王少白 宋璐

摘 要：【目的】為了解決單純紅外探測(cè)無(wú)法直接獲取距離信息的問(wèn)題，對(duì)紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距技術(shù)展開(kāi)研究?！痉椒ā坷媚繕?biāo)的紅外雙波段輻射強(qiáng)度比值隨大氣衰減變化情況不同的原理，通過(guò)解算可獲得目標(biāo)距離信息?！窘Y(jié)果】本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距的相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)和后續(xù)應(yīng)用進(jìn)行分析。【結(jié)論】紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空中目標(biāo)的單站測(cè)距定位，具有一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：紅外；雙波段；被動(dòng)測(cè)距

中圖分類號(hào)：TN219? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）06-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.002

Research on the Technology of Infrared Dual-Band Passive Ranging

WANG Shaobai1 SONG Lu2

（1.Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China; 2.School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the distance information cannot be obtained directly by infrared detection alone， studies the infrared dual-band passive ranging technology. [Methods] Based on the principle that the ratio of infrared dual-band radiation intensity of the target varies with atmospheric attenuation， the target distance information can be obtained by calculation. [Findings] This study summarizes the relevant research results of infrared dual-band passive ranging at home and abroad， and analyzes its key technologies and subsequent applications. [Conclusions] The infrared dual-band passive ranging technology can realize the single-station ranging and positioning of aerial targets， which has certain research significance.

Keywords：infrared; dual-band; passive ranging

0 引言

紅外系統(tǒng)是利用背景和目標(biāo)在紅外波段輻射量上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，其具有分辨率高、隱蔽探測(cè)、不受傳統(tǒng)電磁干擾影響等優(yōu)勢(shì)。但紅外探測(cè)的二維成像探測(cè)原理決定其不能直接用于獲取目標(biāo)的距離信息，還要結(jié)合雷達(dá)、激光等主動(dòng)輻射系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距［1］。而雷達(dá)、激光等主動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)一旦主動(dòng)輻射雷達(dá)波或激光光束，很容易被敵方探測(cè)并定位，并有可能遭受敵方的打擊。因此，只依靠紅外被動(dòng)探測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距定位具有重要意義，世界各國(guó)均開(kāi)展了被動(dòng)測(cè)距技術(shù)的相關(guān)研究。

雙波段被動(dòng)測(cè)距是利用目標(biāo)不同紅外波段的輻射經(jīng)大氣傳輸衰減后輻射強(qiáng)度之比不同的原理，通過(guò)對(duì)輻射量測(cè)量和數(shù)據(jù)的處理，得到目標(biāo)的相對(duì)距離?？罩心繕?biāo)（如導(dǎo)彈、飛機(jī)等）在蒙皮與大氣摩擦生熱或發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰噴射過(guò)程中，會(huì)不斷向外輻射寬譜紅外能量，而不同波段的輻射經(jīng)大氣衰減的程度不同。因此，紅外系統(tǒng)探測(cè)到的輻射強(qiáng)度比值也會(huì)隨距離的變化而有所不同，通過(guò)不同波段的輻射量比值就能計(jì)算出距離的遠(yuǎn)近。通過(guò)特定的數(shù)據(jù)測(cè)量和處理手段，就能得到相應(yīng)的距離信息，從而完成對(duì)目標(biāo)的紅外被動(dòng)定位［2］。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

1.1 美國(guó)國(guó)防部研究所

1994年，Jeffrey等［3］基于目標(biāo)在雙波段的不同照度信息提出一種被動(dòng)測(cè)距的方法，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈被動(dòng)段測(cè)距系統(tǒng)中。其紅外系統(tǒng)共有兩個(gè)波段，通過(guò)對(duì)比不同波段的紅外輻射量來(lái)完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)距。目標(biāo)距離的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：[L0]為初始迭代距離。

[L']的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：C為目標(biāo)雙波段輻射量之比；B為紅外系統(tǒng)探測(cè)到的不同波段輻射量之比；[T1]、[T2]分別為相應(yīng)波段的大氣衰減因子；h、[H]分別為大氣模型中相關(guān)常數(shù)。在上述變量中，輻射量之比、大氣衰減等因素的精度會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

