婁洋歌　張一飛　明德烈　田金文

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430074)

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臨近空間目標(biāo)的多譜段探測(cè)技術(shù)研究*

婁洋歌張一飛明德烈田金文

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院多譜信息處理技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430074)

在天基臨近空間目標(biāo)多譜段探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)探測(cè)能力的分析和評(píng)估是進(jìn)行相機(jī)設(shè)計(jì)的前提之一。在單一波段的基礎(chǔ)上，論文從多譜段出發(fā)，對(duì)可見(jiàn)光及紅外波段探測(cè)系統(tǒng)信噪比和探測(cè)距離進(jìn)行建模，并結(jié)合實(shí)例分析了可見(jiàn)光及紅外波段探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能。紅外波段的目標(biāo)輻射與背景輻射反差大，探測(cè)可行性比可見(jiàn)光好。最后在同等條件下，通過(guò)比較短波、中波和長(zhǎng)波紅外的相機(jī)極限探測(cè)距離，論證了短波紅外的探測(cè)可行性最好，探測(cè)距離最遠(yuǎn)，為臨近空間目標(biāo)探測(cè)提供理論依據(jù)。

臨近空間;可見(jiàn)光;紅外;信噪比;探測(cè)距離

Class NumberTN765

1　引言

臨近空間一般指距地面20km～100km的空間，它大致包括：大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區(qū)域[1]。在這樣的空間區(qū)域，既可以避免目前絕大多數(shù)的地面攻擊，又可以提高軍事偵察和對(duì)地攻擊的精度，對(duì)于偵察監(jiān)視、通信保障以及對(duì)空對(duì)地作戰(zhàn)等，具有極大的發(fā)展?jié)摿2]。

臨近空間目標(biāo)成像探測(cè)技術(shù)對(duì)于臨近空間飛行器目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤、瞄準(zhǔn)、攻擊等具有非常重要的意義[3～4]。通過(guò)研究臨近空間目標(biāo)與環(huán)境特性，可以分析得到臨近空間目標(biāo)與環(huán)境特性的特征信息，建立臨近空間目標(biāo)與空間環(huán)境特征數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)臨近空間目標(biāo)多譜成像仿真軟件，進(jìn)行探測(cè)模式分析，從而得到最佳探測(cè)模式，為臨近空間的目標(biāo)探測(cè)提供幫助。

在探測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)探測(cè)能力的分析和評(píng)估是進(jìn)行臨近空間相機(jī)設(shè)計(jì)的前提之一[4]。在臨近空間，作用距離與探測(cè)波長(zhǎng)、目標(biāo)特性、背景特性及系統(tǒng)探測(cè)能力等多種因素有關(guān)[5]。本文將從可見(jiàn)光及紅外波段探測(cè)模式進(jìn)行理論分析并計(jì)算，估算出各探測(cè)模式條件下的作用距離，給出臨近空間探測(cè)的最佳探測(cè)模式。

2　臨近空間目標(biāo)可見(jiàn)光可探測(cè)分析

在可見(jiàn)光波段，臨近空間目標(biāo)以反射為主。在目標(biāo)表面面元能量受到地球反射能量、地球反射太陽(yáng)輻射能量、太陽(yáng)直射能量。

由于地球直接輻射模型的分譜輻照度的數(shù)量級(jí)太小，所以應(yīng)該重點(diǎn)考慮地球反射太陽(yáng)輻射及太陽(yáng)直接輻射的影響，畢竟太陽(yáng)才是整個(gè)太陽(yáng)系的主要輻射源。

(1)

式中：Esun(λ)為太陽(yáng)光譜輻照度的分布函數(shù)，其中：

(2)

(3)

式中：普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·s，c為真空光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為太陽(yáng)黑體溫度，Asun為太陽(yáng)表面積，Ros為目標(biāo)和太陽(yáng)的距離。

信噪比是衡量相機(jī)信號(hào)處理能力的一個(gè)總體指標(biāo)，信噪比越小，表明信號(hào)處理能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的作用距離就越大。在可見(jiàn)光波段，一般以電子數(shù)為單位的信噪比定義為

