目標與背景紅外特征及對比度研究綜述*

王 充 李 源 李晉嶺 汪衛華

（陸軍軍官學院研究生系 合肥 230031）

1 引言

近年來，世界各大軍事強國在軍用目標紅外輻射抑制措施研究上投入了大量的人力、物力，以求得目標戰場生存能力的提高，適應未來戰場紅外對抗需要。然而紅外探測技術的快速發展和紅外制導武器的更新換代使得傳統的紅外隱身技術日顯單薄，軍用目標的戰場生存能力仍然面臨著巨大的威脅，這對目標與背景紅外特征及對比度的研究提出了更高的要求。開展更加深入、細致的目標與背景紅外特征及對比度的研究對于紅外制導武器裝備的更新換代、軍用目標紅外對抗技術的升級完善以及仿真訓練和實戰都具有重要的戰略意義。

2 基本理論

目標與背景的紅外特征主要是指目標的輻射特征與空間分布特征［1］。所謂對比度，指的是被觀測目標與背景亮度之差占背景亮度百分比的絕對值。目標與背景的紅外特征是目標與背景相互作用、相互影響的結果［2］。它們之間存在的這種相互關系決定了在研究目標與背景時不能將它們相互獨立開來?？梢詮囊韵氯c來進行分析：1）目標與背景之間的溫度、物理特性、表面特性等參數都不同，它們之間會產生熱交換，紅外輻射特征也會因此而發生改變；2）目標與背景各自發出的紅外輻射中有一部分會被對方反射或散射，與對方的紅外輻射疊加在一起時就會影響其紅外輻射特征；3）目標的存在會改變背景一些原有的特性，如飛機飛過產生的湍流，以及排放出的尾氣會使周圍大氣特性發生改變，裝甲車行駛過的路面，會因履帶、車輪的擠壓而改變了原有的地表特性等。

3 國內外研究現狀

在20世紀50、60年代，國內外就開展了對目標與背景紅外特征及對比度的研究。縱觀整個研究歷程，裝甲車輛和飛機作為典型目標被各國重點關注，而其涉及到的復雜背景同樣吸引了廣大的科研工作者。因為目標識別與紅外隱身設計所依據的是目標與背景之間的紅外特征差異，同時研究目標與背景紅外特征及對比度才有現實意義［3］。現從理論研究、實驗測量和軟件平臺三個方面來分析國內外研究的現狀。

3.1 國外研究現狀

上世紀50年代期間，比較有代表性的是C.Cox和W.Munk對海面的光學特性研究［4］。冷戰時期，也就是上世紀60年代，美國和前蘇聯開展軍備競賽，投入了大量的人力物力進行目標與背景紅外特征的研究，此時，對飛機的紅外輻射特性研究也開始了。到了70年代，前蘇聯為了在冷戰中占據戰略優勢，加大了對武器裝備的研制，特別是對導彈的研究，在這一過程中，目標與背景紅外輻射特征的研究取得了重大的進展，同時，美國也建立了目標與背景紅外輻射特征數據庫，在理論計算和建模研究上也有很大的成果。

在實驗測量方面，世界各國都相繼投入了大量的人力、物力研發了一些用于測量目標與背景紅外特征的系統。美國為了研究飛機的紅外輻射強度，在20世70年代專門研制了地基跟蹤測量系統，這些系統安裝了用于測量紅外特性的設備，如紅外輻射計、紅外光譜儀和熱像儀。在1955年到1987年之間，美國空軍Eglin基地研發了8套機載紅外測量系統，采集了豐富的紅外特性數據。為了滿足不同的研究需要，很多國家將紅外測量設備搭載在不同的載體上，來對目標或背景紅外特征進行測量，如將氣球作為載體的球載測量系統，利用彈載多波段紅外成像系統測量研究彈頭和油箱碎片的紅外特征，利用衛星平臺上各種光學傳感器可以對地球上軍事目標進行偵察，對陸地與海洋資源進行資源勘探等。

在軟件平臺的發展方面，同樣取得了很大的進展。美國研發的大氣傳輸計算軟件LOWTRAN、MODTRAN、FASCODE等可用于計算大氣背景輻射，而且軟件在不斷的升級更新，計算精度和效率都在不斷提高。美國在坦克和復雜背景熱像建模方面開發了一批軟件。如密歇根大學研制的PRISM［5］，該軟件可模擬計算坦克的表面溫度，并轉化為輻射亮度嵌入到背景熱圖像中。美國坦克及摩托化司令部研制的TTIM軟件［6］則可以在PRISM計算結果的基礎上，考慮空氣對坦克紅外輻射特性的影響。計算流體動力學軟件，包括GAMBIT、FLUENT等，通過建立物理模型，劃分網格模型并進行流場模擬計算來獲得目標整體三維溫度場和排氣溫度、濃度場分布，為目標紅外特征分析提供直接數據來源。

