临近空间目标的多谱段探测技术研究*

娄洋歌　张一飞　明德烈　田金文

(华中科技大学自动化学院多谱信息处理技术国家级重点实验室　武汉　430074)



临近空间目标的多谱段探测技术研究*

娄洋歌张一飞明德烈田金文

(华中科技大学自动化学院多谱信息处理技术国家级重点实验室武汉430074)

在天基临近空间目标多谱段探测系统中，对探测能力的分析和评估是进行相机设计的前提之一。在单一波段的基础上，论文从多谱段出发，对可见光及红外波段探测系统信噪比和探测距离进行建模，并结合实例分析了可见光及红外波段探测系统的探测性能。红外波段的目标辐射与背景辐射反差大，探测可行性比可见光好。最后在同等条件下，通过比较短波、中波和长波红外的相机极限探测距离，论证了短波红外的探测可行性最好，探测距离最远，为临近空间目标探测提供理论依据。

临近空间;可见光;红外;信噪比;探测距离

Class NumberTN765

1　引言

临近空间一般指距地面20km～100km的空间，它大致包括：大部分大气平流层、全部中间层和部分热层区域[1]。在这样的空间区域，既可以避免目前绝大多数的地面攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度，对于侦察监视、通信保障以及对空对地作战等，具有极大的发展潜力[2]。

临近空间目标成像探测技术对于临近空间飞行器目标探测、识别、跟踪、瞄准、攻击等具有非常重要的意义[3～4]。通过研究临近空间目标与环境特性，可以分析得到临近空间目标与环境特性的特征信息，建立临近空间目标与空间环境特征数据库，在此基础上研发临近空间目标多谱成像仿真软件，进行探测模式分析，从而得到最佳探测模式，为临近空间的目标探测提供帮助。

在探测系统中，对探测能力的分析和评估是进行临近空间相机设计的前提之一[4]。在临近空间，作用距离与探测波长、目标特性、背景特性及系统探测能力等多种因素有关[5]。本文将从可见光及红外波段探测模式进行理论分析并计算，估算出各探测模式条件下的作用距离，给出临近空间探测的最佳探测模式。

2　临近空间目标可见光可探测分析

在可见光波段，临近空间目标以反射为主。在目标表面面元能量受到地球反射能量、地球反射太阳辐射能量、太阳直射能量。

由于地球直接辐射模型的分谱辐照度的数量级太小，所以应该重点考虑地球反射太阳辐射及太阳直接辐射的影响，毕竟太阳才是整个太阳系的主要辐射源。

(1)

式中：Esun(λ)为太阳光谱辐照度的分布函数，其中：

(2)

(3)

式中：普朗克常数h=6.626×10-34J·s，c为真空光速，k为玻尔兹曼常数，T为太阳黑体温度，Asun为太阳表面积，Ros为目标和太阳的距离。

信噪比是衡量相机信号处理能力的一个总体指标，信噪比越小，表明信号处理能力越强，系统的作用距离就越大。在可见光波段，一般以电子数为单位的信噪比定义为

SNR=Ne/Nnoise

(4)

式中：Ne为在一定时间内接收到的信号电子数，Ne=Q/e，Q为电荷电量，e为电子电荷，e=1.6×10-19C；Nnoise为同一时间内接收到的噪声电子数。

在临近空间目标探测过程中，起主要贡献的噪声来源有探测器暗电流噪声、光子噪声、探测背景噪声、电子读出噪声等。系统噪声可表示为

(5)

式中：nd为暗电流噪声；np为光子噪声；nb为背景噪声；nread为探测器读出噪声。

设μ为图像传感器光电转换效率，T为曝光时间，A0为探测器镜头入瞳面积，nspread为弥散斑像素数，于是得到探测距离估算公式如下：

(6)

3　临近空间目标红外可探测分析

在红外波段，影响临近空间目标红外辐射特性的因素很多。目标红外辐射特性受到其自身红外辐射影响而由普朗克定律可知，目标表面自身红外辐射受到目标表面温度影响[6]，计算方式如下

(7)

式中：C1为第一辐射系数，C2为第二辐射系数，T为面元温度，λ1,λ2为红外波段范围的上下线，ε(λ,T)为表面反射率。

目标表面的反射辐射，包括目标表面对太阳辐射，月球辐射以及它对地球背景辐射的反射：

Eref=α(Qsun+Qsky+Qgrd)

(8)

