红外隐身飞机光谱探测的谱带性能分析方法

林 涛，刘 飞，王 怡，张建奇

（西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071）

红外隐身飞机光谱探测的谱带性能分析方法

林 涛，刘 飞，王 怡，张建奇

（西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071）

针对隐身飞行目标多谱带探测中所选波带性能不易准确客观进行分析评价这一问题，通过设计一种单元能量光谱探测系统来对所选探测波段进行客观分析，以证明该波段在红外隐身飞行目标多谱带探测的有效性.由于所选窄波段接收到的能量要小于传统所用的宽波段，而且信号本身无法表征对目标探测性能的优劣，故而通过对单元能量光谱探测原理进行分析，结合系统信号的转换模型，建立了波段质量因子这一评价模型在不同能见度、不同云背景以及不同探测距离情况下分别对所选窄波段性能加以客观分析.结果表明，单元能量探测系统在不同条件下不仅能够客观准确地对各波段探测进行分析，而且对于不同云背景下所使用波段的抖动性也给予了清晰直观的显示，证明了窄波段的探测效果优于宽波段，与理论分析相一致.

多谱带；波段质量因子；光谱探测；隐身目标

随着精确制导技术的发展，各种干扰与对抗措施也在不断进步，战术导弹面临的战场环境日益复杂，对抗性更加激烈［1-2］，而且随着精确制导导弹和炮弹等武器的大量使用，战场地面机动设备的防护已经成为现代战争中必须考虑的关键问题之一［3-4］.

红外制导作为先进的寻的制导方式在先进国家的导弹武器系统中受到广泛关注.如何快速而准确地实现对目标的探测，实施精确打击就成为了近年来国内外研究的主要方向［5］.随着光谱技术的迅速发展，且基于自身分辨率高、有利于定量分析等的优点，使得光谱技术在目标探测方面也具有广泛的应用.而对于探测波段的选择是利用光谱技术进行目标探测的关键，对此国内外在这方面也进行了一些相应的研究.文献［6］对隐身飞机尾焰的红外辐射特性进行了研究，得到了在几种常见隐身措施下尾焰辐射能量集中的谱带.文献［7］研究了飞机尾焰的红外辐射特征，建立了定量分析模型.文献［8］主要研究了如何选择合适的滤波器抑制背景杂波，得到更高的信噪比.文献［9］主要在尾焰的红外辐射特征建模和辐射谱带方面做了研究，分析了飞机尾焰的红外辐射特征及大气传输对其造成的影响.文献［10］使用信噪比探测模型来对光电系统的空间目标探测能力进行综合评估.以上的研究成果从目标辐射特性出发，提出了一些关于目标光谱探测的可行方法，但是对于所选探测谱带的性能分析和研究却很少涉及，而且利用信噪比探测模型虽然能在一定程度上对所选择的方法进行判别，但是对于多谱带探测方法进行评价却存在一定不足.

基于以上研究基础和分析，笔者提出一种新的目标光谱谱带探测性能分析方法.该方法基于光电探测中的信号转换模型构建了单元能量光谱探测系统，该探测系统能够对不同波段辐射能量进行探测，以评估在不同波段内进行目标探测的优劣.并从理论和仿真角度对不同环境条件下的目标光谱探测提供了相应支持，最后对于探测距离和波段质量因子之间的关系给予详细的分析和研究.

1 红外隐身飞行目标的红外光谱探测研究

目标红外光谱探测是受所选取谱带内目标的自身特征和威胁物（主要指采用光学（含可见光、红外、激光）制导的导弹等）的传感器特性控制的.在目标探测中，目标的特征即所有鉴别量的组合体，应是整个探测的关键与核心，鉴别量是指那些能用于将目标特征从其他易混淆的背景物体中分开的特性.