3.2 國內研究現狀

我國在這方面的起步比較晚，“七五”開始，目標與背景紅外輻射特性的研究工作才逐步開展。一些科研單位開始對地面背景和海天背景的紅外輻射進行有關的理論和實驗研究，初步建立了相應的理論模型［7］。直到20世紀90年代初，系統化的理論研究才真正開始。在“八五”、“九五”期間，有重點地選擇了坦克、艦船和飛機等幾種目標以及背景和大氣傳輸等，進行了較為深入、獨具特色的紅外理論建模研究，取得了相當大的進展［8］。在這方面的研究領域中，具有代表性的是中科院安徽光學精密機械研究所魏合理、饒瑞中研究員，南京理工大學動力工程學院的韓玉閣教授、西安電子科技大學的吳振森教授等。

2002年，韓玉閣［9］等人通過建立目標與背景紅外輻射特征的理論模型，對目標與背景的紅外輻射特征進行了分析計算，生成了目標與背景的紅外熱圖像，實現了對某型號導彈打擊目標的彈目交匯過程仿真實驗。2004年王毅［10］等人利用大氣傳輸軟件MODTRAN，詳細分析了大氣模式、地表狀況以及氣溶膠模式對一定波段范圍內的目標與背景對比度的影響。同年，王毅［11］等人利用大氣傳輸軟件MODTRAN計算了典型大氣條件下可見光到紅外波段上的目標與背景對比度，分析了目標與背景對比度對波長的依賴關系。2005年，王毅［12］從理論計算出發，分析了目標特性對目標與背景對比度的影響。2009年，施加寶［7］在論文中利用MODTRAN4.0計算了大氣背景輻射，并通過雙向反射分布函數將背景入射照度和目標散射亮度結合起來，推導了目標對復雜背景輻射光散射強度的空間分布表達式和空間傾斜朗伯板對背景輻射的散射亮度，并計算了貼地目標和海面上方目標對陽光、海天背景輻射的散射亮度分布。2010年，鄧榮［13］等人通過推導紅外測溫公式，得到了兩種物體間的紅外輻射溫差計算公式，總結了紅外輻射溫差隨環境溫度變化的規律，并采用實驗進行驗證。

總的來說，20世紀80年代以前，所有對目標與背景紅外輻射特性的研究基本上都是基于實驗測量、理論計算。進入80年代，隨著計算機技術的發展壯大，目標與背景輻射特性的研究進入了里程碑時代。基于計算機仿真技術的數值模擬計算體現出它無比的優越性。人們可以利用計算流體力學軟件對各種流場進行數值模擬計算，得到的數值模擬結果可以在后處理軟件中處理生成詳細的數據及各種分布云圖，為目標與背景紅外輻射特性研究提供了一條省時省力的便捷通道。同時，需要提醒的是，大氣傳輸模式的發展更新，使得數值模擬計算結果的真實性和有效性成為了可能，一般來說，研究目標與背景紅外輻射特性必須結合大氣傳輸特性進行研究。近幾年來，理論模型的不斷完善、大氣傳輸模式的發展結合日益強大的計算機技術，使得仿真和數值模擬軟件的仿真計算結果更趨于真實化、系統化，精度上越來越高。

4 紅外輻射特征建模分析

研究目標和背景紅外特征及對比度的方法可分為兩類［14］：1）利用紅外設備進行實際測量，該方法獲得的數據比較真實、可靠，但實驗周期長、費用高、設備復雜，國外一些國家特別是美國采用此方法較多，而我國目前還不能全面實現；2）理論分析和數值模擬相結合，利用計算機仿真技術進行模擬實驗來研究目標的紅外輻射特性，計算結果的可靠性取決于理論模型和計算方法的完善程度，該方法不僅能快速提供相關數據，還能節省大量的人力、物力和財力，我國主要采用此方法進行相關方面的研究。

開展理論分析與數值模擬相結合的方法研究目標與背景紅外特征及對比度的步驟可以總結如下

1）理論計算模型的建立。包括目標、背景的計算模型、目標與背景耦合模型和大氣傳輸計算模型；

2）利用數值模擬軟件進行計算，得到目標溫度分布；

3）依據理論計算模型結合數值模擬結果得出目標、背景紅外輻射強度和特征分布，采用大氣傳輸軟件計算大氣透過率；

4）將計算所得到的目標和背景紅外輻射特征、大氣透過率作為已知參數代入到目標與背景耦合模型中，計算得出目標與背景紅外特征及對比度。

4.1 目標建模分析

影響目標紅外輻射特征的因素可概括為兩類：一類是環境因素，包括太陽直接輻射、天空、地面背景輻射等；另一類是目標內在因素，包括目標材料特性，熱源溫度等。探測器所接收到的目標紅外輻射一般包括兩部分［15］：一部分是自身發射的紅外輻射，還有一部分是目標表面反射周圍環境的輻射。

