寇添 于雷 周中良 王海晏 阮鋮巍 劉宏強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院,西安 710038)

機(jī)載光電系統(tǒng)探測空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)的光譜輻射特征研究?

寇添?于雷 周中良 王海晏 阮鋮巍 劉宏強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院,西安 710038)

(2016年10月1日收到;2016年11月6日收到修改稿)

深空背景中機(jī)動(dòng)目標(biāo)光譜輻射探測是目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式和屬性識(shí)別的重要研究內(nèi)容.基于光譜散射和輻射理論,首先建立了復(fù)雜背景環(huán)境中目標(biāo)反射背景輻射分布函數(shù),然后根據(jù)氣動(dòng)加熱引起的目標(biāo)蒙皮溫度場分布情況,建立了角水平和角俯仰的目標(biāo)本征光譜輻射模型;結(jié)合空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程和目標(biāo)本體坐標(biāo)系與探測器坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系矩陣,重點(diǎn)分析了目標(biāo)不同機(jī)動(dòng)模式下光譜響應(yīng)信號(hào)的時(shí)空過程性變化特點(diǎn).仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,探測器中的光譜響應(yīng)信號(hào)因目標(biāo)時(shí)空域的變化而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn),說明了目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式與光譜響應(yīng)信號(hào)間存在顯著的特征映射關(guān)系,這為解決目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式可分性問題提供了可行性,同時(shí)得出了目標(biāo)姿態(tài)和空域相對(duì)位置是影響光譜響應(yīng)信號(hào)特征的主要因素的結(jié)論.

光譜輻射,目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式,信號(hào)特征,仿真實(shí)驗(yàn)

1 引 言

復(fù)雜電磁環(huán)境下,隨著雷達(dá)隱身技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測識(shí)別效果不僅受到較大干擾,且識(shí)別精度大大降低[1,2],而機(jī)載光電探測系統(tǒng)的地位因此日益凸顯,它具有信息共享快、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于深空目標(biāo)探測和識(shí)別[3].機(jī)載平臺(tái)下,空中目標(biāo)探測具有動(dòng)態(tài)性,機(jī)載紅外探測器接收到的目標(biāo)和背景輻射信號(hào)并不是平穩(wěn)信號(hào),它決定于目標(biāo)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、目標(biāo)和探測器空間位置關(guān)系、介質(zhì)傳輸信道以及探測器響應(yīng)特性等,因此,多因素的共同作用使得機(jī)載光電探測系統(tǒng)俘獲的空中目標(biāo)輻射信號(hào)呈現(xiàn)出隨機(jī)過程的時(shí)空特性.

在目標(biāo)輻射特性研究方面,袁軼慧等[4]基于氣動(dòng)加熱原理,對(duì)空中飛行彈丸目標(biāo)建立熱平衡微分方程,得到了目標(biāo)蒙皮輻射特性變化規(guī)律.宗靖國等[5]建立了一種新的目標(biāo)紅外輻射特性計(jì)算模型,對(duì)隱身飛機(jī)尾焰的紅外輻射特性進(jìn)行了研究分析.崔雪等[6]研究了各向異性發(fā)射點(diǎn)源外形對(duì)目標(biāo)紅外輻射信號(hào)的影響分析,并采用蒙特卡羅方法建立了目標(biāo)到探測器的紅外傳輸模型.在考慮背景輻射和目標(biāo)反射輻射的情況下,孫成明等[7]根據(jù)光輻射和散射定律,提出了空間目標(biāo)紅外輻射特性的精確建模方法.這些研究都是基于靜態(tài)目標(biāo)的輻射特性分析,所建立的模型更適合于合作目標(biāo)的紅外光譜探測,并沒有考慮目標(biāo)自身姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)目標(biāo)紅外輻射信號(hào)特性的影響.近年來,目標(biāo)紅外輻射動(dòng)態(tài)特性分析開始成為研究熱點(diǎn),閆佩佩等[8]根據(jù)漫反射模型,考慮了目標(biāo)姿態(tài)的變化以及太陽、地球和目標(biāo)之間的位置關(guān)系,提出了地表反射光在空間目標(biāo)表面的照度計(jì)算方法.于靖等[9]通過分析旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征,構(gòu)建了紅外探測器的輸出信號(hào)與目標(biāo)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)之間的關(guān)系.王盈等[10]基于Sinda/G和Matlab軟件分析了空間球面殼體目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度以及不同時(shí)刻、不同觀測方向接收到的目標(biāo)紅外輻射信號(hào),這對(duì)實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)探測跟蹤提供了理論依據(jù).

