谷建光,張鳳林,周 旭,程海峰,張朝陽

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073； 2. 63918部隊(duì)，北京 100028)

【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

基于模擬材料的地表景物光學(xué)特性模擬關(guān)鍵技術(shù)研究

谷建光1,2,張鳳林2,周 旭2,程海峰1,張朝陽1

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073； 2. 63918部隊(duì)，北京 100028)

研究了光學(xué)特性模擬材料設(shè)計(jì)技術(shù)與人工景象區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建了設(shè)計(jì)結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證體系。成果成功應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)的成像性能考核試驗(yàn)，對提高試驗(yàn)保障能力和模擬材料普及應(yīng)用具有重要意義。

光學(xué)特性模擬材料；人工景象匹配區(qū)；光學(xué)成像系統(tǒng)；等效性設(shè)計(jì)

光學(xué)成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛機(jī)等各種飛行器上，其通過對地面或海面景物的成像，給飛行器提供實(shí)時(shí)圖像信息。隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推動，在光學(xué)成像系統(tǒng)試驗(yàn)場構(gòu)建與真實(shí)地物等效的地面模擬景物，通過獲取光學(xué)成像信息對各類光學(xué)成像系統(tǒng)的成像性能進(jìn)行試驗(yàn)考核，是目前越來越緊迫的裝備試驗(yàn)需求。

考慮凈化試驗(yàn)環(huán)境，減少地雜波干擾等因素，光學(xué)成像系統(tǒng)試驗(yàn)場通常選在地表景物較為單一的人煙稀少地域。如果在試驗(yàn)場建造相當(dāng)數(shù)量和規(guī)模的地面三維實(shí)體模擬景物，存在以下突出問題：一是設(shè)施工程量大，所投入的工程建設(shè)及使用維護(hù)經(jīng)費(fèi)巨大，難以付諸實(shí)施；二是工程施工周期長且易受季節(jié)等外在因素影響，難以確保試驗(yàn)進(jìn)度；三是實(shí)體設(shè)施一次建成無法更改，無法實(shí)現(xiàn)模擬景物規(guī)模布局的對應(yīng)調(diào)整以滿足對不同的地物背景模擬需求，難以實(shí)現(xiàn)所建設(shè)施的重復(fù)利用，在滿足不同試驗(yàn)需求、充分考慮成像系統(tǒng)性能方面存在“瓶頸”。

基于上述問題及需求，借鑒并綜合國內(nèi)外模擬材料使用經(jīng)驗(yàn)[1-2]，深入研究在地表景物單一條件下，用模擬材料實(shí)現(xiàn)對地物的等效模擬技術(shù)。充分發(fā)揮模擬材料質(zhì)輕、耐用等適合大規(guī)模應(yīng)用特點(diǎn)，構(gòu)建光學(xué)人工景象匹配區(qū)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)地物的幾何和光學(xué)特性等效模擬，滿足光學(xué)成像系統(tǒng)性能考核需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本、利用率高等場區(qū)試驗(yàn)設(shè)施保障目標(biāo)。

國外通過在金屬、木材、布等材料表面涂覆不同光學(xué)反射特性、不同發(fā)射率的涂料，形成一定的輻射溫度差，模擬真實(shí)物體的紅外輻射特征與外形特征[3-6]，具體在無人靶機(jī)[7]、模擬大型地面目標(biāo)(圖1)等方面廣泛應(yīng)用。我國模擬材料研究起步較晚，尤其目前在大面積場景光學(xué)特性等效方面研究應(yīng)用很少，需要深入開展相關(guān)研究工作[8-10]。

1 光學(xué)特性模擬材料設(shè)計(jì)技術(shù)

自然環(huán)境中不同的地表景物，由于自身理化特性差異及環(huán)境影響，導(dǎo)致產(chǎn)生不同特性的輻射溫差和可見光對比度，且在晝夜24 h內(nèi)的變化規(guī)律不同；對于同一地物，在晝夜時(shí)間內(nèi)它與背景的光學(xué)特性差也不同[11-13]。

圖1 白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)靶場的地面涂層布模擬目標(biāo)

根據(jù)模擬材料工作原理，計(jì)算不同發(fā)射率材料與試驗(yàn)場背景在不同高度下的輻射溫差，當(dāng)模擬材料實(shí)際溫度比地面背景高9K時(shí)，結(jié)果如表1所示，隨著材料發(fā)射率的變化，二者輻射溫差可在-40.34～ +12.83K變化。因此，在現(xiàn)有成熟的偽裝網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過涂覆不同光學(xué)反射特性、紅外輻射特性涂層，輔以材料顏色、表面粗糙程度等特征，得到具有不同光學(xué)特性的模擬材料，可實(shí)現(xiàn)對真實(shí)地表景物的輻射溫差和可見光對比度變化規(guī)律的等效模擬，圖2選定的部分光學(xué)特性模擬材料樣品外觀。

