陳 棟 孟 奇 連細(xì)南

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室 合肥 230031）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、云計算等技術(shù)被不斷應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，高速飛行條件下高效快速的信息交互成為了該領(lǐng)域研究的重點。通常情況下，物體飛行速度大于1Ma可認(rèn)為是高速飛行；飛行速度超過5Ma則為高超聲速飛行［1］。處于高速飛行狀態(tài)下的物體，通常具有體積小、速度快的特點，在與大氣層內(nèi)空氣劇烈摩擦后，表面會積累熱量，輻射紅外信號。對于該類目標(biāo)的常用探測手段通常包括雷達(dá)探測和紅外探測，由于地球曲率的存在不利于雷達(dá)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時探測，這種情況下可利用紅外系統(tǒng)探測、捕獲高速飛行目標(biāo)信息；但當(dāng)紅外探測系統(tǒng)自身處于高速飛行狀態(tài)時，往往會受到光學(xué)窗口自身輻射、周圍空氣場擾動等因素制約，探測效果會受到很大的影響。因此，開展高速飛行下紅外探測關(guān)鍵技術(shù)研究有著非常重要的現(xiàn)實意義。

2 高速飛行條件下紅外探測系統(tǒng)平臺技術(shù)研究

目前，搭載紅外探測系統(tǒng)的平臺主要包括天基、地基、空基、彈載系統(tǒng)等。天基平臺以衛(wèi)星為載體，通過搭載紅外探測設(shè)備可對不同飛行階段的高速目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警探測和監(jiān)視；地基平臺依托地面或艦船上大口徑紅外望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，對高速飛行目標(biāo)進(jìn)行觀測；空基平臺紅外系統(tǒng)常部署在戰(zhàn)斗機、平流層飛艇上，目前應(yīng)用較少，但前景廣闊；彈載平臺紅外系統(tǒng)能夠適應(yīng)高速飛行條件，滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭中遠(yuǎn)程精確打擊要求，目前廣泛應(yīng)用于各類精確制導(dǎo)導(dǎo)彈探測系統(tǒng)中。

2.1 天基平臺

當(dāng)前，國外只有極少數(shù)國家擁有在軌服役的天基紅外探測系統(tǒng)，以美俄為例，“SBIRS”和“EKS”系統(tǒng)具有對導(dǎo)彈多個飛行階段預(yù)警跟蹤的能力，法國、德國、日本也在積極開展相關(guān)技術(shù)儲備［2～3］。國內(nèi)對天基紅外探測系統(tǒng)也進(jìn)行了深入研究，我國已成功發(fā)射天基紅外戰(zhàn)略導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星，具備相關(guān)技術(shù)研究能力。

國外天基紅外系統(tǒng)衛(wèi)星平臺經(jīng)歷了從單一的地球同步軌道或大橢圓軌道，到雙軌道結(jié)合使用，再到與高低軌道組網(wǎng)配合使用的發(fā)展過程［4］，高軌預(yù)警衛(wèi)星，主要針對彈道導(dǎo)彈早期助推階段進(jìn)行偵測預(yù)警，低軌衛(wèi)星則補充了上述衛(wèi)星平臺在導(dǎo)彈助推段結(jié)束、尾焰不明顯無法持續(xù)跟蹤的局限性，實現(xiàn)了對導(dǎo)彈長時間跟蹤。此外，衛(wèi)星上搭載的紅外探測器件逐步發(fā)展為多波段探測、多像元線陣掃描和大面積凝視陣列結(jié)合探測，且探測器可在短波、中波、中長波等多波段協(xié)同工作，其中紅外短波大視場負(fù)責(zé)掃描發(fā)現(xiàn)飛行目標(biāo)信息，中長波段完成小視場跟蹤任務(wù)。

但是，由于探測距離遠(yuǎn)會導(dǎo)致探測分辨率低，天基平臺只能對中高空飛行目標(biāo)進(jìn)行探測，無法準(zhǔn)確探測低空飛行目標(biāo)，故通常用于早期預(yù)警。為提高預(yù)警探測能力，可采用多維度軌道布置和更高靈敏度探測器件。也可同其他平臺探測器配合使用，進(jìn)而提升探測能力。

2.2 地基平臺

地基紅外探測系統(tǒng)主要用于地面或海上對高空飛行目標(biāo)的探測，比如高速導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭等。地基紅外探測系統(tǒng)通常部署在地基大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上，探測系統(tǒng)能夠探測空間目標(biāo)的溫度及紅外輻射特性密度區(qū)域，進(jìn)而獲得其運行狀態(tài)［5］。在實現(xiàn)觀測過程中，需要采用濾光片抑制輻射影響；為進(jìn)一步減小輻射對探測器的影響，研究多采用冷光學(xué)技術(shù)降低終端光學(xué)元件紅外特征，減小內(nèi)外熱量的傳遞。

