目标与背景红外特征及对比度研究综述*

2012-01-13李晋岭汪卫华

舰船电子工程 2012年1期

王充李源李晋岭汪卫华

（陆军军官学院研究生系合肥 230031）

1 引言

近年来，世界各大军事强国在军用目标红外辐射抑制措施研究上投入了大量的人力、物力，以求得目标战场生存能力的提高，适应未来战场红外对抗需要。然而红外探测技术的快速发展和红外制导武器的更新换代使得传统的红外隐身技术日显单薄，军用目标的战场生存能力仍然面临着巨大的威胁，这对目标与背景红外特征及对比度的研究提出了更高的要求。开展更加深入、细致的目标与背景红外特征及对比度的研究对于红外制导武器装备的更新换代、军用目标红外对抗技术的升级完善以及仿真训练和实战都具有重要的战略意义。

2 基本理论

目标与背景的红外特征主要是指目标的辐射特征与空间分布特征［1］。所谓对比度，指的是被观测目标与背景亮度之差占背景亮度百分比的绝对值。目标与背景的红外特征是目标与背景相互作用、相互影响的结果［2］。它们之间存在的这种相互关系决定了在研究目标与背景时不能将它们相互独立开来。可以从以下三点来进行分析：1）目标与背景之间的温度、物理特性、表面特性等参数都不同，它们之间会产生热交换，红外辐射特征也会因此而发生改变；2）目标与背景各自发出的红外辐射中有一部分会被对方反射或散射，与对方的红外辐射叠加在一起时就会影响其红外辐射特征；3）目标的存在会改变背景一些原有的特性，如飞机飞过产生的湍流，以及排放出的尾气会使周围大气特性发生改变，装甲车行驶过的路面，会因履带、车轮的挤压而改变了原有的地表特性等。

3 国内外研究现状

在20世纪50、60年代，国内外就开展了对目标与背景红外特征及对比度的研究。纵观整个研究历程，装甲车辆和飞机作为典型目标被各国重点关注，而其涉及到的复杂背景同样吸引了广大的科研工作者。因为目标识别与红外隐身设计所依据的是目标与背景之间的红外特征差异，同时研究目标与背景红外特征及对比度才有现实意义［3］。现从理论研究、实验测量和软件平台三个方面来分析国内外研究的现状。

3.1 国外研究现状

上世纪50年代期间，比较有代表性的是C.Cox和W.Munk对海面的光学特性研究［4］。冷战时期，也就是上世纪60年代，美国和前苏联开展军备竞赛，投入了大量的人力物力进行目标与背景红外特征的研究，此时，对飞机的红外辐射特性研究也开始了。到了70年代，前苏联为了在冷战中占据战略优势，加大了对武器装备的研制，特别是对导弹的研究，在这一过程中，目标与背景红外辐射特征的研究取得了重大的进展，同时，美国也建立了目标与背景红外辐射特征数据库，在理论计算和建模研究上也有很大的成果。

在实验测量方面，世界各国都相继投入了大量的人力、物力研发了一些用于测量目标与背景红外特征的系统。美国为了研究飞机的红外辐射强度，在20世70年代专门研制了地基跟踪测量系统，这些系统安装了用于测量红外特性的设备，如红外辐射计、红外光谱仪和热像仪。在1955年到1987年之间，美国空军Eglin基地研发了8套机载红外测量系统，采集了丰富的红外特性数据。为了满足不同的研究需要，很多国家将红外测量设备搭载在不同的载体上，来对目标或背景红外特征进行测量，如将气球作为载体的球载测量系统，利用弹载多波段红外成像系统测量研究弹头和油箱碎片的红外特征，利用卫星平台上各种光学传感器可以对地球上军事目标进行侦察，对陆地与海洋资源进行资源勘探等。