實(shí)際上,目標(biāo)紅外輻射信號(hào)包含著目標(biāo)豐富的時(shí)空特性,它們直接與目標(biāo)屬性及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān),很多學(xué)者主要將其應(yīng)用于目標(biāo)屬性的識(shí)別[11].然而,采用光譜波段進(jìn)行目標(biāo)探測識(shí)別的方法中,通常局限于通過目標(biāo)的形狀和結(jié)構(gòu)等物理特征來區(qū)分目標(biāo)[12],且往往將目標(biāo)姿態(tài)變化引起的光譜輻射空間分布的調(diào)制當(dāng)作背景輻射干擾或探測器噪聲而加以抑制,完全忽略了蘊(yùn)含在目標(biāo)特征信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)行為信息[13].目前,雷達(dá)特征信號(hào)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式之間的聯(lián)系研究的比較廣泛,而基于紅外特征信號(hào)輔助的機(jī)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的研究文獻(xiàn)較為匱乏.因此,本文通過分析機(jī)動(dòng)目標(biāo)光譜特征信號(hào),旨在建立光譜特征信號(hào)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式之間的映射關(guān)系,解決目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式的可分性問題.

2 目標(biāo)光譜輻射空間分布

2.1 目標(biāo)反射背景光譜輻射空間分布

特定方位上,目標(biāo)反射背景輻射對(duì)機(jī)載光電系統(tǒng)接收的光譜信號(hào)能量有著較為強(qiáng)烈的影響.這些背景輻射主要來源于太陽、大氣、地面熱輻射以及大氣和地面的二次反射輻射.實(shí)際情況中,目標(biāo)反射背景輻射強(qiáng)度空間分布與背景輻射波長和亮度、太陽高低角、目標(biāo)機(jī)航向、目標(biāo)蒙皮反射率等密切相關(guān).建立目標(biāo)反射背景輻射空間分布如圖1所示,圖中(Oxyz)表示以目標(biāo)中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系,β表示太陽高低角,α表示目標(biāo)側(cè)向角.

圖1 目標(biāo)反射背景輻射空間分布Fig.1.The spatial distribution of target reflecting background radiation.

由于目標(biāo)反射背景輻射較為復(fù)雜,需要分解分析,即從xOy水平面和yOz俯仰面進(jìn)行分析.在xOy水平面內(nèi),目標(biāo)反射背景輻射主要受天空背景和太陽輻射的影響.假若目標(biāo)機(jī)迎著太陽飛行,即太陽高低角β∈(0,π/2).于是得到xOy水平面內(nèi)目標(biāo)反射背景輻射強(qiáng)度空間分布為

式中,ρt(λ)表示目標(biāo)蒙皮反射率,Esun(λ)表示太陽輻射照度,Lsky(λ)表示天空背景輻射亮度;α表示xOy面內(nèi)平面角,目標(biāo)前向?yàn)槠瘘c(diǎn),逆時(shí)針方向?yàn)檎?Ahead,Aside和Atail分別表示目標(biāo)迎頭投影面積、側(cè)面投影面積和尾后投影面積.