表1 模擬材料與試驗(yàn)場地面背景的輻射溫差計(jì)算結(jié)果

注：θ為模擬材料平面與水平面的夾角；溫度單位K。

圖2 選定的部分光學(xué)特性模擬材料樣品外觀

針對地面建筑、道路、植被等常見景物的光學(xué)特性及變化規(guī)律，經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)研究，選擇確定了多種顏色、多個(gè)發(fā)射率梯度的模擬材料，如表2所示。使用中，通過PcModWin 4.0軟件等數(shù)值仿真手段(圖3)，充分考慮大氣傳輸、地面?zhèn)鳠?、地面風(fēng)阻和材料輻射強(qiáng)度等影響因素，確定最優(yōu)模擬材料鋪設(shè)高度。

表2 選定的光學(xué)特性模擬材料紅外、可見光特性

注：I0為基準(zhǔn)發(fā)射率；S0為基準(zhǔn)亮度；L0為基準(zhǔn)長度?；鶞?zhǔn)參數(shù)用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，下同。

圖3 發(fā)射率0.44I0模擬材料輻射強(qiáng)度和輻射傳輸曲線

2 人工景象區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)

在確定模擬材料類型，完成光學(xué)特性模擬材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需要根據(jù)真實(shí)地物與背景的尺寸、相對位置關(guān)系等，確定光學(xué)人工景象匹配區(qū)規(guī)模和布局圖案特征，實(shí)現(xiàn)對特定地物的等效模擬。

1) 規(guī)模等效性

人工景象區(qū)規(guī)模，理論上等于成像系統(tǒng)視場所能覆蓋的地物背景區(qū)域范圍，但由于成像系統(tǒng)高度誤差、視場位置誤差和姿態(tài)角誤差等因素影響，視場通常會發(fā)生隨機(jī)偏移[14]。圖4(a)為視場理論范圍與實(shí)際范圍關(guān)系，視場實(shí)際范圍為4個(gè)方向誤差極限情況下的視場疊加結(jié)果，其將大于理論視場范圍。無論隨機(jī)誤差情況如何，4種誤差情況疊加形成的公共區(qū)域?yàn)橐晥霰貟邊^(qū)域(圖4(c))。在成像系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)成像識別過程中，視場范圍逐步縮小(圖4(b))，該公共區(qū)域被視場掃過的頻次較高。建立成像系統(tǒng)誤差模型并計(jì)算出公共區(qū)域范圍的量化結(jié)果，作為人工景象區(qū)規(guī)模確定的參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合成像系統(tǒng)視景建模半實(shí)物仿真試驗(yàn)，最終確定并實(shí)現(xiàn)人工景象區(qū)規(guī)模的等效優(yōu)化。

2) 布局等效性

真實(shí)地物背景區(qū)域中，規(guī)模不同單體地物在成像系統(tǒng)圖像中的成像分辨率不同，Johnson識別準(zhǔn)則下地物的可分辨性與成像線對數(shù)間對應(yīng)關(guān)系如表3所示。地物的可分辨性由低到高分為可探測、可識別和可辨認(rèn)3個(gè)等級，地物規(guī)模越大，對應(yīng)線對數(shù)越多，地物所成像素越多，其可分辨性越好。

圖4 成像系統(tǒng)視場變化過程及一定高度下的視場公共區(qū)域

目標(biāo)可分辨性能50%概率的線對數(shù)≥95%概率的線對數(shù)探測1.0±0.252.0±1識別4.0±0.88.0±1.6辨認(rèn)6.4±1.512.8±3

量化計(jì)算地物背景中各單體地物的可分辨性能，提取達(dá)到可識別層次以上的單體紋理特征，忽略可探測層次的規(guī)模較小單體地物。實(shí)現(xiàn)景物主要特征提取，按照真實(shí)相對位置關(guān)系進(jìn)行布局，得到人工景象區(qū)布局圖案。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證體系

模擬材料和人工景象區(qū)設(shè)計(jì)中，以及人工景象區(qū)建設(shè)完成后，開展了實(shí)驗(yàn)室、外場等一系列試驗(yàn)以及視景建模半實(shí)物仿真計(jì)算等。這些工作從目的和功能上，涵蓋課題研究的可行性分析、設(shè)計(jì)調(diào)整和結(jié)果驗(yàn)證，構(gòu)成完整的設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證體系，為整個(gè)課題研究提供重要的技術(shù)支撐，如表4所示。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某成像系統(tǒng)的成像性能考核為例，應(yīng)用研究成果進(jìn)行了試驗(yàn)場人工景象匹配區(qū)構(gòu)建。

1) 規(guī)模等效

該成像系統(tǒng)理論視場范圍約為1.1L0×0.85L0，視場最大偏差下覆蓋范圍約1.5L0×1.5L0區(qū)域，視場公共區(qū)域面積為0.7L0×0.2L0長方形區(qū)域，作為人工景象區(qū)規(guī)模確定參考依據(jù)。