在软件平台的发展方面，同样取得了很大的进展。美国研发的大气传输计算软件LOWTRAN、MODTRAN、FASCODE等可用于计算大气背景辐射，而且软件在不断的升级更新，计算精度和效率都在不断提高。美国在坦克和复杂背景热像建模方面开发了一批软件。如密歇根大学研制的PRISM［5］，该软件可模拟计算坦克的表面温度，并转化为辐射亮度嵌入到背景热图像中。美国坦克及摩托化司令部研制的TTIM软件［6］则可以在PRISM计算结果的基础上，考虑空气对坦克红外辐射特性的影响。计算流体动力学软件，包括GAMBIT、FLUENT等，通过建立物理模型，划分网格模型并进行流场模拟计算来获得目标整体三维温度场和排气温度、浓度场分布，为目标红外特征分析提供直接数据来源。

3.2 国内研究现状

我国在这方面的起步比较晚，“七五”开始，目标与背景红外辐射特性的研究工作才逐步开展。一些科研单位开始对地面背景和海天背景的红外辐射进行有关的理论和实验研究，初步建立了相应的理论模型［7］。直到20世纪90年代初，系统化的理论研究才真正开始。在“八五”、“九五”期间，有重点地选择了坦克、舰船和飞机等几种目标以及背景和大气传输等，进行了较为深入、独具特色的红外理论建模研究，取得了相当大的进展［8］。在这方面的研究领域中，具有代表性的是中科院安徽光学精密机械研究所魏合理、饶瑞中研究员，南京理工大学动力工程学院的韩玉阁教授、西安电子科技大学的吴振森教授等。

2002年，韩玉阁［9］等人通过建立目标与背景红外辐射特征的理论模型，对目标与背景的红外辐射特征进行了分析计算，生成了目标与背景的红外热图像，实现了对某型号导弹打击目标的弹目交汇过程仿真实验。2004年王毅［10］等人利用大气传输软件MODTRAN，详细分析了大气模式、地表状况以及气溶胶模式对一定波段范围内的目标与背景对比度的影响。同年，王毅［11］等人利用大气传输软件MODTRAN计算了典型大气条件下可见光到红外波段上的目标与背景对比度，分析了目标与背景对比度对波长的依赖关系。2005年，王毅［12］从理论计算出发，分析了目标特性对目标与背景对比度的影响。2009年，施加宝［7］在论文中利用MODTRAN4.0计算了大气背景辐射，并通过双向反射分布函数将背景入射照度和目标散射亮度结合起来，推导了目标对复杂背景辐射光散射强度的空间分布表达式和空间倾斜朗伯板对背景辐射的散射亮度，并计算了贴地目标和海面上方目标对阳光、海天背景辐射的散射亮度分布。2010年，邓荣［13］等人通过推导红外测温公式，得到了两种物体间的红外辐射温差计算公式，总结了红外辐射温差随环境温度变化的规律，并采用实验进行验证。

总的来说，20世纪80年代以前，所有对目标与背景红外辐射特性的研究基本上都是基于实验测量、理论计算。进入80年代，随着计算机技术的发展壮大，目标与背景辐射特性的研究进入了里程碑时代。基于计算机仿真技术的数值模拟计算体现出它无比的优越性。人们可以利用计算流体力学软件对各种流场进行数值模拟计算，得到的数值模拟结果可以在后处理软件中处理生成详细的数据及各种分布云图，为目标与背景红外辐射特性研究提供了一条省时省力的便捷通道。同时，需要提醒的是，大气传输模式的发展更新，使得数值模拟计算结果的真实性和有效性成为了可能，一般来说，研究目标与背景红外辐射特性必须结合大气传输特性进行研究。近几年来，理论模型的不断完善、大气传输模式的发展结合日益强大的计算机技术，使得仿真和数值模拟软件的仿真计算结果更趋于真实化、系统化，精度上越来越高。

4 红外辐射特征建模分析

研究目标和背景红外特征及对比度的方法可分为两类［14］：1）利用红外设备进行实际测量，该方法获得的数据比较真实、可靠，但实验周期长、费用高、设备复杂，国外一些国家特别是美国采用此方法较多，而我国目前还不能全面实现；2）理论分析和数值模拟相结合，利用计算机仿真技术进行模拟实验来研究目标的红外辐射特性，计算结果的可靠性取决于理论模型和计算方法的完善程度，该方法不仅能快速提供相关数据，还能节省大量的人力、物力和财力，我国主要采用此方法进行相关方面的研究。