軍用目標往往形狀復雜，曲面、不規則多面體繁多，而且它們之間幾何位置重疊，相互遮擋，建立的模型中包含非線性影響因素，難以通過解析方法得到模型的解。運用數值方法確定目標的溫度分布，結合理論計算模型進行目標紅外特征的分析，是目前運用最適合的方法。計算流體力學軟件通過數值方法和模擬計算可以真實模擬目標外部流場分布和各種效應，得到目標三維整體溫度分布和高溫排氣溫度、濃度分布，特別是隨著湍流方程的數值求解技術的不斷改進與完善，求解的精度越來越高，已經部分取代實驗研究［16］。

4.2 背景建模分析

背景輻射是紅外光學設備必然會接受到的輻射［17］，背景輻射的計算是影響目標溫度場準確計算的關鍵。根據目標來分類，背景輻射包括：天空背景、海面背景和地面背景輻射。

天空背景可分為晴空和有云兩種情況。在晴空時，天空向下的背景輻射包括太陽的直接輻射、大氣本征熱輻射和大氣對太陽的散射輻射。在有云的情況下，則必須考慮云對陽光的散射和云本身的輻射。海面背景輻射取決于海面溫度和表面狀態，海水的輻射發射率隨海浪大小不斷變化。地面背景輻射由反射、散射的太陽光和自身的熱輻射組成，影響地面溫度分布和輻射特性的因素很多，如：地表形狀、植被類型等，要精確計算自然地表的溫度和紅外輻射特性，必須建立考慮各種影響因素的多維模型［18］。

4.3 耦合建模分析

目標與背景耦合建模是指將目標與背景紅外特征模型經過一定的處理，依據一定的準則進行合成，以達到正確分析目標與背景紅外輻射對比特性的目的。目前，處理目標與背景合成的方法也較多，如分別建立目標與背景的理論計算模型，并生成紅外熱圖像，然后將目標嵌入到背景的圖像中，對其交界邊緣進行適當的處理，形成目標與背景的紅外合成圖像［19］。目前所運用的方法運算都非常復雜，有的為了簡化計算，忽略了一些影響因素，結果難以達到較高的精度。

在耦合建模的過程中必須考慮到目標與背景之間多種形式的熱量交換，如輻射換熱、對流換熱等。在計算輻射換熱時，輻射角系數和邊界條件的確定至關重要。輻射角系數的計算方法有環路積分法、代數法、封閉空腔法、微分法和蒙特卡洛法等，其中蒙特卡洛方法比較適合表面形狀復雜的目標。輻射換熱邊界條件的確定相當復雜，涉及的參數繁多。一種假定參與輻射換熱的表面為均勻散射的灰體表面的方法簡化了輻射換熱的計算，但是只適合等溫均勻輻射表面。

另外，在耦合建模的過程中還需要考慮目標的狀態。目標存在兩種狀態：平衡態和動態。當目標處在平衡態時，可以認為目標與外界流出的能量與其所吸收的能量相等。當目標處于動態時，其紅外輻射特征與平衡態時有明顯的差別［20］。而且目標運動的速度對紅外輻射特征也有影響，當速度較低時，氣動加熱產生的紅外輻射可以忽略，但當目標運動的速度較快時，還需要考慮氣動加熱對紅外輻射的影響。這部分的計算，數學上更為復雜一些。

5 結語

雖然隨著研究方法的不斷創新和實驗設備，軟件平臺不斷完善，目標與背景紅外輻射特性無論是在理論建模、實驗測量上還是在仿真模擬上都取得了很大的進展，但是目標與背景的關系復雜，涉及的學科領域交叉。不光是目標與背景之間的相互影響的機理和規律難以把握，在動目標與背景之間的關系處理問題上，目前還沒有得到突破性的進展。在動目標問題上還又牽涉到了高速運動帶來的氣動加熱，以及傳熱方式，低速運動目標與周圍環境的傳熱方式等等，這將是研究的重點。從綜述的情況來看，今后可以在以下幾個方面繼續深入研究：

1）建立目標與復雜背景間紅外輻射特征對比度的數據庫；

2）進行外場實驗和理論模擬，為數據庫的建立提供更多更真實的數據；

3）加大對含有內熱源運動目標的研究，探索高速運動目標與背景環境相互影響的機理和規律；

4）開發集目標紅外輻射特征計算、各種復雜背景輻射計算、目標與背景紅外輻射對比度計算于一體的模擬計算平臺。

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