基于靶标辐射元的IR-JST温度反演方法研究

张冬晓,陈志斌,肖 程,秦梦泽

(1.陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系,河北 石家庄 050003；2.中国人民解放军32181部队,河北 石家庄 050003)

1 引 言

红外成像制导以其高精度制导能力以及全天候作战特点,逐渐成为信息化战场上不可或缺的打击手段。但是随着各种干扰技术的日趋成熟,红外成像制导导弹的作战环境变得越来越复杂,使其高精度制导能力受到抑制[1]。为使红外成像导引系统(IRIGS)在复杂作战环境中发挥最大的效能,必须在制导系统的研制和日常维护过程中,对导引系统的抗干扰性能进行实时检测和评估。

目前用于检测IRIGS抗干扰性能的方法主要有外场靶试法和数字仿真法[2]。外场靶试法是在真实战场环境下进行导弹实弹测试,该方法测试精度高且最接近导弹的实战表现,但是缺点是成本高、不适用与日常检测；数字仿真法是目前国内外普遍采用的方法,其核心是用计算机生模拟战场环境及干扰源特征,利用红外景象投影系统将战场图像投射到红外成像导引头来完成评估。此方法的缺点是仿真环境与真实环境很大差别,使得评估结果带有误差。

本文针对数字仿真法的缺点,提出了一种基于热电器件阵列的红外成像干扰模拟靶标,采用热电器件阵列模拟各种干扰手段并置于真实环境中进行抗干扰性能的检测。

2 红外成像干扰模拟靶标生成方法

红外成像干扰模拟靶标用以模拟各类干扰手段,常见的干扰手段有,红外烟幕干扰、红外假目标干扰和红外隐身干扰等[2]。这些干扰手段的核心均为改变目标的红外辐射强度或辐射分布,使得IRIGS丢失目标的外形信息。其中红外烟幕干扰本质是用红外烟幕掩盖目标红外辐射；红外假目标是模拟真目标的红外辐射特征,诱骗IRIGS；红外隐身是模拟背景辐射分布,使目标与背景融为一体。根据上述分析可知,本文所提红外成像干扰模拟靶标必须具有改变红外辐射分布以及红外辐射强度的能力,由斯忒潘—波尔兹曼定律可知,红外辐射强度可通过温度和发射率进行控制。从目前已有的变发射率材料来看,其动态范围有限,不能适应温度变化较大的环境[3]。所以一般采用变温材料,其中热电材料可通过加载在材料两端的电场对材料温度进行控制,成为干扰模拟靶标的首选材料。考虑到改变红外辐射分布的要求,将电致变温材料阵列化,每个变温材料单元可看作阵列中的一个辐射元,通过控制每个辐射元的红外辐射,即可形成不同的红外辐射分布。

比较上述几种干扰手段可知,红外烟幕干扰及红外假目标干扰只需模拟干扰源的红外辐射特征,相比于此,红外隐身干扰需要模拟复杂背景的红外辐射特征,并控制干扰模拟靶标自身红外辐射,使之与背景相一致[4],是几种干扰手段中最为困难的一种。所以本文以红外隐身干扰为重点,分析红外成像干扰模拟靶标生成方法。

红外隐身干扰模拟靶标的工作原理如图1所示,靶标位于被测导引头视场中,并遮挡了部分背景,这部分背景与靶标形成投影关系。位于靶标后方的红外热像仪实时探测背景的红外辐射分布,并根据投影关系将遮挡的部分背景重投影到干扰模拟靶标上,此时热电器件阵列中的每一个辐射元分别对应遮挡背景的一部分。最后由遮挡背景的红外图像反演出热电器件各辐射元的控制温度,进而控制干扰模拟靶标复现被遮挡住的部分背景。最后由被测导引头接收隐身后的靶标图像,评估被测导引头的抗干扰性能。

图1 红外隐身干扰模拟靶标工作原理Fig.1 The operating principle of the infrared stealth JST

2.1 遮挡背景重投影模型

由以上分析可知,生成红外隐身干扰模拟靶标的第一步是建立干扰模拟靶标与被遮挡背景之间的空间映射关系,这种空间映射关系以透视投影关系为基础,其特点在于坐标系的建立和转换[5]。所以首先根据红外隐身干扰模拟靶标工作原理建立坐标系。