國外地基平臺技術(shù)的使用比較成熟，比較先進(jìn)的有美國新墨西哥州柯特蘭空軍基地星火光學(xué)靶場探測系統(tǒng)等，國內(nèi)也開展了對相關(guān)領(lǐng)域的研究。由于地基平臺系統(tǒng)同樣會受到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡自身因素的限制，使得該類紅外探測系統(tǒng)作用覆蓋范圍有限，與此同時地基平臺較其他平臺相比機動性差，探測高速飛行的目標(biāo)存在很大的局限性，光學(xué)成像鏡的工藝問題仍是亟待解決的技術(shù)難點。

2.3 空基平臺

空基紅外探測系統(tǒng)比較常見的是機載方式，世界各國具備探測能力的作戰(zhàn)飛機基本都搭載了紅外探測系統(tǒng)，可對空間飛行目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測［6］。除此之外，平流層飛艇搭載紅外系統(tǒng)逐漸進(jìn)入人們視野，該平臺與空基、地基探測相比，具有工作環(huán)境優(yōu)良、性能穩(wěn)定、可大區(qū)域載荷放置平臺等優(yōu)點。飛艇平臺一般停留在20km以上的平流層高空［7］，長度在百米量級。飛艇具備靈活機動的特點，為增大其探測范圍，可采用艇腹懸掛方式安裝探測系統(tǒng)，設(shè)置多個紅外載荷并形成三角布局，再輔以艇身的整體轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)寬視場觀測；也可采取多邊形覆蓋方式組網(wǎng)布局［8］，可有效提高探測效率。

圖1 飛艇平臺組網(wǎng)示意圖

戰(zhàn)斗機部署紅外探測系統(tǒng)的技術(shù)已相對成熟，但由于其飛行距離短等因素，無法遠(yuǎn)距離長時間工作。隨著飛艇探測系統(tǒng)的光學(xué)載荷技術(shù)和電路承載能力的不斷發(fā)展，相信未來幾年，飛艇紅外探測系統(tǒng)將憑借其長時間工作和低成本化的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。

2.4 彈載平臺

現(xiàn)代軍事中，彈載平臺的加入在很大程度上會改變信息感知方式，進(jìn)而影響敵我戰(zhàn)場態(tài)勢。彈載探測系統(tǒng)，能夠滿足現(xiàn)代武器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程精打要求，能夠突破大部分傳統(tǒng)武器的攻防局限。目前，部分高速導(dǎo)彈上裝備了紅外探測系統(tǒng)，具有代表性的是空空導(dǎo)彈，第四代空空導(dǎo)彈上就應(yīng)用了紅外探測技術(shù)，使得導(dǎo)彈的目標(biāo)探測和打擊能力得到大幅度提高，如美國的AIM-9X、英國的ASRAAM、德國的IRIS-T、法國的MICA-IR和南非的A-Darter等［9］。對于飛行速度大于5Ma的高超聲速飛行器的紅外探測系統(tǒng)部署，相關(guān)裝備應(yīng)用較少，國內(nèi)研究重點主要在紅外導(dǎo)引頭的定性分析、仿真模擬等，相關(guān)技術(shù)尚處于論證當(dāng)中。

由于彈載平臺的高速飛行環(huán)境和小空間體積的限制，探測設(shè)備的光電系統(tǒng)常采用集成化、模塊化等方式；對于惡劣的飛行氣動環(huán)境給紅外導(dǎo)引頭的正常工作帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，常采取相關(guān)氣動光學(xué)效應(yīng)防護(hù)技術(shù)和各類圖像處理算法。如何使紅外導(dǎo)引頭能夠適應(yīng)彈載平臺的復(fù)雜工作環(huán)境，仍是目前國內(nèi)外研究的熱點內(nèi)容。

3 高速飛行條件下氣動光學(xué)效應(yīng)防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

部署在彈載平臺上的紅外探測系統(tǒng)，當(dāng)其在大氣層內(nèi)飛行時，導(dǎo)引頭光學(xué)頭罩和周圍的擾流場作用，會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動光學(xué)效應(yīng)［10］，氣動光學(xué)效應(yīng)包括氣動熱效應(yīng)、熱輻射效應(yīng)和光學(xué)傳輸效應(yīng)等。國內(nèi)外對于氣動光學(xué)效應(yīng)研究仍處于發(fā)展階段，可供參考的實驗數(shù)據(jù)很少。

3.1 氣動熱效應(yīng)