在yOz俯仰平面內(nèi),由于目標(biāo)上下表面反射輻射源和輻射強(qiáng)度都不同,因此需要分開討論.在目標(biāo)上表面,目標(biāo)反射背景輻射主要受天空背景和太陽輻射的影響,下表面則受地面輻射以及大氣和地面的二次輻射影響.在目標(biāo)上表面,根據(jù)光反射和朗伯源輻射余弦定律,可以得到目標(biāo)反射背景輻射強(qiáng)度空間分布為

式中,ρa(bǔ)(λ)表示大氣散射系數(shù),Aon表示目標(biāo)上表面投影面積;θ表示yOz面內(nèi)平面角,目標(biāo)前向?yàn)槠瘘c(diǎn),逆時(shí)針方向?yàn)檎?在目標(biāo)下表面,目標(biāo)反射背景輻射強(qiáng)度空間分布為

式中τe(λ,h)=exp[-(λ)·h]表示地面輻射到目標(biāo)高度間的平均透過率,(λ)表示平均衰減系數(shù).

2.2 目標(biāo)本征光譜輻射空間分布

目標(biāo)本征輻射強(qiáng)度來源于目標(biāo)蒙皮、尾噴口和尾焰,蒙皮輻射強(qiáng)度與大氣層溫度和目標(biāo)速度密切相關(guān),當(dāng)目標(biāo)在不同大氣層中高速飛行時(shí),目標(biāo)蒙皮由于氣動(dòng)加熱現(xiàn)象而導(dǎo)致蒙皮溫度上升,對(duì)于高速目標(biāo)來說,這種溫升效果更加明顯.在大氣同溫層中,氣動(dòng)加熱引起目標(biāo)蒙皮的溫度場分布較為復(fù)雜,下面主要利用工程簡化算法計(jì)算目標(biāo)不同部位的溫度,其表達(dá)式為

式中,Thead,Tside和Ttail分別表示目標(biāo)迎頭駐點(diǎn)、側(cè)面蒙皮和尾后方溫度,T0為周圍大氣溫度;V0和Vt分別表示實(shí)地音速和目標(biāo)速度;γ為質(zhì)量熱熔比,一般γ=1.4;r為恢復(fù)系數(shù),層流r=0.82,紊流r=0.87;Ta為尾噴口渦輪后邊熱電偶讀出的廢氣溫度;p1/p0表示靜壓比,一般p1/p0=0.5.由普朗克定律得到目標(biāo)輻射出射度為

式中c1=3.7415×10-16W·m2,c2=1.4388×10-2m·K;λ1到λ2表示輻射波段.在目標(biāo)xOy水平面內(nèi),目標(biāo)本征輻射強(qiáng)度空間分布為

式中εt(λ)和εa(λ)分別表示目標(biāo)蒙皮和尾焰氣體發(fā)射率;Mhead,Mside和Mtail分別表示目標(biāo)迎頭駐點(diǎn)、蒙皮和尾噴輻射出射度.則在目標(biāo)yOz俯仰平面內(nèi),目標(biāo)本征輻射強(qiáng)度空間分布為

式中Mon為目標(biāo)上表面輻射出射度,且Mon=Mside,Aon為目標(biāo)輻射投影面積.

3 目標(biāo)機(jī)動(dòng)過程光譜時(shí)空特性

3.1 目標(biāo)時(shí)空機(jī)動(dòng)模式數(shù)學(xué)描述

以平面機(jī)動(dòng)為例進(jìn)行分析,則在平面直角坐標(biāo)系中,假設(shè)目標(biāo)在t時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)矢量表示為其中,[x(t),y(t)]表示目標(biāo)在X(t)狀態(tài)的位置,表示目標(biāo)在X(t)狀態(tài)的速度分量.一個(gè)周期轉(zhuǎn)動(dòng)方向角為θ,則可以將模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述為

式中,at為切向加速度,an為法向加速度.(9)式的離散時(shí)間狀態(tài)方程為

式中,Xk和Xk+1分別表示系統(tǒng)在k和k+1時(shí)刻的狀態(tài),Φk+1/k為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,Bk為輸入狀態(tài)矩陣,Wk表示理想運(yùn)動(dòng)軌跡中的噪聲擾動(dòng),Gk是系統(tǒng)噪聲轉(zhuǎn)移矩陣,φk為角加速度.(10)式表達(dá)了轉(zhuǎn)彎模型的一般系統(tǒng)方程,它可以很好地解決轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)建模問題.當(dāng)ωT的大小接近0時(shí),通過數(shù)學(xué)變換,(10)式即可轉(zhuǎn)化為形式更為簡單的勻速模型(CV).

