紅外偏振成像技術(shù)在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用展望

劉珂+李麗娟+王軍平

摘要： 紅外偏振成像探測(cè)技術(shù)是國(guó)外發(fā)展較快的一項(xiàng)新的成像技術(shù)。 文中介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于偏振探測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展情況與現(xiàn)狀， 分析了紅外偏振成像技術(shù)在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用前景。 提出一種采用紅外偏振成像技術(shù)的空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭方案， 表明該技術(shù)對(duì)提高國(guó)內(nèi)空空導(dǎo)彈的探測(cè)和抗干擾性能具有重大意義。

關(guān)鍵詞： 空空導(dǎo)彈； 紅外成像； 偏振探測(cè)

中圖分類號(hào)： TN219文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2016）04-0047-05

Abstract： As a new imaging technology， infrared polarization imaging detection technology develops rapidly on abroad. The development and research situation of polarization detection technology are introduced， and the application prospect of infrared polarization imaging technology in airtoair missile is analyzed. A project of airtoair missile seeker based on infrared polarization imaging technology is proposed， which indicates that the technology has great significance in improving the detection and antijamming performance of domestic airtoair missile.

Key words： airtoair missile； infrared imaging； polarization detection

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求空空導(dǎo)彈能夠在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下有效打擊具有干擾能力的敵機(jī)。 紅外型空空導(dǎo)彈面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和干擾主要是天空云團(tuán)和地/水面背景反射的陽(yáng)光， 以及燃燒的紅外誘餌彈。 由于其紅外輻射強(qiáng)度與飛機(jī)非常接近[1]， 因此嚴(yán)重影響敏感紅外輻射強(qiáng)度的空空導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭的目標(biāo)識(shí)別、 抗干擾能力。

自然界的電磁波由許多偏振度不同的電磁波組成。 研究表明， 通常人造目標(biāo)比自然背景表現(xiàn)出更高的偏振度 [2-3]。 因此如果將紅外偏振成像技術(shù)應(yīng)用到空空導(dǎo)彈上， 就可以利用這一偏振特性來(lái)提高其探測(cè)和抗干擾能力。

1紅外偏振成像機(jī)理分析

光是一種橫電磁波[2]。 光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象稱作光的偏振。 偏振度是用于度量電磁波中偏振程度的參數(shù)， 是偏振光在總光強(qiáng)中所占的比例。

對(duì)于偏振現(xiàn)象的機(jī)理研究， 已經(jīng)做了大量的理論工作。 通常采用菲涅爾公式可以較好地解釋自然光的偏振特性。 以太陽(yáng)為光源的自然光可視作由無(wú)數(shù)雜亂的線偏振點(diǎn)光源構(gòu)成， 隨機(jī)分布的特點(diǎn)使其在垂直于傳播方向的平面內(nèi)任一方向上都具有相同的振幅， 因此偏振度為0。 自然光在電介質(zhì)界面上反射和折射后形成部分偏振光。 由于表面粗糙的物體可視作由大量?jī)A角和尺寸是無(wú)序和無(wú)規(guī)則的微面元組成， 其反射/輻射的偏振方向比較雜亂， 因此會(huì)表現(xiàn)出較小的線偏振度[4]。 散射現(xiàn)象的機(jī)理也與之類似。

從這些研究成果來(lái)看， 物體的偏振特性與物體介質(zhì)的折射率、 表面反射和自身輻射的空間分布、 觀察方位密切相關(guān)[2-5]。 在偏振探測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中， 必須加以考慮[6]。

2偏振成像技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究進(jìn)展

從20世紀(jì)80年代起， 偏振成像探測(cè)開(kāi)始受到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。

1999年， 美國(guó)猶他州立大學(xué)空間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制了一種基于鐵電液晶元件的紅外超光譜成像偏振計(jì) [7]。 通過(guò)將液晶材料兩端的電壓反向， 可以在不到3 ms的時(shí)間內(nèi)使光軸旋轉(zhuǎn)45°。 采用0°， 45°， 90°和135°這4個(gè)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量， 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 該紅外超光譜成像偏振計(jì)波段為2.5～3.5 μm， 幀頻為20 Hz。

