武器装备的光学隐身性能表征评估技术研究

2017-09-17邱守义

科技与创新 2017年18期

关键词：参量色差灰度

邱守义

（中国人民解放军31121部队，江苏南京210014）

武器装备的光学隐身性能表征评估技术研究

邱守义

（中国人民解放军31121部队，江苏南京210014）

近年来，随着光学侦察技术的不断发展，与之相对的光学隐身技术已经成为军事研究热点。根据响应波段、对应侦察方法的不同，目前光学隐身技术主要包括可见光隐身技术、红外隐身技术和激光隐身技术等。光学隐身性能测试评估是联系武器参数和作战能力的桥梁，直接决定了武器装备在战场的隐身性能，是光学隐身技术的关键和难点。针对不同波段光学侦测的技术特点，研究可见光隐身、红外隐身和激光隐身性能的表征评估方法，建立目标隐身性能表征评估体系。

武器装备；光学隐身性能；黑体等效温差；色差参量

以信息化为主导的现代战争模式中，通过信息对抗夺取制信息权成为战争致胜的筹码，而军事侦察与隐身伪装日益成为信息对抗的重要一环。随着精确制导武器打击能力的提高，目标场景“发现即摧毁”已经成为战场常态，因此如何通过隐身伪装尽可能地躲避敌方侦察成为当前军事领域重要的研究技术之一，日益受到世界军事强国的重视，隐身特性已经成为未来主战装备必须具备的特征[1-3]。

可见光隐身技术主要针对战场目视观察、高分辨率灰度成像、彩色成像及可见光范围的多光谱成像等侦察措施；红外隐身技术主要针对夜视红外成像、热红外制导等侦察方法；激光隐身技术主要针对激光雷达侦测技术[4-5]。

武器装备的光学隐身通常包括光学隐身设计、光学隐身材料研发和光学隐身性能测试评估3个阶段。其中，光学隐身性能测试评估是联系武器参数和作战能力的桥梁，直接决定武器装备在战场的隐身性能，是光学隐身技术的关键[6-7]。此外，光学隐身性能测试评估也是光学隐身技术的难点，涉及光学目标场景特性参量定量反演、光学隐身效果表征等理论体系的建设等关键技术。研究和建立完善的武器装备光学隐身性能表征评估方法对新一代武器系统的发展规划、设计论证等具有重要意义，将会进一步提升高超速导弹、舰船和作战飞机等新一代武器装备的隐身效能，降低敌方对我方武器装备的识别率，提高武器装备的战场生存能力。

1 可见光波段隐身性能表征评估

可见光波段侦察主要通过识别武器装备与背景在颜色和灰度图像特征（纹理、边缘、梯度等）上的差异来实施。为有效表征这一波段内武器装备的隐身特性，研究由目标场景光谱辐射信息计算CIE1976 L*a*b*色差参量的方法，用以评估武器装备对人眼观测和彩色成像探测技术的隐身性能。研究武器装备光学灰度图像与背景光学灰度图像的相关系数参量，建立图像与灰度直方图、灰度共生矩阵等评估参量，用以评估武器装备对高分辨率成像和多光谱成像侦察探测技术的隐身性能。

1.1 色差参量

色差是在可见光彩色图像中识别武器装备和背景的重要参量，采用相对色差参量作为人眼观测彩色目标场景图像的隐身评估参量，相对色差参量参照CIE1976中标准色差参量建立，包括心理明度L*和2个心理色度a*，b*，成为L*a*b*体系[8]。该体系可以由经典的CIE-XYZ坐标通过数学方法转换，转换方程为：

式（1）中：X，Y，Z是物体的三刺激值；X0，Y0，Z0为CIE标准照明体的三刺激值。

物体的三刺激值可以由目标场景在可见光谱波段的光谱信息直接计算得到。在L*a*b*体系中，色差表达式为：

式（2）中：ΔL*为武器装备与背景的明度差，Δa*、Δb*为武器装备与背景的色度差，满足

表1 人眼对色差ΔE*的敏感程度

通过对比武器装备与背景的色差ΔE*，可以表征装备与背景在色彩上的差异。色差表征参量主要用于目视侦察探测的隐身性能表征，参照色彩复印质量标准，人眼对色差ΔE*的敏感程度如表1所示。

1.2 灰度图像特征参量

高分辨率灰度图像是可见光侦察手段获取的另一种常见的目标场景光学载体，例如采用高分辨率相机、多光谱成像仪等设备。在现代图像处理中，描述图像性质通常采用灰度直方图、灰度共生矩阵等参量[9]。采用武器装备图像与背景图像的灰度直方图相关系数Sg和共生矩阵相关系数Sgc来表征目标场景隐身特性。

灰度直方图相关系数Sg的表达式为：

式（3）中：ni为武器装备图像中灰度级为i的像素数；mi为背景图像中灰度级为i的像素数；E（n）为武器装备图像中像素的灰度值均值；E（m）为背景图像中像素的灰度值均值。

Sg用来表征2幅图像之间的相似程度，当Sg较大时，表明2幅图像灰度统计特性比较相似；反之，当Sg较小时，表明2幅图像灰度统计特性差别较大。武器装备图像与背景区域图像的共生矩阵相关系数Sgc的表达式为：

