一种评估飞机可见光隐身性能的概率方法*

赖远明 田金文 明德烈 李向春

(1.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)(2.火箭军装备研究院 北京 100085)



一种评估飞机可见光隐身性能的概率方法*

赖远明1田金文1明德烈1李向春2

(1.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)(2.火箭军装备研究院 北京 100085)

光电隐身技术是增强飞机生存能力的重要手段之一。飞机的可见光隐身性能对于提高飞机的作战能力和生存能力至关重要。开展飞机可见光隐身性能评估具有重要的理论意义和实用价值。论文使用隐身概率来定量地评估飞机的可见光隐身性能,使用光线跟踪算法模拟可见光探测过程,并通过仿真计算与实际情况的对比验证了概率模型的正确性。

飞机隐身; 可见光; 性能评估; 信噪比; 隐身概率

Class Number TP391

1 引言

随着科学技术的进步,战场上的作战方式也在不断演化,在高科技时代,战争的形式相较过去已经极为不同,防空系统的威力越来越大,飞机面临巨大威胁。隐身飞机的出现使得现代战争的概念发生了深刻的变化[1],隐身技术能降低飞机被发现和被跟踪锁定的概率,能让飞机在几乎没有其它支援的情况下安全地渗透到敌方重兵布防的空域[2],提高飞机在战场上的生存概率和突防效率,作为提高武器作战效能的一种有效手段,与激光、巡航导弹并称为当今军事技术的三大革命[3]。可见光隐身飞机的研究离不开其隐身性能的评估。研究可见光隐身性能的评估能帮助找到优化飞机可见光隐身性能的配置方案,为可见光隐身涂层的制作提供指导,改变过去以“炒菜”的方式盲目摸索尝试不同配色的制作方式[4],缩短研发周期,降低研发成本。在作战中,隐身性能评估理论可以用于航迹规划。飞机可见光隐身性能评估的研究具有重要意义。

与隐身相关的技术的研究很早就开始了,可见光隐身材料是研究最早的,在早期的战争中已经得到大量的应用[5]。二战中,德国率先开始研发隐身技术和材料,随后这项军事技术在美国取得了极大进展。但迄今为止,对隐身装备性能的评估尚未形成一套完整的理论体系[6]。目前,对隐身性能的评估有定性评估和定量评估两类方法[7]。隐身是一个相对的概念,很难实现完全的隐身,而定性的评估方法无法反映出飞机的隐身程度,研究定量的评估方法很有必要。

本文提出了基于信噪比计算的隐身概率模型用于计算给定条件下飞机的可见光隐身概率,并以此为评估指标,对飞机的可见光隐身性能进行定量评估。通过仿真,分别计算使用白漆和黑灰漆涂层的飞机在陆地背景和天空背景中的隐身概率,然后将仿真结果与实际中飞机的涂层选择进行对比来验证隐身概率模型的正确性。

2 飞机可见光隐身的概率表征

在图像中,目标与背景的反差越大,目标越突出,越容易被识别出来。图像中的对比度概念可以描述目标和背景在亮度上的反差。图像中目标与背景的亮度差越大,对比度的值也就越大,目标被检测出的概率也就越大。

可见光探测系统进行探测后的输出是图像,其输入则是目标和背景反射到探测器入瞳处的可见光波段能量。目标和背景在图像上的显示情况反映的是探测器接收到它们反射的能量情况。图像中目标背景之间的亮度差与目标和背景反射到探测器入瞳处的能量差紧密相关。

若探测器的感光原件中有sumb个单元接收了背景反射过来的能量,其中单个单元接收到的能量值记为Ebi,则接收到背景反射的总能量为Eb=∑Ebi,其均值为

ub=Eb/sumb

标准差为

若探测器的感光原件有sumt个单元接收了目标反射过来的能量,其中单个单元接收到的能量值记为Eti,则目标反射过来的总能量为Et=∑Eti,均值为ut=Et/sumt。

定义探测器接收到能量的信噪比为

将基于信噪比的隐身概率定义为

3 目标与背景特性建模

可以认为目标是由一系列的三角面片组合而成。根据目标的三视图及其具体的几何结构数据,使用3d Max三维建模软件可以对目标进行相对精确的三维几何建模。目标对可见光的反射与目标的材质、观测位置、入射角度、入射光强等因素有关。设Es为太阳光谱辐射照度,α为太阳-飞机连线与飞机表面面元ds法线的夹角,β为探测器-飞机连线与飞机表面面元ds法线的夹角,ρ为飞机面元的光谱反射率,dI为ds面元在β角方向的光谱辐射强度,则有:

这个时候，许元生才真正看清了如芸的模样，确实，她还挺好看的。可是，许元生碰到了难题，他虽然在代码的世界里行云流水，但他真的不知道该如何接近一个让他动了心的女生。

dI=ρEscosαcosβdS/π

太阳的辐射照度可以由普朗克公式求出[8]。用光线跟踪算法仿真光的传播,很容易求得目标反射到探测器入瞳处的可见光能量。

背景与目标一样,是反射太阳辐射出来的可见光,但是背景要远比目标复杂,很难进行精确建模。本文采用统计建模的方法,通过文献调查得到陆地背景和天空背景的整体反射率。总体上,地面的反射率比较低,很多涉及到以地表反射率作为输入参数的模型都将其近似地定为0.15[9],天空的反射率比较大,有时可以达到0.8以上[10]。若背景的整体反射率为ρb,则探测器中单个感光单元接收到背景的反射强度为