此外， 法國(guó)、 以色列的研究人員也分別測(cè)試了液晶偏振片， 取得了較好的效果[8]。

2006年， 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)所研制的長(zhǎng)波紅外偏振成像儀器采用了在探測(cè)器的每個(gè)小單元前面放置偏振濾光器的結(jié)構(gòu)， 可以同時(shí)獲得4個(gè)偏振態(tài)下的圖像， 如圖2所示， 具有即時(shí)且關(guān)聯(lián)的獲得熱信息和偏振信息的優(yōu)點(diǎn)[9]。

以色列的B.Ben-Dor在探測(cè)器觀測(cè)角為70°的條件下對(duì)地物背景在8～12 μm的偏振度進(jìn)行研究， 得出結(jié)論[10]： 除水面外的自然背景的偏振度普遍低于金屬材料的偏振度。

英國(guó)國(guó)防實(shí)驗(yàn)室將紅外偏振成像技術(shù)應(yīng)用到掃雷項(xiàng)目上， 使用3～5 μm的致冷焦平面探測(cè)器， 通過(guò)將紅外熱圖像與偏振度圖像的融合處理， 顯著提高了熱像系統(tǒng)的探測(cè)和識(shí)別能力[10]， 如圖3所示。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中科院安徽光機(jī)所研制的多波段偏振CCD相機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)， 采用三平行光路同時(shí)采集3個(gè)不同偏振方向的偏振輻射圖（0°， 60°， 120°）。 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)濾光片旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)波段切換[11]。

昆明物理研究所提出了幾種紅外偏振成像的技術(shù)方案， 并對(duì)紅外偏振成像機(jī)理進(jìn)行了研究[5]。

北京理工大學(xué)提出了基于微面元散射理論的紅外偏振輻射傳輸方程[12]， 研究建立包含反射和輻射信息的紅外偏振輻射傳輸方程的Stokes表達(dá)式， 推導(dǎo)出偏振度、 偏振角的多種因素?cái)?shù)學(xué)模型。 此外， 還在紅外偏振圖像融合及色彩重構(gòu)方法上取得了較好的研究成果[13]。

3紅外偏振成像技術(shù)在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用

根據(jù)上述國(guó)內(nèi)外研究狀況， 可知國(guó)外對(duì)紅外偏振成像探測(cè)技術(shù)已進(jìn)行了大量的深入研究， 研究領(lǐng)域主要集中在典型目標(biāo)與背景的紅外偏振特性測(cè)量和分析， 成果應(yīng)用主要集中在對(duì)地面目標(biāo)探測(cè)、 識(shí)別的衛(wèi)星遙感、 成像偵察設(shè)備、 掃雷設(shè)備等， 相關(guān)設(shè)備已進(jìn)行到工程化樣機(jī)階段。 但目前尚未見(jiàn)到紅外偏振成像應(yīng)用到制導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的報(bào)道。

空空導(dǎo)彈采用以自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別為主的制導(dǎo)技術(shù)。 受其作戰(zhàn)任務(wù)的影響， 其作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)環(huán)境都難以在任務(wù)規(guī)劃中加以明確， 因此不適用于傳統(tǒng)的基于模板匹配識(shí)別的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方式， 而更多地采用基于特征的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方式。 該方式要求能夠從背景中準(zhǔn)確地提取穩(wěn)定且獨(dú)特的目標(biāo)特征信息， 利用該特征來(lái)區(qū)分目標(biāo)與周圍背景。 由前文可知， 人工物體的偏振特性與背景存在一定的差異， 可以利用這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。 但影響偏振特性的因素較多， 因此需要根據(jù)空空導(dǎo)彈制導(dǎo)的要求來(lái)選取合適的偏振成像方式。

3.1偏振成像技術(shù)對(duì)空空導(dǎo)彈制導(dǎo)適用性分析

對(duì)于空空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)而言， 探測(cè)距離越遠(yuǎn)越好， 識(shí)別/抗干擾概率越高越好， 跟蹤性能越穩(wěn)越好。