1999年，美國(guó)國(guó)防工業(yè)科研機(jī)構(gòu)使用上述方法對(duì)其測(cè)距進(jìn)行研究和試驗(yàn)，見(jiàn)式（3）［4］。

式中：[C=Sλ2Sλ1]，[Sλi]為目標(biāo)在相應(yīng)波段的輻射強(qiáng)度；[Δταλi，h，R=exp [-（αλ2-αλ1）ρ0hMhTe-h/HcosφdR]]為大氣透過(guò)率，其中[αλi]、[ρ0]、h、H均為大氣模型參數(shù)，hT和hM分別為目標(biāo)的高度和載機(jī)的高度；[Aλi=SλiΔ?R2Δτ（αλi，h，R）]，其中[Δ?]為傳感器的瞬時(shí)視場(chǎng)角，R為目標(biāo)距離。

1.2 加拿大安大略省SPAR航空航天公司

1994年，加拿大安大略省SPAR航空航天公司的Dennis等［5］申請(qǐng)美國(guó)專利，其推導(dǎo)出的雙波段被動(dòng)測(cè)距公式見(jiàn)式（4）。

式中：[λi]為相應(yīng)波長(zhǎng)；[NT（λ）]為目標(biāo)輻射亮度；[NBB（λ，Ta）]為背景輻射亮度；[Ta]為背景溫度；[αi，j]、[βi，j]為大氣模型參數(shù)。

1.3 韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)協(xié)會(huì)

2013年，韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)協(xié)會(huì)的Cho等［6］對(duì)大氣中紅外目標(biāo)的被動(dòng)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)大氣吸收和散射的特性，并結(jié)合黑體輻射定理，給出距離d和溫度T的計(jì)算公式，見(jiàn)式（5）。

式中：[LT（λ）]為探測(cè)器接收到的光譜輻照度；[ελLbb（λ，TT）]為目標(biāo)近似為灰體的輻出射度；[τλ]為透射率；[Lbbλ，TT=c1λ5（1ec2/λT-1）]，c1和c2為普朗克公式中常數(shù)。

由多個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)計(jì)算即可得到距離和溫度。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析得到最佳的測(cè)試條件，即目標(biāo)溫度為500 K、距離為2 000 m、輻射標(biāo)準(zhǔn)差為0.02、輻射率為0.7。在此條件下，測(cè)距誤差小于10%（95%置信概率）。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 西安電子科技大學(xué)

西安電子科技大學(xué)的付小寧［2］自2002年開(kāi)始研究紅外被動(dòng)測(cè)距方法。2006年，該團(tuán)隊(duì)提出一種新的測(cè)距算法，其認(rèn)為前后時(shí)刻內(nèi)遠(yuǎn)距離點(diǎn)源目標(biāo)的輻射強(qiáng)度不變，在美國(guó)海軍大氣模型的基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)輻照度分別得到中波和長(zhǎng)波波段的目標(biāo)距離計(jì)算公式［7］，見(jiàn)式（6）。

式中：[E1n]、[E1（n+1）]、[E2n]、[E2（n+1）]均為觀測(cè)量；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]為按現(xiàn)場(chǎng)情況選定的海軍紅外輻射傳輸模型參數(shù)；[Rn]、[Rn+1]為連續(xù)兩次測(cè)量時(shí)的目標(biāo)距離未知數(shù)。因此，上述方程組可解。經(jīng)研究后認(rèn)為該方法的可行性要優(yōu)于使用大氣消光系數(shù)的計(jì)算方法。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，當(dāng)輻照度的測(cè)量誤差為5%時(shí)，在1～22 km的距離，估計(jì)誤差要小于5%。

2007年，該研究團(tuán)隊(duì)在原有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用不同波段對(duì)比度差異，從而進(jìn)行被動(dòng)測(cè)距［8］。結(jié)合系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)，以美國(guó)海軍大氣模型為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算大氣衰減，從而得到中波和長(zhǎng)波波段下對(duì)比度與目標(biāo)距離之間的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式（7）。