3.2 光譜信號(hào)特征分析

空間目標(biāo)機(jī)動(dòng)過程中,為了更好地描述目標(biāo)光譜信號(hào)時(shí)空特性的俘獲過程,建立空間目標(biāo)本體坐標(biāo)系與探測器坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系矩陣,將空間目標(biāo)在本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為探測器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值.目標(biāo)與機(jī)載探測器坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系如圖2所示.圖2中列舉了目標(biāo)尾追和迎頭的三種機(jī)動(dòng)行為,情況A為目標(biāo)直線加速機(jī)動(dòng)飛行,情況B為目標(biāo)做水平90?轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)飛行,情況C為目標(biāo)做水平蛇形機(jī)動(dòng)飛行.圖中t0,t1,t2是時(shí)間軸上的不同時(shí)刻,它將記錄光譜輻射特征的變化過程;φ角表示空間目標(biāo)相對(duì)于探測器坐標(biāo)系的方位角.圖2中這種關(guān)系隱含著目標(biāo)不再是點(diǎn)源輻射,而是可以看作具有姿態(tài)旋轉(zhuǎn)的六自由度輻射源,當(dāng)從不同觀測方向探測目標(biāo)并考慮時(shí)間軸的輻射積分過程時(shí),目標(biāo)即會(huì)呈現(xiàn)不同的輻射特征.

以水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)為例,若以迎頭飛行方向?yàn)閰⒖计瘘c(diǎn),則目標(biāo)旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)角度可用目標(biāo)側(cè)向角α表示.空間目標(biāo)光譜輻射經(jīng)過大氣衰減傳輸,被機(jī)載紅外探測器所接收,探測器面接收到的光譜輻射強(qiáng)度為

式中,τ(λ,R)表示光譜 透過率,即τ(λ,R)=exp[-μ(λ)·R];σb(λ)為背景輻射噪聲,δ為信號(hào)衰減因子,τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率,τ(λ,R)為大氣透過率.當(dāng)在一定時(shí)段內(nèi)連續(xù)進(jìn)行目標(biāo)探測跟蹤時(shí),目標(biāo)光譜輻射便在探測器中形成具有一定特征的連續(xù)輻射信號(hào),這些光譜輻射在探測器中的電壓響應(yīng)信號(hào)為

圖2 不同機(jī)動(dòng)方式的空中目標(biāo)探測示意圖 (a)尾追探測;(b)迎頭探測Fig.2.The diagramsof aerial target detection with different maneuveringmodes：(a)The case of tail-on detection;(b)the case of head-on detection.

Vn為噪聲電壓,D?為比探測率,Ad為光敏元面積,Δf為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬,A0為有效入瞳面積.從(12)式可以看出,光譜輻射信號(hào)特征與目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方位角、輻射波段、探測器性能以及背景環(huán)境等因素緊密相關(guān).由于在機(jī)動(dòng)過程中,目標(biāo)機(jī)動(dòng)空域背景輻射變化不大,目標(biāo)輻射波段隨速度變化不明顯,探測器性能在一定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)穩(wěn)定的條件下,光譜輻射信號(hào)特征主要受目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式的影響.空中目標(biāo)通常有較為固定的幾種機(jī)動(dòng)形式,每種機(jī)動(dòng)形式都會(huì)使得載機(jī)探測器接收到的光譜輻射呈現(xiàn)不同的時(shí)空變化特性,而且特性變化差異較大,因此,通過光譜輻射曲線特性識(shí)別目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式具有較大的可能性,這為目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式識(shí)別提供了一種新方法.

