對人工紅外光照射時目標(biāo)與背景對比度分析*

杜石明,呂相銀,張 偉,曾 凱,陳善靜

(電子工程學(xué)院安徽省紅外與低溫等粒子體重點實驗室,合肥 230037)

0 引言

目前絕大多數(shù)的紅外技術(shù)都是基于目標(biāo)與背景的紅外輻射特征差異來發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤和監(jiān)視目標(biāo),因此對衡量目標(biāo)與背景紅外輻射特征差異對比度的研究在軍事上具有重要的意義[1]。文中從對比度的定義出發(fā),對人工紅外光照射目標(biāo)時目標(biāo)與背景的對比度進(jìn)行了仿真計算與分析,得到一些有價值的結(jié)論,對目標(biāo)的探測、識別、紅外制導(dǎo)武器的研制、紅外隱身技術(shù)研究、作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練、武器性能評估有重要的意義和應(yīng)用價值。

1 人工紅外光照射目標(biāo)的理論模型

由于地面目標(biāo)的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,外界環(huán)境不斷變化,目標(biāo)表面溫度隨時間而變化,很難從理論上對人工紅外光照射目標(biāo)時目標(biāo)與背景對比度進(jìn)行精確的分析,因此,作出如下的幾種假設(shè)對問題進(jìn)行簡化:1)假設(shè)目標(biāo)沒有內(nèi)熱源,目標(biāo)表面的初始溫度根據(jù)目標(biāo)實際溫度來確定;2)假設(shè)目標(biāo)表面溫度分布均勻,以某時刻為研究對象,把自然環(huán)境對目標(biāo)的影響看作是不變的因素,把這個不變因素等效為目標(biāo)相應(yīng)的溫度值,避免自然環(huán)境對目標(biāo)影響的復(fù)雜性;3)假設(shè)目標(biāo)與背景為漫輻射,并為不透明的朗伯體。圖1為在上述假設(shè)條件下時,人工照射目標(biāo)的理論模型。

2 計算表達(dá)式模型

背景與目標(biāo)之間以及它們內(nèi)部各部分之間的輻射亮度通常是不同的,反映在熱像儀顯示器上則是各像元的灰度(或偽色彩)會有所不同,因而通過熱像儀可以發(fā)現(xiàn)并識別目標(biāo)。而目標(biāo)與背景輻射亮度的差別則是熱像儀發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)的基礎(chǔ),因此通常采用輻射亮度來表征目標(biāo)與背景的對比度[2]:

圖1 理論模型圖

式中:L0為目標(biāo)的輻射亮度;LB為背景的輻射亮度。由于在大多數(shù)的戰(zhàn)場環(huán)境中,目標(biāo)的溫度都高于背景的溫度,因此目標(biāo)的輻射亮度大于背景的輻射亮度。則式(1)可寫成:

在理論模型中已經(jīng)假設(shè)了目標(biāo)與背景是朗伯輻射體,則式(2)進(jìn)一步寫成:

式中M0包括兩部分,一部分為自身輻射出射度,另一部分為反射環(huán)境的輻射[3-5],同理M B為自身輻射與反射目標(biāo)輻射之和。為了便于分析人工光照時目標(biāo)與背景的對比度,對目標(biāo)表面建立坐標(biāo)如圖2所示。當(dāng)采用人工紅外光照射目標(biāo)時,目標(biāo)與背景的反射輻射部分將發(fā)生改變,式(3)經(jīng)過推導(dǎo)為:

圖2 人工光源照射目標(biāo)表面的坐標(biāo)軸

經(jīng)整理得:

其中:ε0為目標(biāo)的發(fā)射率;εB為背景的發(fā)射率;T0為目標(biāo)在自然環(huán)境中的等效溫度;T B為背景溫度;σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù);P為光源的功率;d為光源到被照射物體的距離;θ為被照物體表面法線方向與光源距離之間的夾角(文中為入射角);F1為目標(biāo)對光源的角系數(shù);F2為背景對光源的角系數(shù)。

3 仿真計算結(jié)果與分析

設(shè)某地面目標(biāo)上表面尺寸為6m×8m,初始溫度為300K,在天氣晴朗、背景溫度為295K、背景發(fā)射率為0.9的情況下,在上午7點至8點時刻采用氙燈[6]脈沖式垂直照射目標(biāo)(垂直照射指入射角為0°),照射距離為2m。對于光源與該目標(biāo)的角系數(shù)可以采用定義或解析法計算,具體可參考文獻(xiàn)[7]。