开展理论分析与数值模拟相结合的方法研究目标与背景红外特征及对比度的步骤可以总结如下

1）理论计算模型的建立。包括目标、背景的计算模型、目标与背景耦合模型和大气传输计算模型；

2）利用数值模拟软件进行计算，得到目标温度分布；

3）依据理论计算模型结合数值模拟结果得出目标、背景红外辐射强度和特征分布，采用大气传输软件计算大气透过率；

4）将计算所得到的目标和背景红外辐射特征、大气透过率作为已知参数代入到目标与背景耦合模型中，计算得出目标与背景红外特征及对比度。

4.1 目标建模分析

影响目标红外辐射特征的因素可概括为两类：一类是环境因素，包括太阳直接辐射、天空、地面背景辐射等；另一类是目标内在因素，包括目标材料特性，热源温度等。探测器所接收到的目标红外辐射一般包括两部分［15］：一部分是自身发射的红外辐射，还有一部分是目标表面反射周围环境的辐射。

军用目标往往形状复杂，曲面、不规则多面体繁多，而且它们之间几何位置重叠，相互遮挡，建立的模型中包含非线性影响因素，难以通过解析方法得到模型的解。运用数值方法确定目标的温度分布，结合理论计算模型进行目标红外特征的分析，是目前运用最适合的方法。计算流体力学软件通过数值方法和模拟计算可以真实模拟目标外部流场分布和各种效应，得到目标三维整体温度分布和高温排气温度、浓度分布，特别是随着湍流方程的数值求解技术的不断改进与完善，求解的精度越来越高，已经部分取代实验研究［16］。

4.2 背景建模分析

背景辐射是红外光学设备必然会接受到的辐射［17］，背景辐射的计算是影响目标温度场准确计算的关键。根据目标来分类，背景辐射包括：天空背景、海面背景和地面背景辐射。

天空背景可分为晴空和有云两种情况。在晴空时，天空向下的背景辐射包括太阳的直接辐射、大气本征热辐射和大气对太阳的散射辐射。在有云的情况下，则必须考虑云对阳光的散射和云本身的辐射。海面背景辐射取决于海面温度和表面状态，海水的辐射发射率随海浪大小不断变化。地面背景辐射由反射、散射的太阳光和自身的热辐射组成，影响地面温度分布和辐射特性的因素很多，如：地表形状、植被类型等，要精确计算自然地表的温度和红外辐射特性，必须建立考虑各种影响因素的多维模型［18］。

4.3 耦合建模分析

目标与背景耦合建模是指将目标与背景红外特征模型经过一定的处理，依据一定的准则进行合成，以达到正确分析目标与背景红外辐射对比特性的目的。目前，处理目标与背景合成的方法也较多，如分别建立目标与背景的理论计算模型，并生成红外热图像，然后将目标嵌入到背景的图像中，对其交界边缘进行适当的处理，形成目标与背景的红外合成图像［19］。目前所运用的方法运算都非常复杂，有的为了简化计算，忽略了一些影响因素，结果难以达到较高的精度。

在耦合建模的过程中必须考虑到目标与背景之间多种形式的热量交换，如辐射换热、对流换热等。在计算辐射换热时，辐射角系数和边界条件的确定至关重要。辐射角系数的计算方法有环路积分法、代数法、封闭空腔法、微分法和蒙特卡洛法等，其中蒙特卡洛方法比较适合表面形状复杂的目标。辐射换热边界条件的确定相当复杂，涉及的参数繁多。一种假定参与辐射换热的表面为均匀散射的灰体表面的方法简化了辐射换热的计算，但是只适合等温均匀辐射表面。