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

仿真參數(shù)設(shè)定：大氣衰減系數(shù)為μ=0.4,太陽可等效為溫度為6000 K的黑體輻射,垂直入射到地球表面的輻照度約為880—900 W/m2.目標(biāo)機(jī)迎頭投影面積Ahead=9 m2,側(cè)視同影面積Aside=20 m2,俯視投影面積Apitch=33 m2,其所處大氣層高度H=1 km.機(jī)載IRST紅外探測系統(tǒng)參數(shù)：光學(xué)孔徑D0(NA)=0.5 m,光學(xué)系統(tǒng)透過率τ0=0.75,光敏元件大小a=0.15×0.15 mm,像元個(gè)數(shù)n=64,可分辨像元素尺寸為26μm,光學(xué)系統(tǒng)總透過率τ0=0.95,信號(hào)衰減因子δ=0.85,探測比D?=2.0×1010cm·Hz-1/2·W-1,系統(tǒng)測量電路頻帶寬Δf=5.0×103Hz.

4.1 迎頭直線加速機(jī)動(dòng)光譜響應(yīng)特征

當(dāng)目標(biāo)和機(jī)載探測器均以300 m/s的速度相對(duì)勻速直線迎頭接近,即目標(biāo)無機(jī)動(dòng)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖3所示.隨著相對(duì)距離的減小,探測器所探測的光譜信號(hào)信噪比呈現(xiàn)增大趨勢,在開始階段,由于距離較遠(yuǎn),目標(biāo)光譜輻射信號(hào)衰減嚴(yán)重,探測器所探測到的光譜信號(hào)較為微弱,信噪比增幅速率較小,但在50 s后增幅速率較快,在60 s時(shí)信噪比達(dá)到了15 dB,整體上光譜信號(hào)呈現(xiàn)緩慢的指數(shù)式增長特性.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)勻速直線運(yùn)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.3.(color online)Thespectral response signal of target in uniform linear motion mode.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)勻加速直線機(jī)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.4.(color online)The spectral response signal of target in uniformly acceleratedrectilinear motion mode.

當(dāng)目標(biāo)和載機(jī)初速為300 m/s,而目標(biāo)以2 m/s的加速度加速機(jī)動(dòng)迎頭接近載機(jī)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖4所示.由于目標(biāo)加速機(jī)動(dòng),其蒙皮熱流密度急劇升高,紅外輻射強(qiáng)度增大,隨著相對(duì)距離的減小,探測器所探測的光譜信號(hào)信噪比總體上大于圖3中的光譜信噪比,并呈現(xiàn)指數(shù)式增長特性,僅在45 s左右信噪比就達(dá)到了15 dB.

4.2 尾追直線加速機(jī)動(dòng)光譜響應(yīng)特征

當(dāng)目標(biāo)以330 m/s,載機(jī)以300 m/s的速度同向飛行,且載機(jī)探測器尾追探測目標(biāo)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖5所示.開始階段,由于目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口朝向載機(jī)探測器,目標(biāo)高溫尾焰具有較大的輻射強(qiáng)度,因而載機(jī)探測器光譜響應(yīng)信噪比較高,隨著目標(biāo)和載機(jī)之間的距離增大,光譜響應(yīng)信號(hào)逐漸減小,整體趨勢上呈現(xiàn)線性遞減特性,但相同時(shí)間內(nèi)的光譜響應(yīng)信噪比都高于圖3、圖4的光譜響應(yīng)結(jié)果.

當(dāng)目標(biāo)和載機(jī)初速為300 m/s,而目標(biāo)以2 m/s的加速度機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)離載機(jī)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖6所示.從圖6可以看出,開始階段光譜響應(yīng)的幅度和變化速率與圖5光譜響應(yīng)結(jié)果類似,隨著時(shí)間的推移,探測器光譜響應(yīng)信號(hào)呈現(xiàn)非線性特性,即近似指數(shù)式減小趨勢,這與圖6的探測器光譜響應(yīng)特性存在明顯差異,同時(shí)可區(qū)分目標(biāo)是否存在加速直線機(jī)動(dòng)行為.