1.1红外隐身飞行目标辐射特性分析

对于空中飞行目标，无论是否采用各种先进的隐身技术，尾焰一直可以作为目标探测的主要辐射源.探测条件为低云；云底高3.0 km；云顶高4.0 km；太阳天顶角为60°；探测器天顶角为30°；太阳方位角为0°；探测器方位角为180°；视场因子为0.9；观测距离为5 km；飞行高度为4 km；圆喷口，喷口半径为0.31 m；喷口尾焰温度为1 000 K.根据文献［11］的分析可知，目标的辐射强度和背景的辐射强度如图1所示.

由图1（a）可以看出，目标能量集中在2.27～3.30μm 和4.15～4.45μm两个波段.由图1（b）可知，相应波段的背景辐射恰好处于较低数值.因此，2.27～3.30μm和4.15～4.45μm两个波段内目标辐射被弱背景突出.

图1　目标和背景的辐射强度

1.2红外隐身飞行目标探测谱带的选择

基于1.1节分析可知，在2.27～3.30μm和4.15～4.45μm两个谱带内目标辐射强于背景辐射，但是对比度特征作为描述目标特征的基本特征，对目标红外信号的探测，在很大程度上取决于目标与周围背景之间的对比度.由于大气对于目标和背景的对比度的影响，故应对目标的对比度做更为仔细的定义与分析，绝对对比度和相对对比度的定义分别为

其中，下标T和B分别指目标和背景的辐射，在机载目标的情况下，背景辐射为来自目标（尾焰）平面后的大气辐射.绝对对比度的单位即是辐射量的单位.

图2（a）中的光谱传输相对对比度曲线1存在的明显峰值验证了在4.15～4.45μm和2.27～3.30μm两个波段内目标辐射被弱背景突出，即目标的对比度特征具有明显的特性.在2.27～3.70μm波段，通过图2 （b）的光谱传输绝对对比度可以定位此波段内光谱传输绝对对比度的最大峰值波长，在这里等于2.90μm.

以其为分界线，分别求2.90～2.27μm和2.90～3.30μm的积分传输绝对对比度，即图2（b）中的曲线2.通过对光谱传输积分对比度的分析易得，对于飞行目标进行探测的最优波段为2.86～3.30μm和4.17～4.55μm［12］.

图2　目标及背景的传输对比度在不同波段的分布

2 单元能量光谱探测系统

红外隐身飞行目标光谱探测中所选波段在实际中进行目标探测时的优劣将是此探测方法能否应用于实际战场的关键.由于窄波段所能接收到的能量要小于传统所用的宽波段，但是信号本身却无法表征对目标探测性能的优劣，所以设计单元能量光谱探测系统来进行相应的性能评估就显得尤为必要.

2.1单元能量光谱探测原理分析

图3的单元能量光谱探测系统组成原理图表示了单元光谱探测系统的信号转换机理.视场内的景物辐射信号经过光谱滤光片进行光谱滤波，通过光学系统进行汇聚，并经由斩光器调制到光电探测器上，探测器将入射的红外辐射转换成电信号，并由后续信号处理电路进行放大、鉴频等处理后输出.

图3 单元能量光谱探测系统组成原理图

图3中的斩光器旋转对于输入信号进行调制是单元光谱探测系统进行能量探测的核心.斩光器以一定的频率旋转，使得探测器能周期性地接收视场内场景的辐射.显然，斩光器对系统的输入辐射进行了调制，其调制的实质是控制有效视场大小，使探测器能接收的场景辐射能量发生变化.可以将调制等效为斩光器对探测器面积（圆形）的调制.由推导可得探测器能接收场景辐射的面积随时间t的变化关系为其中，Ad为探测器总面积，K为斩光器透明/不透明扇形叶片对数，f为斩光器的旋转频率.Kf实际是斩光器调制的基频，以fB表示，则上式可写为

根据以上分析，建立单元能量光谱探测系统对于目标探测中所选的窄波段性能进行分析时，首先要对光电探测器所接收到的信号进行详细分析和研究，故建立以下系统信号转换模型和窄波段性能评价分析模型.