根据被测导引头、干扰模拟靶标以及红外热像仪三者的位置关系,建立三套坐标系,分别为:靶标坐标系Ob-XbYbZb；热像仪坐标系OT-XTYTZT；导引头坐标系Oc-XcYcZc,三套坐标系的定义方法如图2所示。

图2 坐标系之间的关系Fig.2 The relation between coordinate systems

背景重投影模型的最终目的是在位于靶标后方的热像仪所拍摄的背景图像上定位被靶标遮挡的部分背景并与靶标上各辐射元相对应,模型的建立需用到摄像机模型以及坐标变换模型。

首先将靶标上各点坐标以导引头坐标系表示,并通过在导引头坐标系处建立虚拟摄像机,用摄像机模型求解出遮挡背景空间点与靶标上各点的空间映射关系,该过程可表示为:

(1)

(2)

其中,Zc=Z-Ze为背景面与导引头之间的距离;Z为靶标与背景间的距离;(xc,yc,zc)为遮挡背景点在导引头坐标系下的坐标。

接下来通过建立热像仪模型,将得到的遮挡背景空间点与热像仪拍摄的背景图像像素坐标联系起来,热像仪的成像模型可由式3表示[6]:

(3)

根据旋转矩阵的定义及运算法则[7],热像仪相对于导引头坐标系的旋转矩阵可由式(4)表示:

R1=Rx(α)·Ry(β)

(4)

通过对靶标上的点进行逐一求解,便可获取被靶标所遮挡住的背景,且与靶标各点一一对应,相关实验结果可参见作者发表的论文[8],在此不再赘述。

2.2 热像仪温度反演模型

热像仪可将物体的红外辐射转化为红外图像进行显示,其中红外图像灰度与物体发射的红外辐射关系可由热像仪定标模型描述[9-10]:

G=k1L(T)+C1

(5)

其中,G为热像仪输出图像灰度值；L(T)为物体的入射辐射功率；T为温度；k1为热像仪标定常数；C1为偏置项。由模型可知,在定标过程中,只需知道两对(L,G)值,便可确定此关系。

常用的定标方法是以标准辐射源为核心,通过控制辐射源温度,产生不同功率的红外辐射,用热像仪接收标准辐射并转化为红外图像,再利用式5进行标定。

但是,由于标准辐射源是以温度为控制量,并不能直接获取入射辐射功率,所以还必须知道入射辐射功率与温度之间的关系。由普朗克公式可知,在某一波段范围内,红外辐射功率与温度的关系无法用精确的解析式描述,只能通过拟合的方式近似,根据文献[11],热像仪定标模型可表示为:

(6)

其中,b0、b1、b2为热像仪标定常数；c2为第二辐射常数；T为温度；λ为热像仪有效波长；ε为物体发射率。由式6知,该定标模型中的ε误差将会影响温度反演精度,并且在实验中还发现,随着工作时间的增加,热像仪会产生温度漂移现象,极大的影响了温度反演精度。为此本文提出一种基于靶标辐射元的热像仪标定方法。

3 基于靶标辐射元的热像仪标定

如前文所述,若采用黑体定标,在计算靶标控制温度时还需进行发射率补偿,为消除发射率的影响,本文直接采用靶标辐射元进行标定。本文所采用的靶标辐射元结构如图3所示。

图3 靶标辐射元结构图Fig.3 The structure diagram of the target radiation element

靶标辐射元作为靶标阵列的一部分,以半导体制冷器(TEC)为热源,外面加装金属变温层作为导热元件,在金属表面喷涂油漆作为红外发射材料,在TEC背面加装散热模块,增加TEC的变温效率。

以靶标辐射元为热源,对红外热像仪进行标定实验同时以黑体为热源重复进行实验,实验装置图如图4所示,标定曲线如图5所示。

图4 定标实验装置图Fig.4 The diagram of experimental device

图5 热像仪标定曲线及残差图Fig.5 The diagram of the calibration curve and residual

通过将敏感单元标定曲线与黑体标定曲线对比发现,其规律与利用黑体作为定标源时完全一致,所不同的是曲线整体低于黑体定标曲线,这是由于发射率不同导致的,可见利用靶标敏感单元对热像仪进行标定是完全可行的。