4.3 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)光譜響應(yīng)特征

當(dāng)載機(jī)初速為300 m/s,目標(biāo)以330 m/s的速度蛇形機(jī)動(dòng)接近載機(jī)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖7所示.從圖7可以看出,當(dāng)目標(biāo)做蛇形機(jī)動(dòng)時(shí),光譜響應(yīng)的時(shí)空特性較為明顯,整體上呈現(xiàn)非線性增長趨勢,但在光譜響應(yīng)信號(hào)A,B兩處具有明顯特性,這里的信號(hào)有5 s左右的下陷,結(jié)合目標(biāo)機(jī)動(dòng)航跡分析看出,這是由于目標(biāo)迎頭做較大轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)所引起的,也是目標(biāo)做蛇形機(jī)動(dòng)最為典型的特征.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)勻速直線運(yùn)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.5.(color online)The spectral response signal of target in uniform linear motion mode.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)勻加速直線機(jī)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.6.(color online)The spectral response signal of targetin uniformly accelerated rectilinear motion mode.

當(dāng)目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)離載機(jī)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖8所示.與圖7相比,圖8中光譜響應(yīng)信號(hào)特征與圖7在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)處都有5 s左右的顯著變化,時(shí)間特性相同但空間特性不同,圖8中的信號(hào)呈現(xiàn)凸起變化特征,這是由于目標(biāo)在做轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)時(shí),高溫度的尾噴口輻射向載機(jī)探測器引起的.光譜響應(yīng)信號(hào)整體呈現(xiàn)非線性減小趨勢,且速率減小緩慢,在1 min內(nèi)光譜響應(yīng)信噪比僅變化了大約10 dB左右,而圖7中的結(jié)果則變化了40 dB左右.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)接近載機(jī)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.7.(color online)The spectral response signal of target approaching airborne using S maneuvering motion mode.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)離載機(jī)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.8.(color online)The spectral response signal of target away from airborne using S maneuvering motion mode.

4.4 目標(biāo)圓周機(jī)動(dòng)光譜響應(yīng)特征

當(dāng)載機(jī)初速為300 m/s,目標(biāo)以330 m/s的速度逆時(shí)針圓周機(jī)動(dòng)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖9所示,圖中藍(lán)色三角符號(hào)是起點(diǎn),藍(lán)色圓圈符號(hào)是終點(diǎn).圖9中的光譜響應(yīng)信號(hào)明顯區(qū)別于其他目標(biāo)機(jī)動(dòng)形式下的信號(hào)時(shí)空特征.圖9中有三處明顯光譜特征,它們對(duì)應(yīng)著不同時(shí)段的目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式,C時(shí)段0—10 s間光譜信號(hào)幅度呈現(xiàn)遞減趨勢,它是由于目標(biāo)從高溫尾噴口沖向載機(jī)開始逐漸迎頭朝向載機(jī)探測器圓周機(jī)動(dòng)引起的;D時(shí)段10—40 s間光譜信號(hào)幅度起伏變化不大,這是因?yàn)檩d機(jī)探測器一直處于目標(biāo)側(cè)方位置,相對(duì)于載機(jī)探測器的光譜輻射強(qiáng)度基本保持不變;而E時(shí)段40—60 s間光譜響應(yīng)信號(hào)先增大后減小,且上升沿和下降沿變化速率較大,峰值處是由于目標(biāo)的高溫尾噴口沖向了載機(jī)探測器引起的.