氣動熱效應(yīng)對紅外探測系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為高溫會使探測系統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)等失去正常工作能力。由于彈載平臺在大氣層中高速飛行或高超聲速飛行時，系統(tǒng)表面與周圍流動空氣粘性作用，產(chǎn)生劇烈的高溫效應(yīng)，高溫沿著結(jié)構(gòu)由壁面?zhèn)飨騼?nèi)部，容易造成結(jié)構(gòu)變形和熱應(yīng)力失效等。

為減小氣動熱效應(yīng)帶來的探測系統(tǒng)失效的風(fēng)險，必須做熱防護(hù)處理，比較常用的方法有熱沉防熱、燒蝕防熱、發(fā)汗和薄膜冷卻等［11］。此外，隨著我國一體化熱防護(hù)技術(shù)的高速發(fā)展［12］，綜合防熱與承載功能為一體的波紋夾層結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于表面材料設(shè)計，該結(jié)構(gòu)可節(jié)約材料，提高效率?；谏鲜鰺岱雷o(hù)機理，如果將表面熱防護(hù)結(jié)構(gòu)與燃油、蒸發(fā)冷卻液機構(gòu)綜合設(shè)計，可以有效提升探測系統(tǒng)的熱防護(hù)能力。

3.2 熱輻射效應(yīng)

熱輻射效應(yīng)對紅外探測系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為信號噪聲，噪聲會干擾或淹沒目標(biāo)信號。高速飛行條件下紅外輻射源主要有發(fā)動機熱部件、高溫燃?xì)鈬娏骱惋w行器蒙皮。通常采用減少表面熱傳導(dǎo)和調(diào)控?zé)彷椛涔庾V的方式［13］，實現(xiàn)熱輻射效應(yīng)防護(hù)。

一些吸熱或隔熱溫控材料［14～15］，如 Al-還原氧化石墨烯（Al@RGO）復(fù)合材料、Al-摻銻氧化錫（ATO）、玻璃基底摻鋁氧化鋅（AZO）薄膜可以涂覆在飛行器表面，降低表面溫度和熱傳導(dǎo)，減弱熱輻射對探測系統(tǒng)的影響。此外，選擇性波段吸收材料能夠抑制輻射發(fā)生在紅外大氣窗口（3μm～5μm和8μm～14μm兩個波段）附近，通過調(diào)控?zé)彷椛涔庾V，達(dá)到熱輻射防護(hù)目的。

3.3 光學(xué)傳輸效應(yīng)

光學(xué)傳輸效應(yīng)對紅外探測系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為光學(xué)窗口周圍流場密度、壓力、空氣組分等物理參數(shù)劇烈變化，使探測系統(tǒng)成像發(fā)生偏折、抖動等。

圖2 紅外成像導(dǎo)引頭瞄視誤差示意圖［16］

研究發(fā)現(xiàn)，光束經(jīng)過高速運動空氣擾流場后，會產(chǎn)生一定角度偏移，高速湍流流場引起的傳輸效應(yīng)會使光束產(chǎn)生畸變。而通過對球形、半球形、圓錐形、八棱錐形等導(dǎo)引頭整流罩研究［17］，人們發(fā)現(xiàn)整流罩構(gòu)型也會影響光線傳輸質(zhì)量和傳輸效果，合理改變整流罩面型，可以降低光學(xué)傳輸效應(yīng)對窗口的影響。此外，導(dǎo)引頭整流罩前端溫度最高，溫度由駐點向底端逐漸降低，利用這一點可以將光學(xué)窗口安裝在導(dǎo)引頭側(cè)面，避免其直接暴露在惡劣環(huán)境中，但該安裝方式存在探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、空間尺寸小、間接成像難等問題，仍待后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 高速飛行條件下紅外圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究

高速飛行條件下圖像處理的對象往往是遠(yuǎn)距離弱小目標(biāo)，目標(biāo)信號常淹沒于背景中，因此，抑制圖像背景噪聲，增強目標(biāo)信號，將目標(biāo)同背景環(huán)境區(qū)分開來是成像制導(dǎo)中實現(xiàn)目標(biāo)特征提取、識別和跟蹤的前提。因此需要對紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，常用方法包括探測器非均勻性校正、圖像增強、降噪、分割等。

4.1 探測器非均勻性校正技術(shù)