紅外偏振成像系統(tǒng)與常規(guī)紅外成像系統(tǒng)的差別是增加了偏振器。 理想偏振器的透過(guò)率是0.5， 實(shí)際水平在0.25～0.42之間。 因此該系統(tǒng)會(huì)有不小的能量損失， 在晴空背景下的探測(cè)距離也會(huì)有相應(yīng)的縮減。

但是， 在復(fù)雜背景下， 由于存在大量與目標(biāo)輻射強(qiáng)度類似的物體（如反射陽(yáng)光的亮云）， 因此紅外強(qiáng)度對(duì)比度會(huì)比較低。 而對(duì)于紅外偏振成像系統(tǒng)， 由于偏振度與物體的材質(zhì)、 粗糙度等因素密切相關(guān)[15]， 使得人造目標(biāo)與自然背景的偏振度存在較大差異， 因此偏振成像能明顯提高圖像的對(duì)比度， 降低對(duì)截獲信噪比的要求， 提高作用距離[16]。

同理， 紅外誘餌燃燒后的產(chǎn)物是氣體、 煙塵等分子物質(zhì)， 而飛機(jī)蒙皮是光滑的金屬物體， 兩者在偏振度上會(huì)有較大差異。 可以利用該偏振特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾。

對(duì)于空空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的跟蹤功能而言， 需要所跟蹤的物體具有穩(wěn)定的特征。 由于彈目接近過(guò)程中的導(dǎo)彈視線角（入射角）總是連續(xù)變化的， 因此測(cè)得的偏振特性也在不斷變化， 難以作為跟蹤用的特征。

3.2紅外偏振成像技術(shù)在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用方案

該方案的空空導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭應(yīng)具有同時(shí)獲取紅外強(qiáng)度圖像和紅外偏振圖像的能力。 其信息處理系統(tǒng)采用并行處理的方式， 以紅外強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)作為主信息處理流程， 完成目標(biāo)探測(cè)、 識(shí)別、 跟蹤及抗干擾功能； 以紅外偏振圖像數(shù)據(jù)作為副信息處理流程， 在主信息處理流程的識(shí)別和抗干擾階段， 將紅外偏振圖像數(shù)據(jù)的處理結(jié)果與紅外強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)的處理結(jié)果作特征/決策層融合， 輔助其完成識(shí)別與抗干擾功能。

3.2.1探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

雙探測(cè)器+偏振棱鏡方案如圖4所示， 主要缺點(diǎn)是兩套探測(cè)系統(tǒng)體積較大， 機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且昂貴， 數(shù)據(jù)校正麻煩， 因此不適合體積緊湊的空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭使用。

圖1單探測(cè)器+機(jī)械/電控偏振片方案的原理是通過(guò)一個(gè)凝視焦平面探測(cè)器前的光路中循環(huán)分時(shí)插入不同起偏角度的偏振片， 順序獲取一組不同起偏角度的偏振強(qiáng)度圖像， 根據(jù)這些偏振強(qiáng)度圖像來(lái)計(jì)算斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。 該方案的缺點(diǎn)是當(dāng)目標(biāo)在背景上快速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 分時(shí)采集獲取的序列圖像難以配準(zhǔn)， 使得計(jì)算得到的目標(biāo)與背景的偏振特征值存在較為明顯的誤差。

本文采用偏振片+焦平面探測(cè)器集成方案如圖5所示。 將偏振片列陣直接安放在256×256元焦平面陣列前， 3個(gè)起偏方向不同的微偏振片和1個(gè)無(wú)偏濾光片共同組成1個(gè)偏振片單元， 該偏振片單元對(duì)應(yīng)4個(gè)探測(cè)器像元。 該方案光路中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)光學(xué)元件， 探測(cè)器可同時(shí)得到128×128元大小的3個(gè)起偏方向的線偏振分量圖像和1個(gè)紅外強(qiáng)度圖像。 為了實(shí)現(xiàn)空間對(duì)準(zhǔn)， 可認(rèn)定相鄰?fù)鹌较虻钠衿M所對(duì)應(yīng)的景物具有一定的相關(guān)性， 通過(guò)“插值”的方法獲得每個(gè)無(wú)偏振像元所對(duì)應(yīng)空間的3個(gè)線偏振分量值， 最后重構(gòu)出254×254元的斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。