SNR=Ne/Nnoise

(4)

式中：Ne為在一定時(shí)間內(nèi)接收到的信號(hào)電子數(shù)，Ne=Q/e，Q為電荷電量，e為電子電荷，e=1.6×10-19C；Nnoise為同一時(shí)間內(nèi)接收到的噪聲電子數(shù)。

在臨近空間目標(biāo)探測(cè)過(guò)程中，起主要貢獻(xiàn)的噪聲來(lái)源有探測(cè)器暗電流噪聲、光子噪聲、探測(cè)背景噪聲、電子讀出噪聲等。系統(tǒng)噪聲可表示為

(5)

式中：nd為暗電流噪聲；np為光子噪聲；nb為背景噪聲；nread為探測(cè)器讀出噪聲。

設(shè)μ為圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換效率，T為曝光時(shí)間，A0為探測(cè)器鏡頭入瞳面積，nspread為彌散斑像素?cái)?shù)，于是得到探測(cè)距離估算公式如下：

(6)

3　臨近空間目標(biāo)紅外可探測(cè)分析

在紅外波段，影響臨近空間目標(biāo)紅外輻射特性的因素很多。目標(biāo)紅外輻射特性受到其自身紅外輻射影響而由普朗克定律可知，目標(biāo)表面自身紅外輻射受到目標(biāo)表面溫度影響[6]，計(jì)算方式如下

(7)

式中：C1為第一輻射系數(shù)，C2為第二輻射系數(shù)，T為面元溫度，λ1,λ2為紅外波段范圍的上下線，ε(λ,T)為表面反射率。

目標(biāo)表面的反射輻射，包括目標(biāo)表面對(duì)太陽(yáng)輻射，月球輻射以及它對(duì)地球背景輻射的反射：

Eref=α(Qsun+Qsky+Qgrd)

(8)

式中：α為目標(biāo)表面紅外波段范圍的反射率；Qsun為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻射能量，Qsky為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的月球輻射能量，Qgrd為目標(biāo)表面接收的紅外波段范圍內(nèi)的地球背景輻射能量。

臨近空間飛行器的紅外輻射由其自身的輻射和反射的輻射兩部分組成[7]。綜上所述，總的紅外輻射為

E=Eλ1～λ2+Eref

(9)

在紅外波段，目標(biāo)信噪比的計(jì)算公式如下

(10)

式中，τa為對(duì)應(yīng)距離的大氣透過(guò)率，τ0為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，η為紅外成像光學(xué)系統(tǒng)能量利用率，一般取作能量集中度，ΔT為背景輻射等效溫差，F(xiàn)為紅外鏡頭數(shù)，NETD為等效背景輻射溫度。

用紅外成像進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)，目標(biāo)與背景經(jīng)過(guò)衰減后的溫差(目標(biāo)背景等效溫差)ΔT′要不小于成像探測(cè)器NETD的一定倍數(shù)(能探測(cè)到目標(biāo)所需的最小信噪比SNR)，系統(tǒng)就能探測(cè)到目標(biāo)，即要滿足如下公式：

ΔT′≥SNR·NETD

(11)

實(shí)際上，大氣傳輸和探測(cè)系統(tǒng)中衰減的能量是目標(biāo)背景能量[8～9]。具體衰減過(guò)程如圖2所示。

從而可以得到探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離(紅外成像探測(cè)極限距離)公式。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)，利用該公式可以得到系統(tǒng)的探測(cè)距離：

(12)

式中，α,β是光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)，R是探測(cè)距離，C2為第二普朗克常數(shù)，C2=1.438cmk，Tt,Tb為目標(biāo)和背景的溫度，ε為目標(biāo)的發(fā)射率，S為目標(biāo)面積，λ為紅外波長(zhǎng)。