2.2单元能量光谱探测模型

2.2.1系统信号转换模型

（1）探测纯背景辐射的情形 探测器接收到的场景光谱辐射功率为其中，EBdλ为探测器上的光谱辐照度，Ad（t）为斩光器对探测器面积的调制函数.背景辐射在光学系统前的光谱辐照度为EBλ，当除透过率外的其他光学系统效应很小可以忽略时，则

其中，AO为光学系统入瞳面积，τO为光学系统透过率.探测器输出信号为

采用鉴频器提取基频信号，得

其中，DO为光学系统入瞳直径.

（2）探测场景中有目标的情形 目标在光学系统前的光谱辐照度为ETλ，在探测器上所成的像的面积为AT，AT≪Ad.背景辐射在光学系统前的光谱辐照度为EBλ.探测器接收到的光谱辐射功率为目标在探测器上的辐射功率PTλ与背景在探测器上的辐射功率PBλ之和，即

由于目标成像面积远小于探测器面积，所以，可以近似认为

对于目标，有

所以，

其中，ξ（t）为幅值为1方波函数，频率为斩光器调制的基频.探测器输出的信号为

采用鉴频器提取基频信号，得

其中，S′为目标方波信号的基频信号强度.

2.2.2窄波段性能评价分析模型

此单元能量光谱探测系统用于不同波段辐射能量的探测，以评估在不同波段内进行目标探测的优劣.显然，系统在宽波段内接收的能量要大于窄波段的.但信号本身的绝对强度无法表征对目标探测性能的优劣，目标与背景之间的差异程度才是进行目标探测难易的指标.虽然此系统只是能量测量系统，无法进行目标探测，但是可以利用测量结果，进行一定的计算后得出能够表征波段目标探测性能的参数，定义波段质量因子这一物理量表征波段信号质量，即

其中，Q称为波段质量因子，N为系统对无目标场景进行测量时输出的信号，S为在相同场景下加入目标后系统的输出.在目标对系统的张角远小于系统视场的情况下，可将S=N+S′，代入式（15），S′为目标信号的输出能量，得

可见，Q表征了目标本身信号相对于背景信号的强度.

3 实验结果及分析

根据以上分析，设定飞机沿水平飞行，系统参数如下:光学系统透过率为0.8；入瞳直径为73 mm；有效焦距为80 mm；探测器直径为1 000μm；峰值波长为3.6μm；峰值探测率D*为2×1010；周期采样数为256；采样点间的时间间隔为78μs；目标喷口宽度为1.83 m，高度为0.15 m；非加力状态喷口温度为900 K；加力状态喷口温度为1 128 K；通过MODTRAN3.7对不同大气情况进行模拟，可获得测量系统在不同天气和不同飞行状态下，光电探测器所输出的信号.

3.1不同飞行状态下的波段质量因子

从测量结果以及图4（a）的曲线分析可知，易得两个窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）的波段质量因子都优于宽波段（3～5μm），2.86～3.30μm波段的波段质量因子是最大的.波段质量因子描述的是目标本身信号相对于背景信号的强度.因此窄波段，特别是2.86～3.30μm波段，目标与背景对比强烈，相对宽波段而言，更利于目标探测.随着目标距离的增加，到达探测系统的能量逐渐减小，因而波段质量因子也随之降低.当距离足够大，波段质量因子将趋于0，此时表明目标相对于探测系统而言已经融入到背景中，无法分辨.

图4　不同距离下的不同波段的波段质量因子曲线

如图4（b）所示，隐身目标在加力状态下在不同距离时的测试数据存在明显抖动，因为在多云背景情况下，当目标处在不同距离处时，其所处的背景是各不相同的，测量对象相关度大大降低，因而数据抖动较大.而在窄波段2.86～3.30μm的信号最小，最容易受到干扰，所以抖动也最大.不管数据抖动如何，曲线的趋势与曲线间的关系仍然与图4（a）的数据相似，应用窄波段进行目标探测将优于宽波段探测.根据以上分析，笔者对于在相同背景，不同能见度的情况和相同能见度，不同背景的情况分别进行了相应的分析和研究.