式中：[Cmn]為觀測(cè)對(duì)比度；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]為按現(xiàn)場(chǎng)情況選定的海軍紅外輻射傳輸模型參數(shù)；[Ri]為距離。

2.2 電子工程學(xué)院

電子工程學(xué)院的路遠(yuǎn)等［9］自2003年開(kāi)始研究紅外被動(dòng)測(cè)距方法。2003年，該團(tuán)隊(duì)對(duì)紅外輻射雙色比值的大氣傳輸進(jìn)行研究，基于大氣消光系數(shù)，根據(jù)目標(biāo)輻射量來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離，并給出典型空中目標(biāo)在不同波段比值經(jīng)大氣衰減的變化趨勢(shì)圖。研究認(rèn)為，消光系數(shù)與波長(zhǎng)緊密相關(guān)，分別受吸收和散射效應(yīng)的影響。因此，消光系數(shù)[μλ]的計(jì)算見(jiàn)式（8）。

式中：[μa]、[μs]分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù)。

由吸收和散射造成的大氣透射比的計(jì)算見(jiàn)式（9）。

分別測(cè)量得到中波和長(zhǎng)波波段的輻射量，即可求解出目標(biāo)距離，見(jiàn)式（10）。

式中：[?10]為第一波段第一次測(cè)量到的輻射通量；[?11]為第一波段第二次測(cè)量到的輻射通量；[?20]、[?21與?10]、[?11]類似。根據(jù)公式（10）即可計(jì)算得到[R1]、[R2]。

2012—2013年，該團(tuán)隊(duì)使用比色法對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距研究，得到不同波段內(nèi)目標(biāo)輻射強(qiáng)度之比隨目標(biāo)溫度、距離、大氣消光系數(shù)等因素變化的理論公式［10-11］。通過(guò)研究可知，大氣狀態(tài)在較短的時(shí)間間隔內(nèi)的變化可忽略不計(jì)，則消光系數(shù)為恒值。通過(guò)測(cè)量三個(gè)不同波段的輻射量之比，進(jìn)一步計(jì)算得到目標(biāo)距離，見(jiàn)式（11）。

式中：[?為]接收到的輻射通量；[λ]為波長(zhǎng)；[T]為物體的開(kāi)氏溫度；[C2]為普朗克公式中第二輻射常數(shù)；[μ]為消光系數(shù)；R為目標(biāo)距離。

對(duì)公式（11）中的方程組進(jìn)行求解，得到目標(biāo)的距離和溫度。由于該方程組較為復(fù)雜，難以獲得相應(yīng)的解析解。因此，可對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將R寫為[T]的函數(shù)，見(jiàn)式（12）。

用公式（12）中的方程組作兩條距離R關(guān)于T的曲線，則曲線交點(diǎn)處的橫縱坐標(biāo)即為目標(biāo)溫度和目標(biāo)距離。

2.3 國(guó)防科技大學(xué)

2007年，國(guó)防科技大學(xué)的白學(xué)福等［12］對(duì)紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行研究。該研究團(tuán)隊(duì)利用3～5 μm和8～12 μm兩個(gè)大氣窗口進(jìn)行紅外被動(dòng)測(cè)距研究。設(shè)3～5 μm的波段為1波段，8～12 μm的波段為2波段，則二者之間的計(jì)算公式見(jiàn)式（13）。

式中：[pn（i）]為第n波段第i時(shí)刻測(cè)量的目標(biāo)光譜輻射功率；[R（i）]為第i時(shí)刻目標(biāo)距離。

進(jìn)一步求解即可得到目標(biāo)距離，見(jiàn)式（14）。

只用測(cè)量出前后兩組輻射的功率之比，就可得到目標(biāo)距離，不用計(jì)算具體的輻射量值。

2010年，國(guó)防科技大學(xué)楊德貴等［13］利用紅外面目標(biāo)在不同波段的圖像，對(duì)目標(biāo)距離和溫度的表達(dá)式進(jìn)行研究。假設(shè)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的同一位置A，其表觀溫度相同（設(shè)為[TA]），目標(biāo)區(qū)域距離探測(cè)器的距離記為[rA]，在中波和長(zhǎng)波紅外傳感器圖像中此區(qū)域的輻亮度分別為[LM]和[LL]，大氣溫度為[Tα]，中波和長(zhǎng)波波段的大氣消光系數(shù)分別為[μM]和[μL]，相關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式（15）。