圖1　目標(biāo)背景等效溫差步驟示意圖

4　實(shí)驗(yàn)分析

4.1可見(jiàn)光波段實(shí)驗(yàn)分析

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑D=200mm，光透過(guò)率τ0=30%，大氣透過(guò)率為0.5965，像元填充因子ε=0.4。若CCD的響應(yīng)波段為0.4μm～0.7μm，對(duì)該波段的太陽(yáng)輻射進(jìn)行積分的輻射強(qiáng)度為25554404W/m2,則到目標(biāo)處的輻射強(qiáng)度為Es=553.121W/m2,目標(biāo)表面材質(zhì)的反射率為0.5，則目標(biāo)本體反射的總輻射為1169.2W。對(duì)臨近空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，要求探測(cè)概率>99%，虛警概率<1%。可以確定出滿足這個(gè)條件的門(mén)限信噪比約為3。假設(shè)太陽(yáng)光的入射方向與目標(biāo)表面法線方向的夾角為0°，即垂直照射。

假設(shè)探測(cè)平臺(tái)的高度為1000km，而臨近空間的區(qū)域范圍為20km～100km，所以可以認(rèn)為入瞳處的目標(biāo)是作為點(diǎn)目標(biāo)出現(xiàn)的，可以認(rèn)為目標(biāo)占1個(gè)像元或者兩個(gè)像元，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)是臨近空間目標(biāo)是作為點(diǎn)目標(biāo)出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)的。

當(dāng)取極限信噪比時(shí)，最遠(yuǎn)探測(cè)距離隨角度變化如表1所示。

表1　取極限信噪比SNR=3時(shí)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離

從表中可以看出，不同的觀測(cè)角度下，同樣的極限探測(cè)信噪比，卻有不同的極限探測(cè)距離，且隨著觀測(cè)角度的增大，極限探測(cè)距離是逐漸遞減的。

當(dāng)目標(biāo)高度在60km處，探測(cè)器觀測(cè)角度為0°時(shí)，可見(jiàn)光波段臨近空間目標(biāo)的輻射強(qiáng)度為276.56W/m2，可見(jiàn)光波段的輻射強(qiáng)度隨觀測(cè)角度變化如圖2所示。

圖2　目標(biāo)輻射強(qiáng)度隨角度的變化

如圖2，在可見(jiàn)光波段，目標(biāo)輻射強(qiáng)度隨觀測(cè)角度的增加呈下降。說(shuō)明了觀測(cè)角度對(duì)目標(biāo)輻射到探測(cè)器入瞳處能量有很大影響。

4.2紅外波段實(shí)驗(yàn)分析

下面以STSS[10]紅外探測(cè)器為例，光學(xué)系統(tǒng)孔徑D0=40cm，光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率τ0=0.7，噪聲等效帶寬Δf=50Hz，探測(cè)率D*=1×1013，探測(cè)元面積Ad=20×20μm2，目標(biāo)面積S=8m2，目標(biāo)表面發(fā)射率為0.8；大氣透過(guò)率τa取0.5952，背景溫度為4K，目標(biāo)等效溫度為2500K。

圖3　紅外波段目標(biāo)輻射隨觀測(cè)角度的變化

在紅外波段，分別取短波波長(zhǎng)λ=2μm，中波波長(zhǎng)λ=4μm，長(zhǎng)波波長(zhǎng)λ=10μm時(shí)，目標(biāo)總輻射隨觀測(cè)角度的變化如圖3所示。

如圖3，目標(biāo)總輻射隨觀測(cè)角度的增加呈減小趨勢(shì)。此外，同一觀測(cè)角度下，短波紅外下目標(biāo)總輻射最大，中波紅外目標(biāo)總輻射其次，長(zhǎng)波紅外目標(biāo)總輻射最小，且短波紅外的目標(biāo)總輻射大于中波紅外和長(zhǎng)波紅外目標(biāo)總輻射之和。

4.3探測(cè)可行性總結(jié)

在可見(jiàn)光和紅外波段，目標(biāo)的探測(cè)可行性是指目標(biāo)和背景的能量反差大，背景不會(huì)掩蓋目標(biāo)，目標(biāo)的能量遠(yuǎn)大于背景的能量。