式中：α为目标表面红外波段范围的反射率；Qsun为目标表面接收的红外波段范围内的太阳辐射能量，Qsky为目标表面接收的红外波段范围内的月球辐射能量，Qgrd为目标表面接收的红外波段范围内的地球背景辐射能量。

临近空间飞行器的红外辐射由其自身的辐射和反射的辐射两部分组成[7]。综上所述，总的红外辐射为

E=Eλ1～λ2+Eref

(9)

在红外波段，目标信噪比的计算公式如下

(10)

式中，τa为对应距离的大气透过率，τ0为红外成像光学系统透过率，η为红外成像光学系统能量利用率，一般取作能量集中度，ΔT为背景辐射等效温差，F为红外镜头数，NETD为等效背景辐射温度。

用红外成像进行目标探测时，目标与背景经过衰减后的温差(目标背景等效温差)ΔT′要不小于成像探测器NETD的一定倍数(能探测到目标所需的最小信噪比SNR)，系统就能探测到目标，即要满足如下公式：

ΔT′≥SNR·NETD

(11)

实际上，大气传输和探测系统中衰减的能量是目标背景能量[8～9]。具体衰减过程如图2所示。

从而可以得到探测系统的探测距离(红外成像探测极限距离)公式。根据实际应用的参数，利用该公式可以得到系统的探测距离：

(12)

式中，α,β是光学系统瞬时视场，R是探测距离，C2为第二普朗克常数，C2=1.438cmk，Tt,Tb为目标和背景的温度，ε为目标的发射率，S为目标面积，λ为红外波长。

图1　目标背景等效温差步骤示意图

4　实验分析

4.1可见光波段实验分析

光学系统的孔径D=200mm，光透过率τ0=30%，大气透过率为0.5965，像元填充因子ε=0.4。若CCD的响应波段为0.4μm～0.7μm，对该波段的太阳辐射进行积分的辐射强度为25554404W/m2,则到目标处的辐射强度为Es=553.121W/m2,目标表面材质的反射率为0.5，则目标本体反射的总辐射为1169.2W。对临近空间目标进行探测时，要求探测概率>99%，虚警概率<1%。可以确定出满足这个条件的门限信噪比约为3。假设太阳光的入射方向与目标表面法线方向的夹角为0°，即垂直照射。

假设探测平台的高度为1000km，而临近空间的区域范围为20km～100km，所以可以认为入瞳处的目标是作为点目标出现的，可以认为目标占1个像元或者两个像元，在实验过程中发现是临近空间目标是作为点目标出现在视场内的。

当取极限信噪比时，最远探测距离随角度变化如表1所示。

表1　取极限信噪比SNR=3时的最远探测距离

从表中可以看出，不同的观测角度下，同样的极限探测信噪比，却有不同的极限探测距离，且随着观测角度的增大，极限探测距离是逐渐递减的。

当目标高度在60km处，探测器观测角度为0°时，可见光波段临近空间目标的辐射强度为276.56W/m2，可见光波段的辐射强度随观测角度变化如图2所示。

图2　目标辐射强度随角度的变化

如图2，在可见光波段，目标辐射强度随观测角度的增加呈下降。说明了观测角度对目标辐射到探测器入瞳处能量有很大影响。

4.2红外波段实验分析

下面以STSS[10]红外探测器为例，光学系统孔径D0=40cm，光学系统透过率τ0=0.7，噪声等效带宽Δf=50Hz，探测率D*=1×1013，探测元面积Ad=20×20μm2，目标面积S=8m2，目标表面发射率为0.8；大气透过率τa取0.5952，背景温度为4K，目标等效温度为2500K。

图3　红外波段目标辐射随观测角度的变化

在红外波段，分别取短波波长λ=2μm，中波波长λ=4μm，长波波长λ=10μm时，目标总辐射随观测角度的变化如图3所示。

如图3，目标总辐射随观测角度的增加呈减小趋势。此外，同一观测角度下，短波红外下目标总辐射最大，中波红外目标总辐射其次，长波红外目标总辐射最小，且短波红外的目标总辐射大于中波红外和长波红外目标总辐射之和。

4.3探测可行性总结

在可见光和红外波段，目标的探测可行性是指目标和背景的能量反差大，背景不会掩盖目标，目标的能量远大于背景的能量。

在红外波段，短波红外的范围是1μm～3μm，中波红外的范围是3μm～5μm，长波红外的范围是8μm～14μm。在计算时，忽略可见光及红外波段的深空背景能量。重点计算地球背景、临边大气背景及目标辐射。