3.2不同能见度下的波段质量因子

图5 非加力隐身目标在不同距离下的不同波段的波段质量因子曲线

图5所示为不同云背景下，能见度降低的波段质量因子测试数据，由图5易得，由于能见度的降低，大气对目标辐射能量的衰减加强，相同距离下能够到达光电探测系统的目标能量减小，因此，对于所选的两个窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）和常用宽波段（3～5μm）的波段质量因子都有所降低，但是相比较窄波段的波段质量因子在相同测量条件下整体大于宽波段的.图5（a）和图5（b）显示出能见度的变化对波段质量因子的影响是很明显的，对于2.86～3.30μm波段，当探测距离为5 km时，在能见度为5 km的情况下波段质量影响因子为0.003 5，而当能见度增加到10 km时波段质量因子约为0.004 2，且随着探测距离的增加，整体变化趋势逐步减小.

图5（c）和图5（d）显示，在实际探测过程中，云背景对系统的测量结果有很大的影响，而且无云情况下的波段质量因子的值总体大于少云时的情况，同样对于窄波段（2.86～3.30μm和4.17～4.55μm）探测，随着探测距离的变化，其波段质量因子的值恒大于宽波段探测的.综合图5（a）～（d）分析可知，无云和少云情况下的曲线相对于多云时波段质量因子变化情况要平滑，而无云相对于少云情况下波段质量因子变化要平滑，波动较小.这说明云背景对于空中飞行目标的探测有很大影响，但是对于文中所用窄波段探测，其探测性能整体上比较良好.综上所述，对于隐身飞行目标的窄波段探测效果优于传统常用宽波段探测.

4 结 论

针对空中隐身目标探测中所选探测方法的优劣难以客观准确评估这一问题进行研究，隐身目标的窄波段探测方法是利用目标和背景在红外光谱谱带内的辐射特征的明显差异选择最优探测波带，文中通过建立单元能量光谱探测系统对于隐身目标的窄波段探测方法进行分析评估，详细分析了单元能量光谱探测原理及其信号转换探测机理，基于以上分析构建了波段质量因子这一物理量来对所选波带进行客观评价.通过对不同能见度、不同云背景等天气情况下所选窄波带2.86～3.30μm与4.17～4.55μm和常用传统宽波带3～5μm内波段质量因子的详细计算分析可得，利用所选两个窄波带进行目标探测，相比于宽波段探测探测距离更远，性能更好.单元能量探测系统不但对目标探测提出了一种客观准确的评价方法，而且对于其余目标探测方法提供了一个很好的思路.

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（编辑:李恩科）

Band performance analysis method of spectrum detection about infrared stealth aircraft

LIN Tao，LIU Fei，WANG Yi，ZHANG Jianqi
（School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian Univ.，Xi’an 710071，China）

The performance of the selected bands in stealth aircraft target multi-spectral detection is hard to analyze and evaluate.A unit energy spectrum detection system is designed to analyze the selected detection band，demonstrating the availability of the selected detection bands.The selected narrow band receives less energy than the traditional wide band，while the signal itself can not represent the performance of target detection.By analyzing the unit energy spectrum detection principle and considering the alternative model of the system signal，the model of the wave quality factor is established to objectively analyze the performance of the selected band in different visibilities，cloud backgrounds and detection ranges.The result shows that the unit energy detection system can analyze each band detection objectively and accurately.At the same time，it also gives a clear and intuitive display of the jitter property while using it in different cloud backgrounds，proving that the detection effect of the narrow band is superior to the wide band and consistent with the theoretical study.

multi-spectral band；wave quality factor；spectrum detection；stealth target

TN219

A

1001-2400（2016）01-0054-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.01.010

2014-07-24 网络出版时间：2015-04-14

林 涛（1969-），西安电子科技大学博士研究生，E-mail:taolin@dhld.com.cn.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150414.2046.007.html