時間間隔為78μs；目標噴口寬度為1.83 m，高度為0.15 m；非加力狀態(tài)噴口溫度為900 K；加力狀態(tài)噴口溫度為1 128 K；通過MODTRAN3.7對不同大氣情況進行模擬，可獲得測量系統(tǒng)在不同天氣和不同飛行狀態(tài)下，光電探測器所輸出的信號.

3.1不同飛行狀態(tài)下的波段質量因子

從測量結果以及圖4（a）的曲線分析可知，易得兩個窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）的波段質量因子都優(yōu)于寬波段（3～5μm），2.86～3.30μm波段的波段質量因子是最大的.波段質量因子描述的是目標本身信號相對于背景信號的強度.因此窄波段，特別是2.86～3.30μm波段，目標與背景對比強烈，相對寬波段而言，更利于目標探測.隨著目標距離的增加，到達探測系統(tǒng)的能量逐漸減小，因而波段質量因子也隨之降低.當距離足夠大，波段質量因子將趨于0，此時表明目標相對于探測系統(tǒng)而言已經融入到背景中，無法分辨.

圖4　不同距離下的不同波段的波段質量因子曲線

如圖4（b）所示，隱身目標在加力狀態(tài)下在不同距離時的測試數據存在明顯抖動，因為在多云背景情況下，當目標處在不同距離處時，其所處的背景是各不相同的，測量對象相關度大大降低，因而數據抖動較大.而在窄波段2.86～3.30μm的信號最小，最容易受到干擾，所以抖動也最大.不管數據抖動如何，曲線的趨勢與曲線間的關系仍然與圖4（a）的數據相似，應用窄波段進行目標探測將優(yōu)于寬波段探測.根據以上分析，筆者對于在相同背景，不同能見度的情況和相同能見度，不同背景的情況分別進行了相應的分析和研究.

3.2不同能見度下的波段質量因子

圖5 非加力隱身目標在不同距離下的不同波段的波段質量因子曲線

圖5所示為不同云背景下，能見度降低的波段質量因子測試數據，由圖5易得，由于能見度的降低，大氣對目標輻射能量的衰減加強，相同距離下能夠到達光電探測系統(tǒng)的目標能量減小，因此，對于所選的兩個窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）和常用寬波段（3～5μm）的波段質量因子都有所降低，但是相比較窄波段的波段質量因子在相同測量條件下整體大于寬波段的.圖5（a）和圖5（b）顯示出能見度的變化對波段質量因子的影響是很明顯的，對于2.86～3.30μm波段，當探測距離為5 km時，在能見度為5 km的情況下波段質量影響因子為0.003 5，而當能見度增加到10 km時波段質量因子約為0.004 2，且隨著探測距離的增加，整體變化趨勢逐步減小.

圖5（c）和圖5（d）顯示，在實際探測過程中，云背景對系統(tǒng)的測量結果有很大的影響，而且無云情況下的波段質量因子的值總體大于少云時的情況，同樣對于窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）探測，隨著探測距離的變化，其波段質量因子的值恒大于寬波段探測的.綜合圖5（a）～（d）分析可知，無云和少云情況下的曲線相對于多云時波段質量因子變化情況要平滑，而無云相對于少云情況下波段質量因子變化要平滑，波動較小.這說明云背景對于空中飛行目標的探測有很大影響，但是對于文中所用窄波段探測，其探測性能整體上比較良好.綜上所述，對于隱身飛行目標的窄波段探測效果優(yōu)于傳統(tǒng)常用寬波段探測.

4 結 論

針對空中隱身目標探測中所選探測方法的優(yōu)劣難以客觀準確評估這一問題進行研究，隱身目標的窄波段探測方法是利用目標和背景在紅外光譜譜帶內的輻射特征的明顯差異選擇最優(yōu)探測波帶，文中通過建立單元能量光譜探測系統(tǒng)對于隱身目標的窄波段探測方法進行分析評估，詳細分析了單元能量光譜探測原理及其信號轉換探測機理，基于以上分析構建了波段質量因子這一物理量來對所選波帶進行客觀評價.通過對不同能見度、不同云背景等天氣情況下所選窄波帶2.86～3.30μm與4.17～4.55μm和常用傳統(tǒng)寬波帶3～5μm內波段質量因子的詳細計算分析可得，利用所選兩個窄波帶進行目標探測，相比于寬波段探測探測距離更遠，性能更好.單元能量探測系統(tǒng)不但對目標探測提出了一種客觀準確的評價方法，而且對于其余目標探測方法提供了一個很好的思路.

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（編輯:李恩科）

Band performance analysis method of spectrum detection about infrared stealth aircraft

LIN Tao，LIU Fei，WANG Yi，ZHANG Jianqi
（School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian Univ.，Xi’an 710071，China）

The performance of the selected bands in stealth aircraft target multi-spectral detection is hard to analyze and evaluate.A unit energy spectrum detection system is designed to analyze the selected detection band，demonstrating the availability of the selected detection bands.The selected narrow band receives less energy than the traditional wide band，while the signal itself can not represent the performance of target detection.By analyzing the unit energy spectrum detection principle and considering the alternative model of the system signal，the model of the wave quality factor is established to objectively analyze the performance of the selected band in different visibilities，cloud backgrounds and detection ranges.The result shows that the unit energy detection system can analyze each band detection objectively and accurately.At the same time，it also gives a clear and intuitive display of the jitter property while using it in different cloud backgrounds，proving that the detection effect of the narrow band is superior to the wide band and consistent with the theoretical study.

multi-spectral band；wave quality factor；spectrum detection；stealth target

TN219

A

1001-2400（2016）01-0054-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.01.010

2014-07-24 網絡出版時間：2015-04-14

林 濤（1969-），西安電子科技大學博士研究生，E-mail:taolin@dhld.com.cn.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150414.2046.007.html