由此可求得目標(biāo)區(qū)域與探測(cè)器的距離和表觀溫度，見(jiàn)式（16）。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

雙波段測(cè)距的關(guān)鍵包括建立測(cè)距模型、測(cè)距誤差控制。

3.1 建立測(cè)距模型

經(jīng)過(guò)大氣傳輸后到達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)紅外輻射，其衰減效應(yīng)可用目標(biāo)相對(duì)距離的函數(shù)來(lái)表示。在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，可通過(guò)輻射測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離的定位。研究人員據(jù)此推導(dǎo)出不同的計(jì)算公式，包括基于強(qiáng)度的被動(dòng)測(cè)距算法、基于對(duì)比度的被動(dòng)測(cè)距算法、基于初始距離已知的被動(dòng)測(cè)距算法，而每種算法所使用的大氣傳輸模型可能是基于比爾-朗伯定律，也可能是基于美國(guó)海軍R400數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)測(cè)結(jié)果。根據(jù)選擇的計(jì)算公式和大氣模型的不同，得到的測(cè)距結(jié)果也有所差異。因此，測(cè)距模型的選取和優(yōu)化是雙波段測(cè)距的關(guān)鍵，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行擇優(yōu)選擇，從而提高測(cè)距精度。

3.2 測(cè)距誤差控制

在紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距公式中，主要涉及大氣消光系數(shù)、由傳感器測(cè)量得到的紅外光強(qiáng)度。大氣消光系數(shù)與實(shí)時(shí)的大氣狀態(tài)密切相關(guān)，各種氣象條件（如陰、晴、霧、雨、雪、霾等）的變化，都會(huì)導(dǎo)致消光系數(shù)發(fā)生變化。對(duì)于固定的氣象條件，大氣透過(guò)率也會(huì)因時(shí)間或地點(diǎn)的不同而發(fā)生很大變化，對(duì)于惡化的環(huán)境條件和超長(zhǎng)的傳輸途徑，大氣透過(guò)率的差異會(huì)更大。因此，大氣消光系數(shù)是一個(gè)非常重要的誤差源。紅外傳感器的輸出受其靈敏度、非均勻性、暗電流的影響，從而產(chǎn)生不同程度的噪聲，即傳感器的測(cè)量結(jié)果同樣存在誤差，最終影響測(cè)量精度。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道分析，目前對(duì)紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距技術(shù)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段（含外場(chǎng)試驗(yàn)），未發(fā)現(xiàn)實(shí)際地基、機(jī)載或艦載裝備的真實(shí)應(yīng)用案例。對(duì)機(jī)載應(yīng)用而言，若能將二者結(jié)合，可得到態(tài)勢(shì)預(yù)警信息，通過(guò)雙波段紅外被動(dòng)測(cè)距和被動(dòng)測(cè)角的定位來(lái)估算出態(tài)勢(shì)級(jí)的距離，距離誤差即使在5～10 km量級(jí)，對(duì)輔助飛行員進(jìn)行態(tài)勢(shì)判斷和戰(zhàn)術(shù)選取也有著一定的實(shí)際意義。對(duì)受裝機(jī)條件限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙波段系統(tǒng)的產(chǎn)品，可考慮將單波段紅外輻射特性測(cè)量和單機(jī)被動(dòng)測(cè)角定位的算法進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)粗態(tài)勢(shì)級(jí)的距離估計(jì)，但還要進(jìn)一步開(kāi)展理論分析和試驗(yàn)試飛的相關(guān)工作。

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