由于探測器紅外焦平面陣列材料、工藝等的差異，導(dǎo)致探測單元的響應(yīng)率和偏置量不一致，進(jìn)而在采集的圖像中出現(xiàn)固定紋理的噪聲。國內(nèi)外現(xiàn)有許多非均勻性校正（NUC）算法，如兩點校正法能夠在比較窄的動態(tài)范圍內(nèi)修正系統(tǒng)噪聲；多點校正法在兩點校正法的基礎(chǔ)上提高了校正準(zhǔn)確率。為解決非均勻噪聲隨時間和工作環(huán)境變化而漂移的問題，可以采用基于場景的非均勻校正算法［18］，但這類方法對低頻占優(yōu)的噪聲校正效果不理想。為實現(xiàn)更好的非均勻性校正效果，研究人員提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時域高通濾波器等方法［19～20］。目前，各類校正算法能夠在FPGA上實現(xiàn)，但校正計算方法復(fù)雜度較高，在定標(biāo)過程、響應(yīng)漂移、應(yīng)用實際等方面的問題有待進(jìn)一步研究。

4.2 背景抑制技術(shù)

背景抑制技術(shù)，通過抑制圖像噪聲，增強目標(biāo)信息，提高目標(biāo)和背景信號差異性，從而提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確度。目前，國內(nèi)外提出了多種紅外圖像的去噪方法，結(jié)合實際圖像信號與背景的差異及預(yù)期的去噪效果，可選擇適合的空間域或變換域方法。

傳統(tǒng)的空間降噪方法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波，這類方法通常使用具有某種特性的模板在灰度域?qū)D像像素點進(jìn)行操作，降噪處理后往往會使圖像變得平滑，丟失一些細(xì)節(jié)而使圖像變得模糊，視覺效果欠佳。為進(jìn)一步提升圖像降噪后的視覺效果，Tomasi率先提出雙邊濾波算法［21］，目前廣泛應(yīng)用于簡單圖像處理，但該算法處理復(fù)雜噪聲的能力較差。

基于傳統(tǒng)空間域濾波算法，三維塊匹配法、小波降噪算法、Contourlet變換等變換域去噪算法相繼被提出，這在一定程度上解決了簡單空間域降噪效果不佳的問題。三維塊匹配法（BM3D）較早由Dabov［22］提出，通過與當(dāng)前像素點進(jìn)行匹配，該算法利用像素點加權(quán)取均值，從而去除噪聲。小波降噪算法［23～24］能夠通過空域和頻域之間的變換過程實現(xiàn)信號和噪聲的區(qū)分，在頻率較低時具有更高的分辨率，但對于圖像邊緣紋理信息處理效果較差，可提供的方向信息較少。Contourlet變換［25］在一定程度上彌補了小波變換的不足，能夠體現(xiàn)圖像特征的方向性和各向異性，在降噪處理過程中能夠更好的區(qū)分目標(biāo)與噪聲信息。此外，深度學(xué)習(xí)算法被應(yīng)用到圖像去噪中［26］，達(dá)到了更好的降噪效果。

4.3 紅外圖像分割技術(shù)

圖像分割通常是將圖像空間劃分成若干個具有某些一致性屬性的不重疊區(qū)域，圍繞目標(biāo)的邊緣或區(qū)域來實現(xiàn)的，而結(jié)合邊緣和區(qū)域的分割方法，可綜合分析局部灰度突變和區(qū)域灰度的一致性，進(jìn)行圖像分割優(yōu)化處理［27］。

區(qū)域分割方法中的閾值分割，因其簡約高效的特點，長期作為圖像分割的研究熱點［28］。直方圖閾值分割從多種角度分析圖像灰度直方圖的形狀特征，但在噪聲干擾的情況下，離散的直方圖外觀非常不規(guī)則，圖像分割效果一般?；凇办亍钡拈撝捣指睿钤缬蒏apur［29］提出，該方法可以減少直方圖分割造成的信息損失，通過尋找最佳閾值，使分割后的目標(biāo)和背景的熵總值最大，圖像分割效果較好。此外，Komarek［30］在1979年基于最小二乘法原理提出了最大類間方差（Otsu）分割算法，這種典型的聚類閾值分割方法在不斷改進(jìn)中被廣泛應(yīng)用于社會工程實踐中。

通常情況下，直接采用灰度閾值分割的方法效果都不理想，往往需要結(jié)合合理的預(yù)處理方法和圖像分割技術(shù)。對于該領(lǐng)域的研究多依賴于圖像的底層特征、集中于灰度圖像的閾值分割。彩色圖像和帶有時間序列的連續(xù)圖像有著更加豐富的圖像信息，未來結(jié)合圖像的高層信息和先驗知識的算法研究還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

5 結(jié)語

本文歸納分析了高速飛行條件下紅外探測的一些關(guān)鍵技術(shù)研究及其進(jìn)展，多平臺探測系統(tǒng)、氣動光學(xué)效應(yīng)防護(hù)、圖像處理等技術(shù)在紅外探測研究中日益發(fā)揮重要作用；綜合運用多平臺探測系統(tǒng)、探索典型圖像處理方法是未來相關(guān)研究領(lǐng)域技術(shù)積累的重要方向。