當(dāng)目標(biāo)順時(shí)針機(jī)動(dòng)時(shí),目標(biāo)、載機(jī)空間航跡和探測器光譜響應(yīng)信號(hào)如圖10所示,藍(lán)色三角符號(hào)和圓圈符號(hào)分別表示起點(diǎn)和終點(diǎn).與圖9相比,圖10僅有一個(gè)光譜響應(yīng)峰值,這是由于目標(biāo)順時(shí)針機(jī)動(dòng)時(shí),僅有一次高溫尾噴口沖向載機(jī)探測器的情況.圖10同樣呈現(xiàn)三處明顯的光譜特征,F時(shí)段0—10 s間和H時(shí)段40—60 s間光譜信號(hào)幅度基本沒有變化,這與圖9中的D時(shí)段原因相同;而G時(shí)段10—40 s間光譜響應(yīng)信號(hào)變化劇烈,且上升沿較為陡峭,下降沿變化較為緩慢,這是由于目標(biāo)高溫尾噴口先沖向了載機(jī)探測器引起了光譜響應(yīng)信號(hào)急劇上升,而后隨著載機(jī)探測器接近目標(biāo),光譜響應(yīng)信號(hào)變得較為緩慢,這說明空間距離因素對(duì)光譜響應(yīng)信號(hào)的空間特性影響較大.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)逆時(shí)針勻速圓周機(jī)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.9.(color online)The spectral response signal of target in anticlockwise circling motion mode.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)目標(biāo)順時(shí)針勻速圓周機(jī)動(dòng)下的光譜響應(yīng)信號(hào)Fig.10.(color online)The spectral response signal of target in clockwise circling motion mode.

5 結(jié) 論

通過分析目標(biāo)光譜輻射空間分布函數(shù),在特定方位上,目標(biāo)反射背景輻射較為強(qiáng)烈,背景光譜輻射影響不可忽略.考慮了背景輻射波長和亮度、太陽高低角、目標(biāo)機(jī)航向、目標(biāo)蒙皮反射率等因素,結(jié)合目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式數(shù)學(xué)模型,深入分析了目標(biāo)機(jī)動(dòng)過程的光譜響應(yīng)信號(hào)特性,得出光譜時(shí)空特性與目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式之間存在映射關(guān)系;然后選取了四種典型目標(biāo)機(jī)動(dòng)方式,進(jìn)行了光譜響應(yīng)特征仿真實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),目標(biāo)不同機(jī)動(dòng)方式下的光譜響應(yīng)曲線呈現(xiàn)不同的時(shí)空特性.實(shí)驗(yàn)證明,光譜響應(yīng)特征曲線為反演目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式識(shí)別提供了可行性.通過提取同一時(shí)段的目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式和光譜特征數(shù)據(jù),可建立目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式與光譜響應(yīng)時(shí)空特性映射關(guān)系數(shù)據(jù)庫,這種通過信號(hào)級(jí)的特征信息識(shí)別目標(biāo)機(jī)動(dòng)模式是非常有潛力的研究方向,它是目標(biāo)跟蹤、識(shí)別和高層態(tài)勢評(píng)估的基礎(chǔ).

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PACS:95.85.Sz,78.20.Bh,78.68.+m,78.90.+t DOI:10.7498/aps.66.049501

Spectral radiant characteristic of airborne optoelectronic system detecting aerial maneuver target?

Kou Tian?Yu LeiZhou Zhong-Liang Wang Hai-Yan Ruan Cheng-WeiLiu Hong-Qiang
(Aeronautics and Astronautics Engineering College,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

1 October 2016;revised manuscript

6 November 2016)

Spectral radiation detection in deep space background is an important fundamental research in the field of infrared target detection and identification.Based on the spectral radiation and scattering theory,the spatial distribution model of aerial target reflecting background radiation under complex environment is first built.Then the horizontal and pitch spectral radiation models of target are built based on target skin temperature distribution caused by aerodynamic heating.Combining the target motion equation and relative rotation matrix between target matrix and detector matrix,the process-oriented characteristic of spectral response signal with spatiotemporal variation is emphatically analyzed.The simulation results indicate that different target maneuver modes cause different characteristics of spectral response signal,which shows that a remarkable mapping relationship exists between the target maneuver mode and spectral response signal characteristic.Thus using the spectral response signal to identify target maneuver mode provides a feasible method,and the target posture and relative position are the main factors to affect the spectral response signal characteristic.

spectral radiation,target maneuver mode,signal characteristic,simulation experiment

:95.85.Sz,78.20.Bh,78.68.+m,78.90.+t

10.7498/aps.66.049501

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：61172083)資助的課題.

?通信作者.E-mail：shanxiakkt@163.com

*Projection supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61172083).

?Corresponding author.E-mail：shanxiakkt@163.com