式（4）中：PA（i，j）为武器装备图像灰度共生矩阵第i＋1行和第j＋1的元素；PB（i，j）为背景图像灰度共生矩阵第i＋1行和第j＋1的元素；E（PA）为武器装备图像灰度共生矩阵的均值；E（PB）为背景图像的灰度共生矩阵的均值。Sgc主要用来表示武器装备图像与背景图像在纹理上的差异程度，Sgc越大，表明2幅对比图像纹理差异越大，武器装备与背景越容易被区分。

灰度图像特征参量主要用来评估采用基于计算机自动识别算法的隐身目标场景探测方法，包括Camaeleon、CAMWVA等。根据不同探测方法的灵敏度及具体探测设备获取的图像分辨率等，可确定最小区分的图像灰度特征参数Sgmin和Sgcmin.如果武器装备和背景图像的灰度特征参量大于这2个最小值，则目标场景可以被识别；如果小于2个最小值参量，则可以认为被发现的概率较低，隐身效果较好。

2 红外隐身性能表征评估

目前，红外波段的侦测手段主要是通过热红外成像仪进行探测的，红外成像仪主要通过识别目标场景与背景在辐亮度上的差异来实现。红外探测器获取的目标场景红外辐射图像亮度差异取决于目标场景的黑体等效温度。因此，采用黑体等效温差来表征红外光学隐身性能。

黑体等效温度是用来描述物体红外辐射的基本参量，武器装备与背景的黑体等效温差ΔTos的表达式为：

式（5）中：To为武器装备的黑体等效温度；Ts为背景的等效黑体温度。

ΔTos越大，则武器装备红外特征与背景红外特征差异越明显，越容易被红外探测装置捕获。此外，针对目标场景红外成像设备空间分辨率越来越高的趋势，采用目标场景区域的黑体等效温度均方根参数Torms作为表征参量，表达式为：

式（6）中：Torms表述武器装备区域内各点的等效温度分布情况；N为武器装备图像区域点数；（i＝1，2，…，N）为各点的黑体等效温度。

热红外成像系统综合性能的一个重要参数是最小可分辨温差ΔTmin，当武器装备与背景的黑体等效温差ΔTos大于最小可分辨温差ΔTmin时，可认为武器装备可以被探测。最小可分辨温差ΔTmin主要与红外探测器的性能和成像系统的传递函数有关，可以通过专业的测试系统测试得到。

3 激光隐身性能表征评估

近年来，随着激光技术的发展，激光探测雷达和激光制导已经成为成熟的侦察设备，与光学成像侦察技术相比，激光侦察技术属于主动探测型，具有效率高、穿透能力强、定向性好等优点。针对激光侦察技术特点，采用激光雷达截面LRCS参数来表征武器装备对激光侦测的隐身性能。目标场景对激光雷达截面LRCS的定义为激光雷达在接收机上产生同样光强的全反射球体的横截面积，即：

式（7）中：ρ是武器装备的激光反射率；A是武器装备的实际投影面积；Ω是武器装备的散射波束立体角。

LRCS值越大，表明武器装备越容易被激光雷达侦测或者被激光制导锁定。激光雷达可探测的最小LRCS值与激光雷达的发射功率、探测距离、武器装备材料的反射特性以及大气传输特性等有关，可以通过探测实验测得。在一定的探测条件下，当武器装备的雷达截面LRCS小于激光雷达最小探测LRCS值时，可以认为武器装备无法被识别；反之，则表明武器装备能够被激光雷达侦测到。

4 结束语

武器装备光学隐身性能表征参量直接影响着目标场景隐身性能评估的准确性。利用目标三维场景模型，研究不同侦察探测技术条件下武器装备隐身光学性能的表征方法。隐身性能表征体系建立的关键在于建立目标场景辐射特性、侦察背景等参数与表征参量的关系；隐身性能评估体系建立的关键在于建立表征参量与隐身效果之间的关联关系。结合要评估的侦察背景参数，建立目标场景隐身性能表征体系，表征参量包括CIE1976标准色差、灰度图像特征参量、黑体等效温差、黑体等效温度均方根和有效横截面等。然后根据不同光谱波段侦察方法、辐射特性的不同，建立可见光、红外和激光侦察的隐身效果评估方法。

［1］王世安.水面舰船隐身技术的发展动向与分析［J］.舰船电子工程，2014，34（3）：16-20.

［2］刘春阳.无人机隐身技术若干问题研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［3］侯振宁.舰艇隐身技术的发展现状［J］.舰船电子对抗，2000（2）：19-23.

［4］张凤国.可见光-红外隐身材料的制备与性能研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［5］耿春萍，张建辉，张丽霞，等.激光与红外隐身效果的测量评估方法研究［J］.光电技术应用，2008，23（4）：78-80.

［6］王自荣，孙晓泉.光电隐身性能的表征概述［J］.激光与红外，2005，35（1）：11-14.

［7］杜翠兰，周建忠.光电隐身效果的评估方法［J］.光电技术应用，2011，26（2）：1-4.

［8］曹从军.色彩管理关键技术CIE L～*a～*b～*与CMYK变换算法的研究［D］.西安：西北大学，2008.

［9］韩玉阁，宣益民，马忠俊.成像目标的红外隐身效果评估［J］.红外技术，2010，32（4）：239-241.

［10］杨照金.光电隐身效果评估技术系列讲座第二讲：红外隐身效果评估［J］.应用光学，2011（2）：197-202.

〔编辑：刘晓芳〕

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