該方案的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)能以“凝視”方式工作， 在滿足高幀頻的前提下獲得更長(zhǎng)的積分時(shí)間， 有助于提高探測(cè)距離。 而且同時(shí)獲取3個(gè)起偏方向圖像的方式非常適合于目標(biāo)、 背景與彈體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空空導(dǎo)彈平臺(tái)。 其缺點(diǎn)是“插值”的做法使其只能用于對(duì)擴(kuò)展源目標(biāo)的偏振探測(cè)。 不過(guò)對(duì)于空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭而言， 云團(tuán)、 地物等需要用偏振探測(cè)方式識(shí)別的復(fù)雜自然背景都屬于擴(kuò)展源目標(biāo)， 紅外誘餌彈通常也屬于這一類型目標(biāo)， 適用于本文所提的偏振探測(cè)系統(tǒng)方案。

3.2.2信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)同時(shí)獲取的3個(gè)不同方向的線偏振分量光強(qiáng)I（0°）， I（60°）， I（120°）， 可得斯托克斯分量圖像和偏振度、 偏振角圖像。 紅外偏振成像流程示意圖如圖6所示。

信息處理算法設(shè)想如下：

（1） 檢測(cè)階段

如果紅外強(qiáng)度圖像中的背景較為均勻簡(jiǎn)單而目標(biāo)較為突出明顯（目標(biāo)信噪比較高）， 利用傳統(tǒng)的強(qiáng)度特征信息已能夠準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)， 則可直接利用強(qiáng)度圖像信息來(lái)完成目標(biāo)檢測(cè)。

如果在強(qiáng)度圖像信息檢測(cè)中出現(xiàn)多個(gè)難以識(shí)別的相似物體時(shí)， 可先將其列為候選強(qiáng)度目標(biāo)； 再分別統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)候選強(qiáng)度目標(biāo)區(qū)域的偏振度圖像和偏振角圖像的特征， 將這些偏振度特征和偏振角特征記入對(duì)應(yīng)的候選強(qiáng)度目標(biāo)特征鏈中。 最后遍歷候選目標(biāo)特征鏈， 濾除掉偏振度和偏振角較小的候選目標(biāo)， 剩下的候選目標(biāo)經(jīng)過(guò)強(qiáng)度特征的多幀關(guān)聯(lián)處理， 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)， 從而提高目標(biāo)識(shí)別的可靠性。

（2） 跟蹤階段

在目標(biāo)跟蹤階段， 彈目距離變化較快， 導(dǎo)彈平臺(tái)的觀測(cè)角發(fā)生很大變化， 測(cè)得的偏振度會(huì)隨觀測(cè)角的變化而變化， 因此偏振度特征不適合作為穩(wěn)定的跟蹤特征。 此時(shí)， 以紅外強(qiáng)度圖像獲取的目標(biāo)特征作為特征鏈進(jìn)行處理， 實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

（3） 抗紅外誘餌干擾階段

在抗紅外誘餌干擾階段， 一方面對(duì)紅外強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 提取目標(biāo)與干擾的各種能量特征、 形狀特征及運(yùn)動(dòng)特征； 另一方面對(duì)紅外偏振圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 提取對(duì)應(yīng)紅外強(qiáng)度圖像中疑似目標(biāo)和干擾的對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)物體的偏振度、 偏振角特征， 將這些紅外偏振特征與能量特征、 形狀特征及運(yùn)動(dòng)特征融合， 有效提高目標(biāo)的正確識(shí)別率。

4結(jié)論

對(duì)紅外偏振成像技術(shù)在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用做了初步分析。 紅外偏振成像技術(shù)是紅外成像制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的新方向之一， 該技術(shù)可有效增加紅外成像信息量， 有助于解決復(fù)雜場(chǎng)景下的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和抗人工誘餌難題， 可以極大地提高空空導(dǎo)彈在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的適應(yīng)能力。

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