在紅外波段，短波紅外的范圍是1μm～3μm，中波紅外的范圍是3μm～5μm，長(zhǎng)波紅外的范圍是8μm～14μm。在計(jì)算時(shí)，忽略可見(jiàn)光及紅外波段的深空背景能量。重點(diǎn)計(jì)算地球背景、臨邊大氣背景及目標(biāo)輻射。

當(dāng)目標(biāo)高度為60km，在可見(jiàn)光、紅外(短波、中波、長(zhǎng)波)波長(zhǎng)下，深空背景、地球背景(日照區(qū)和地影區(qū))、臨邊大氣背景及目標(biāo)總輻射經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

背景輻射能量越小，目標(biāo)輻射能量越大則其探測(cè)性越強(qiáng)。比較表2可以知道，紅外波段的目標(biāo)總輻射能量大于可見(jiàn)光波段的目標(biāo)總輻射能量。在短波紅外波段，背景輻射能量較小而目標(biāo)總輻射能量較大，所以紅外的短波波段探測(cè)能力較強(qiáng)。

表2　可見(jiàn)光、紅外的目標(biāo)背景輻射能量

4.4紅外波段探測(cè)距離比較

在紅外波段的不同波長(zhǎng)范圍下下，同樣的目標(biāo)高度，其探測(cè)距離越遠(yuǎn)，探測(cè)性能越好。取背景溫度為4K，當(dāng)目標(biāo)高度分別在60km、40km、30km時(shí)，取短波、中波和長(zhǎng)波紅外的中心波長(zhǎng)，計(jì)算目標(biāo)總輻射，目標(biāo)等效溫度下的探測(cè)距離如表3所示。

表3　不同波段的可探測(cè)距離

如表3所示，在同樣的目標(biāo)等效溫度和背景溫度下，短波紅外的極限探測(cè)距離最大；長(zhǎng)波的極限探測(cè)距離最小。

5　結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)臨近空間目標(biāo)可見(jiàn)光及紅外相機(jī)探測(cè)能力理論計(jì)算方法的深入研究，并對(duì)同等條件下探測(cè)距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，臨近空間目標(biāo)的可見(jiàn)光及紅外相機(jī)的探測(cè)能力受相機(jī)本身參數(shù)，目標(biāo)自身特性及背景特性的影響，在同一波段，目標(biāo)在不同高度，短波紅外的探測(cè)能力最強(qiáng)，在不同波段，目標(biāo)在同一高度，短波紅外的探測(cè)能力最強(qiáng)。

但是目前對(duì)臨近空間探測(cè)器探測(cè)能力的計(jì)算還處在方案設(shè)計(jì)階段，若要涉及到軟件的實(shí)現(xiàn)，還需要考慮臨近空間目標(biāo)特性、環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)變化，還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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Multispectral Detection Technology of Near Space Target

LOU YanggeZHANG YifeiMING DelieTIAN Jinwen

(National Key Laboratory of Science and Technology on Multi-spectral Information Processing Technology,School of Automation,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074)

In multispectral detection system based on near space-based target,the analysis and estimation to the detecting ability is one of premises of the camera design.Based on the single band,this paper starts from the multispectral,SNR and detection range based on detection system of visible and infrared spectrum are modeled,according to examples ,the detection performance of detection system of visible and infrared spectrum are analyzed.In infrared,the radiation of target and background is big contrast,so the detection feasibility in infrared is better than in visible.Finally,the limit of detection distance of camera of short-wave,medium-wave and long-wave of infrared is compared,as a result,the detection feasibility of short-wave of infrared is the best and the detection distance of shore-wave of infrared is the farthest.It provides a theoretical basis for the detection of near space target.

near space,visible,infrared,SNR,detection distance

2016年3月11日,

2016年4月21日

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):61273241;61273279)資助。

婁洋歌，男，碩士研究生，研究方向：成像仿真。張一飛，男，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)目表識(shí)別與跟蹤。明德烈，男，副教授，研究方向：人工智能控制、圖像處理與模式識(shí)別等。田金文，男，教授，研究方向：目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤，成像仿真。

TN765DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.013