2) 布局等效

對0.7L0×0.2L0區(qū)域內(nèi)地表景物，運(yùn)用Johnson識別準(zhǔn)則和成像分辨率模型進(jìn)行分析計(jì)算，以及紋理特征提取，得出人工景象區(qū)布局圖案，如圖5所示。按表2模擬材料與模擬物的對應(yīng)關(guān)系，完成模擬材料選型，以及人工景象區(qū)設(shè)計(jì)布設(shè)。

表4 光學(xué)人工景象區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證體系

3) 設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證。

人工景象區(qū)設(shè)計(jì)過程中，開展了相關(guān)仿真計(jì)算和試驗(yàn)。所用的模擬材料樣品在模擬試驗(yàn)場單一背景偽裝網(wǎng)上的成像結(jié)果如圖6，圖像邊緣清晰，對比度可滿足成像系統(tǒng)識別要求；模擬材料在試驗(yàn)場實(shí)地監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果如圖7，白天9點(diǎn)至17點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)，材料背景輻射溫差在-8～12 K變化，在特定時(shí)間段，可滿足該成像系統(tǒng)識別性能考核中對目標(biāo)背景光學(xué)特性差的閾值指標(biāo)要求。

圖5 基于Johnson準(zhǔn)則的人工景象區(qū)布局等效性設(shè)計(jì)及結(jié)果示意圖

圖6 模擬材料選擇試驗(yàn)中某時(shí)段成像結(jié)果

在人工景象區(qū)設(shè)計(jì)過程中開展的視景建模半實(shí)物仿真試驗(yàn)表明，通過規(guī)模等效，人工景象區(qū)規(guī)模僅為最大偏差下范圍的6.2%，通過布局等效，布局區(qū)域結(jié)構(gòu)特征強(qiáng)度Ra為6.86%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真實(shí)地物背景的28.96%，極大降低了景象區(qū)建設(shè)工程量。

圖7 監(jiān)測試驗(yàn)獲取的材料與背景溫差變化曲線

對比實(shí)景成像試驗(yàn)和人工景象區(qū)場區(qū)成像試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)間涵蓋具有明顯季節(jié)特征的晴天、霾天、陰天等不同天候和不同時(shí)間段，實(shí)景地物與背景的最高灰度差為237，最小灰度差為6，灰度對比覆蓋了0～10、10～20、20～30、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120、120～130、140～150、150～160、160～170、170～180、190～200、200～210、230～240等19個(gè)層次。而模擬材料與背景的最高灰度差為139.5，最小灰度差為4.6，覆蓋了0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120、120～130、130～140等14個(gè)層次。所選光學(xué)特性模擬材料覆蓋了實(shí)景地物與背景對比的14個(gè)灰度層次(從0～10到130～140)，且二者的最小灰度差較接近，都在5左右。對于光學(xué)成像系統(tǒng)，目標(biāo)背景灰度差大于100及150以上的屬于易識別目標(biāo)，大于20一般為可識別目標(biāo)，對灰度差小于20的目標(biāo)識別能力是考核重點(diǎn)。人工景象區(qū)較完整地模擬了實(shí)景地物的光學(xué)特征差。

5 結(jié)論

1) 通過具體應(yīng)用實(shí)例表明，用光學(xué)特性模擬材料構(gòu)建的人工景象區(qū)，實(shí)現(xiàn)了對真實(shí)地物背景的幾何和光學(xué)特性等效模擬，滿足光學(xué)成像系統(tǒng)性能考核要求；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)成像系統(tǒng)試驗(yàn)場低成本、利用率高等試驗(yàn)保障目標(biāo)。

2) 課題研究對模擬材料的發(fā)展和應(yīng)用，尤其大面積場景光學(xué)特性等效方面提供了有效借鑒。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research on Optical Properties Equivalence Simulation of Suface Object Based on Simulation Materials

GU Jian-Guang1,2，ZHANG Feng-lin2，ZHOU Xu2， CHENG Hai-Feng1， ZHANG Chao-Yang1

(1.College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2.The No. 63918thTroop of PLA, Beijing 100028, China)

The design of optical properties of simulation materials and the design technologies of artificial scene matching were studied, and the system of test and verification of artificial scene region were constructed. The study of this paper has been used successfully in optical imaging system tests, and it is very important for the support of optical imaging system tests and the widespread use of simulation materials.

optical properties simulation material; artificial scene matching; optical imaging system; equivalence design

2016-10-28；

2016-11-25 作者簡介：谷建光(1972—),男,博士,工程師,主要從事裝備試驗(yàn)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.034

谷建光,張鳳林,周旭，等.基于模擬材料的地表景物光學(xué)特性模擬關(guān)鍵技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):147-151.

format:GU Jian-Guang，ZHANG Feng-lin，ZHOU Xu, et al.Research on Optical Properties Equivalence Simulation of Suface Object Based on Simulation Materials[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):147-151.

TJ06; TN213

A

2096-2304(2017)03-0147-05