4 基于敏感单元的漂移补偿算法

为找出热像仪灰度漂移规律,本文进行了三次连续的定标实验分析热像仪灰度漂移对定标曲线的影响,实验结果如图6所示。

图6 三次定标实验曲线Fig.6 The calibration curves of three experiments

从图中可以看到,三条曲线有着相似的规律,只是各自的起始点有差异。由此可以推断,热像仪的灰度漂移并不会对热像仪的增益造成影响。即热像仪工作温度所引起的灰度漂移是一个加性噪声。

热像仪输出图像灰度与温度之间的关系可由式(7)表示:

G=ε[k1(a1T2+a2T+a3)+C1]

=b1T2+b2T+b3

(7)

根据热像仪灰度漂移特点,可对上式进行修正,结果为:

G=b1T2+b2T+b3+Gs(Ts)

(8)

其中,Ts为热像仪自身温度；Gs(Ts)为热像仪自身温度所带来的输出漂移。由式8可知,热像仪的漂移量仅与自身温度相关,而并不会对定标曲线的斜率造成影响。令热像仪定标时自身温度为Tc,当前温度为Tn,对于某一温度为Ta的目标来说,在上面两个状态下的输出分别为:

(9)

对于同一温度的目标来说,其热像仪响应部分是一致的,所不同的是由于热像仪温度不同而引起的那部分灰度漂移。将上两式进行差分消掉由目标本身辐射带来的响应,则可得到当前热像仪工作状态下的漂移量,如式(10)所示。

ΔG=Gc(Tc)-Gn(Tn)

(10)

根据以上分析可知,在进行漂移补偿时,只需将定标源设定到固定温度下,在测量的间隙采集定标源的红外图像,将图像灰度与定标时的灰度作差分即可得到漂移量,在测量时减去该漂移量即可得到准确的反演温度。

为验证漂移补偿算法的有效性,采用课题组自研的靶标敏感单元阵列为热像仪提供目标与背景,阵列结构如图7所示,将八块敏感单元固定于同一热沉上,由背面的温度控制系统为每个敏感单元提供驱动电流。

图7 靶标敏感单元阵列实物图Fig.7 The structure diagram of target sensitive unit

实验以3号单元为温度反演目标,2、4、5、7号单元作为背景,其中将2号和4号单元拆下作为自然背景,温度未知；5号、7号单元作为温度可控的背景。热像仪开机时首先进行温度标定,得到开机时刻的灰度-温度关系,将3号单元温度设置为30 ℃,记录此刻的灰度值,然后使热像仪保持开机状态40 min后,记录当前状态下3号单元灰度值,并与初始时刻灰度值差分得到漂移补偿量,然后将5号和7号背景设置为19 ℃,用以验证温度反演精度,最后通过反演2号和4号背景温度,控制3号单元温度与二者一致,并通过热像仪观察此时的红外图像。补偿前后的反演温度如表1所示。

表1 温度反演结果Tab.2 The result of the temperature retrieval

按照表中温度调节3号单元温度,并用热像仪进行观察,其结果如图8所示,其中上图为补偿前的结果,下图为补偿后的结果。

由表2中的数据可知,在漂移补偿前后,反演温度的差别能够达到7 ℃,并且由5号和7号背景反演结果来看,经过漂移补偿后,反演温度误差降低到0.5 ℃。由图8可知,经过漂移补偿后,目标与背景之间的灰度差下降十分明显,说明本文提出的基于靶标敏感单元的热像仪温度标定方法及漂移补偿算法是有效的。

图8 漂移补偿前后目标与背景的红外图像Fig.8 The infrared images of the target and backgroundbefore and after drift compensation

5 结 论

针对数字仿真法受精度的制约不能准确模拟各类干扰源的问题,提出了基于热电器件阵列的红外成像干扰模拟靶标生成方法。

本文以红外隐身干扰手段为研究对象,提出了以遮挡背景重投影模型和热像仪温度反演模型为核心的干扰模拟靶标生成方法。通过建立遮挡背景重投影模型,实现了干扰模拟靶标与遮挡背景各点之间的空间对应；提出了基于靶标敏感单元的热像仪温度标定方法及漂移补偿算法,解决了遮挡背景各点灰度到靶标单元控制温度之间的转换。为红外成像制导系统抗干扰性能测试靶标的生成奠定了技术基础。