当目标高度为60km，在可见光、红外(短波、中波、长波)波长下，深空背景、地球背景(日照区和地影区)、临边大气背景及目标总辐射经过计算结果如表2所示。

背景辐射能量越小，目标辐射能量越大则其探测性越强。比较表2可以知道，红外波段的目标总辐射能量大于可见光波段的目标总辐射能量。在短波红外波段，背景辐射能量较小而目标总辐射能量较大，所以红外的短波波段探测能力较强。

表2　可见光、红外的目标背景辐射能量

4.4红外波段探测距离比较

在红外波段的不同波长范围下下，同样的目标高度，其探测距离越远，探测性能越好。取背景温度为4K，当目标高度分别在60km、40km、30km时，取短波、中波和长波红外的中心波长，计算目标总辐射，目标等效温度下的探测距离如表3所示。

表3　不同波段的可探测距离

如表3所示，在同样的目标等效温度和背景温度下，短波红外的极限探测距离最大；长波的极限探测距离最小。

5　结语

文章通过对临近空间目标可见光及红外相机探测能力理论计算方法的深入研究，并对同等条件下探测距离进行实验分析。结果表明，临近空间目标的可见光及红外相机的探测能力受相机本身参数，目标自身特性及背景特性的影响，在同一波段，目标在不同高度，短波红外的探测能力最强，在不同波段，目标在同一高度，短波红外的探测能力最强。

但是目前对临近空间探测器探测能力的计算还处在方案设计阶段，若要涉及到软件的实现，还需要考虑临近空间目标特性、环境噪声的实时变化，还需要进一步进行研究。

[1]张国华.临近空间目标探测分析[J].现代雷达,2011,33(6):13-15.

[2]熊超超.临近空间军事应用与探测方法简介[C]//第27届中国气象学会年会大气物理学与大气环境分会场论文集,2010.

[3]Zhang X Y,Wang G H,Song Z Y,et al.Hypersonic sliding target tracking in near space[J].Defence Technology,2015,29(4):370-381.

[4]刘云猛,柴金广,王旭辉,等.空间目标可见光特性与探测距离估算[J].红外技术,2009,31(1):23-26.

[5]宋敏敏.红外系统作用距离与影响关系因素的研究[D].南京:南京航空航天大学,2010.

[6]黄志立,李波,李奇.大气层外空间目标红外探测性能分析[J].光机电信息,2011,28(4):22-25.

[7]孙成明,袁艳,张修宝.深空背景下空间目标红外特性建模方法研究[J].物理学报,2010,59(10):7523-7530.

[8]孙鹏,杨建军,赵保军,等.基于临近空间探测的TBM红外辐射特性研究[J].空军工程大学学报:自然科学版,2013(1):35-39.

[9]张中健.地球及临边背景红外辐射特性研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.

[10]佘二永,彭灏.STSS红外传感器探测性能分析[J].航天控制,2012,30(004):81-83.

Multispectral Detection Technology of Near Space Target

LOU YanggeZHANG YifeiMING DelieTIAN Jinwen

(National Key Laboratory of Science and Technology on Multi-spectral Information Processing Technology,School of Automation,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074)

In multispectral detection system based on near space-based target,the analysis and estimation to the detecting ability is one of premises of the camera design.Based on the single band,this paper starts from the multispectral,SNR and detection range based on detection system of visible and infrared spectrum are modeled,according to examples ,the detection performance of detection system of visible and infrared spectrum are analyzed.In infrared,the radiation of target and background is big contrast,so the detection feasibility in infrared is better than in visible.Finally,the limit of detection distance of camera of short-wave,medium-wave and long-wave of infrared is compared,as a result,the detection feasibility of short-wave of infrared is the best and the detection distance of shore-wave of infrared is the farthest.It provides a theoretical basis for the detection of near space target.

near space,visible,infrared,SNR,detection distance

2016年3月11日,

2016年4月21日

国家自然科学基金(编号:61273241;61273279)资助。

娄洋歌，男，硕士研究生，研究方向：成像仿真。张一飞，男，硕士研究生，研究方向：自动目表识别与跟踪。明德烈，男，副教授，研究方向：人工智能控制、图像处理与模式识别等。田金文，男，教授，研究方向：目标检测、识别与跟踪，成像仿真。

TN765DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.013