3.1 在全波段(0～+∞)時的分析

從圖 3可以看出,當(dāng)光源照射功率增加時(以光源的輻射照度計算),在目標(biāo)發(fā)射率小于 0.7時,目標(biāo)與背景輻射對比度隨照射功率的增加而增加,這是由于在發(fā)射率較小時,目標(biāo)的反射率相應(yīng)較大(目標(biāo)為不透明朗伯體),而目標(biāo)的溫度在短時間內(nèi)不能突變,自身輻射部分較小,此時目標(biāo)紅外輻射取決于目標(biāo)對光源的反射輻射,隨著功率的增加,目標(biāo)反射部分的能量就越大,目標(biāo)與背景的對比度就越大。在目標(biāo)發(fā)射率大于0.7時,目標(biāo)與背景輻射對比度隨照射功率的增加而減小,這是由于在發(fā)射率較大時,目標(biāo)相應(yīng)的反射率較小,目標(biāo)的反射輻射部分就較小,由于目標(biāo)溫度不能突變,目標(biāo)對光源功率的利用率不高,而此時環(huán)境的輻射增大,使得目標(biāo)與背景的對比度減小,功率越大,減小就越快,目標(biāo)與背景越容易融合,此時不利于目標(biāo)探測與識別。假設(shè)當(dāng)輻射對比度控制在±0.02時,紅外成像系統(tǒng)無法探測和識別目標(biāo),則從圖3中可以看出對應(yīng)于目標(biāo)的發(fā)射率大于0.7時,對其采用一定范圍ΔE1、ΔE2的光照,可以使目標(biāo)的對比度降低到±0.02范圍之內(nèi),從而實現(xiàn)目標(biāo)與背景的融合,使紅外成像系統(tǒng)失效。同時,在 ΔE1、ΔE2區(qū)域中存在一個公共的區(qū)域(500～700W/m2),表明采用這個區(qū)間范圍內(nèi)的照射功率的光源,在目標(biāo)發(fā)射率大于0.7時,均能使目標(biāo)與背景達(dá)到融合。同理,當(dāng)采用光照功率在ΔE1、ΔE2時,目標(biāo)發(fā)射率在 0.7以上的目標(biāo)同樣能達(dá)到很好的融合效果。圖4反映了輻射對比度與目標(biāo)發(fā)射率的關(guān)系,當(dāng)采用固定光照功率的光源可對目標(biāo)發(fā)射率在 Δε1、Δε2、Δε3范圍內(nèi)的目標(biāo)達(dá)到很好的融合效果,例如當(dāng)光源輻射照度在600W/m2時,可以對發(fā)射率在0.75～0.94的目標(biāo)達(dá)到很好的融合效果。

圖3 光源輻射照度與輻射對比度的關(guān)系

圖4 目標(biāo)發(fā)射率與對比度的系

3.2 在3～5μm波段以及8～14μm波段時的分析

從圖5～圖8中可以看出,在3～5μm 波段以及8～ 14μm 波 段時,目標(biāo)與背景的輻射對比度的變化趨勢與在全波段時的變化趨勢相似,即適當(dāng)調(diào)節(jié)對目標(biāo)的光照功率和目標(biāo)的發(fā)射率,可以實現(xiàn)目標(biāo)與背景的融合,以致使紅外成像探測系統(tǒng)失效。當(dāng)輻射對比度控制在±0.02時 ,在 3 ～5μm波段以及8～ 14μm 波 段存在一定范圍ΔE′1、ΔE′2的 光照區(qū)域,可以使目標(biāo)的對比度降低到±0.02的范圍之內(nèi),在 8～14μm 波 段的 調(diào)節(jié)范圍大于3～5μm波段的調(diào)節(jié)范圍,說明8～14μm功率利用效率比3～5μm波段的利用效率高。一般情況下,對于大多數(shù)地面常溫目標(biāo)而言,8～14μm波段比3～5μm波段更具有實際應(yīng)用意義;但是在實際實現(xiàn)過程中,3～5μm波段容易實現(xiàn),而 8～ 14μm 波段實現(xiàn)比較困難,這是由于功率與光譜利用率是互相制約的,功率的增大會導(dǎo)致光譜的改變,功率越大,8～14μm波段的光譜利用率越低。同理,當(dāng)采用固定光照功率的光源可對目標(biāo)發(fā)射率在Δε′1、Δε′2、Δε′3范圍內(nèi)的目標(biāo)實施融合,也可以達(dá)到很好的效果。

圖8 目標(biāo)發(fā)射率與對比度的關(guān)系

4 結(jié)論

通過對人工采用紅外光照射地面目標(biāo)時目標(biāo)與背景對比度影響的分析,可以得出主要結(jié)論如下:

1)人工采用紅外光照射地面目標(biāo)時,目標(biāo)與背景的對比度將會發(fā)生改變,目標(biāo)發(fā)射率在0.7～0.95時,采用適當(dāng)范圍的功率照射目標(biāo),可以使目標(biāo)與背景達(dá)到很好的融合效果,從而使紅外探測、識別系統(tǒng)失效;

2)當(dāng)光源照射功率一定時,對目標(biāo)的發(fā)射率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),同樣能達(dá)到很好的融合效果;

3)在相同的條件下,即照射功率和目標(biāo)發(fā)射率不變時,對于常溫的地面目標(biāo)而言,在全波段時光照功率利用率最高,而且也比較容易實現(xiàn)目標(biāo)與背景的融合。就波段而言,在8～14μm波段光照功率利用率高,而3～5μm波段的光照利用效率低;但是3～5μm波段比8～14μm波段更容易實現(xiàn)目標(biāo)與背景的融合。

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