I=ρbEsS

其中Es为太阳光谱辐射照度,S为感光单元对应到背景上的面积。

4 仿真与分析

可见光隐身飞机常用的表面涂层有白漆涂层和黑灰漆涂层两种,其中白漆的反射率取0.73,黑灰漆的反射率取0.2。通过资料调研,实验中陆地背景的反射率取0.15,天空背景反射率取0.8。可见光波段的波长范围取0.38μm～0.76μm。在实际观测中,从地面观测空中的飞机,飞机通常是暗的,天空是亮的,若机腹使用白漆涂层,则能降低飞机与天空背景的反差。相反,飞机顶部使用的是黑灰漆涂层,因为陆地背景的反射率很低,使用黑灰漆涂层能够降低飞机与陆地之间的反差。使用上述数据进行仿真实验,可以得到使用白漆和黑灰漆涂层的飞机在两种不同背景中的可见光隐身概率,通过仿真结果与实际情况的对比可以对隐身概率模型的正确性进行验证。

4.1 陆地背景

陆地的地形起伏等因素会导致陆地背景反射到探测器入瞳处的能量有大小起伏,起伏越大则其标准差越大,背景越复杂。

1) 飞机使用黑灰漆涂层

当背景为陆地且飞机使用黑灰漆时,随着背景的复杂程度的变化,信噪比与隐身概率随之变化,如图1所示。从图中可以看到,当背景比较复杂,起伏很大时,SNR的值比较小。这是因为黑灰涂层与背景的反差本来就小,当背景很复杂时,这种反差被进一步削弱,此时不容易将目标和背景区分开来,飞机的隐身概率很容易达到20%以上。

图1 陆地背景-黑灰漆组合隐身情况

2) 飞机使用白漆涂层

在陆地背景中使用白漆涂层,意味着飞机和陆地背景之间的反差会比较大,即使背景起伏很大,很复杂,也不会对它们之间的反差产生本质性的影响,SNR一直很大,如图2所示。此时,飞机被敌方探测到的概率非常大,无法隐身。

4.2 天空背景

天空背景随天气的变化很大,总体上,亮度比陆地高出很多。从地面观测时,目标一般是暗的,而背景是亮的。

1) 飞机使用黑灰漆涂层

图2 陆地背景-白漆组合隐身情况

当使用黑灰漆涂层时,飞机与背景在亮度上反差很大。天空背景的变化很大,在万里无云的晴朗天空,整个背景几乎是纯蓝色的,反射能量的标准差很小,信噪比会特别大,隐身概率则很小。相反,如果背景是复杂的卷云,则天空背景的起伏度很大,高复杂背景反射到探测器入瞳处的能量的标准差很大,SNR降低,此时,即使飞机使用黑灰漆涂层,也有相对较高的隐身概率,如图3所示。但与使用白漆涂层的飞机相比,即便是在最有利的环境里,使用黑灰漆涂层的飞机隐身性能也不算好,当背景云层相当复杂时,其隐身概率才高于10%。

图3 天空背景-黑灰漆组合隐身情况

2) 飞机使用白漆涂层

若飞机使用白漆涂层,则飞机与背景之间的反差比较小,如果背景又比较复杂,则飞机很容易就融入到了背景中,在计算上表现为SNR小,隐身概率高,如图4所示。此时,飞机的隐身概率对背景的复杂程度变化很敏感。在完全无云和复杂卷云的背景下,飞机的隐身概率相差很大。

图4 天空背景-白漆组合隐身情况

5 结语

本文使用隐身概率模型进行仿真计算,所得结果与实际情况是相吻合的,这在一定程度上验证了隐身概率模型的正确性。飞机的可见光隐身性能可以通过基于信噪比的概率模型来进行定量评估,但该模型的正确性还需通过更多的数据进行更深入地验证。

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A Probabilistic Method to Evaluate the Aircraft’s Visible Light Stealth Performance

LAI Yuanming1TIAN Jinwen1MING Delie1LI Xiangchun2

(1. National Key Laboratory of Science & Technology on Multi-spectral Information Processing,School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) (2. Equipment Academy of the Rocket Force, Beijing 100085)

The electro-optic stealth technology is one of the important means to enhance the aircraft survivability. The craft’s visible light stealth performance is a key to improveits operational capability and survivability. It has important theoretical significance and practical value to carry out the evaluation of the aircraft’s visible light stealth performance. In this paper, a probability model is proposed to quantitatively evaluate the craft’s visible light stealth performance, employ the ray tracing algorithm to simulate the visible light detection process, verify the correctness of the stealth probability model by comparing the simulation computation with the actual situation.

aircraft stealth, visible light, performance evaluation, SNR, stealth probability

2016年7月5日,

2016年8月20日

国家自然科学基金项目(编号:61273241)资助。

赖远明,男,硕士研究生,研究方向:成像仿真。田金文,男,教授,研究方向:人工智能控制,目标检测、识别与跟踪,成像仿真。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。李向春,男,工程师,研究方向:虚拟仿真。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.001