另外，在耦合建模的过程中还需要考虑目标的状态。目标存在两种状态：平衡态和动态。当目标处在平衡态时，可以认为目标与外界流出的能量与其所吸收的能量相等。当目标处于动态时，其红外辐射特征与平衡态时有明显的差别［20］。而且目标运动的速度对红外辐射特征也有影响，当速度较低时，气动加热产生的红外辐射可以忽略，但当目标运动的速度较快时，还需要考虑气动加热对红外辐射的影响。这部分的计算，数学上更为复杂一些。

5 结语

虽然随着研究方法的不断创新和实验设备，软件平台不断完善，目标与背景红外辐射特性无论是在理论建模、实验测量上还是在仿真模拟上都取得了很大的进展，但是目标与背景的关系复杂，涉及的学科领域交叉。不光是目标与背景之间的相互影响的机理和规律难以把握，在动目标与背景之间的关系处理问题上，目前还没有得到突破性的进展。在动目标问题上还又牵涉到了高速运动带来的气动加热，以及传热方式，低速运动目标与周围环境的传热方式等等，这将是研究的重点。从综述的情况来看，今后可以在以下几个方面继续深入研究：

1）建立目标与复杂背景间红外辐射特征对比度的数据库；

2）进行外场实验和理论模拟，为数据库的建立提供更多更真实的数据；

3）加大对含有内热源运动目标的研究，探索高速运动目标与背景环境相互影响的机理和规律；

4）开发集目标红外辐射特征计算、各种复杂背景辐射计算、目标与背景红外辐射对比度计算于一体的模拟计算平台。

［1］杨风暴，倪国强，姚剑敏.红外小目标与背景辐射对比度的研究［J］.光学技术，2006，32（增刊）：290-292.

［2］宣益民，韩玉阁.地面目标与背景的红外特征［M］.北京：国防工业出版社，2004：1-14.

［3］刘必鎏，时家明，赵大鹏等.目标与背景的对比度分析及其应用［J］.航天电子对抗，2008，24（3）：48-51.

［4］C.Cox，W.Munk.Statistics of the sea surface derived from sun glitter［J］.Journal of Marine Research，1954：198-202.

［5］Thomas D J.，G M.Martin.Thermal Modeling of Background and Targets for Air-to-Ground and Ground-to-Ground Vehicle Applications.SPIE Imaging Infrared，1989，1110：166-176.

［6］Timothy J.Rogne，Charles S.Hall，Richard Freeling.U.S.Army Tank-Automotive Command Thermal Image Model.SPIE，1989，1110：210-219.

［7］施加宝.海天背景的红外辐射散射特性研究［D］.西安电子科技大学，2009：3-7.

［8］杜晓光.粗糙面电磁散射及其应用［D］.西安电子科技大学，2006：2-7.

［9］韩玉阁，宣益民.目标与背景的红外辐射特性研究及应用［J］.红外技术，2002，24（4）：16-19.

［10］王毅，范伟，饶瑞中.大气、地表条件对目标－背景对比度的影响分析［J］.量子电子学报，2004，21（1）：92-97.

［11］王毅，范伟，饶瑞中.典型大气条件下的目标－背景对比度的计算分析［J］.激光与红外，2004，34（5）：375-378.

［12］王毅，范伟，饶瑞中.目标特性对目标－背景对比度的影响［J］.量子电子学报，2005，22（5）：827-832.

［13］邓荣，饶炯辉，张晓晖.环境辐射对红外辐射温差的影响［J］.红外技术，2010，32（7）：411-414.

［14］姚晓蕾.突防措施下中段弹头的红外辐射特性分析［D］.南京理工大学，2010：2-5.

［15］路远，凌永顺，李玉波.地面目标红外辐射及防护研究［J］.电子对抗技术，2003，18（6）：37-40.

［16］李晋岭.无人机红外辐射特性数值模拟研究［D］.合肥：陆军军官学院，2011：2-4.

［17］徐南荣，卞南华.红外辐射与制导［M］.北京：国防工业出版社，1997：53-66.