自適應紅外隱身背景輻射測量研究

張冬曉，何永強，胡文剛，耿 達，元 雄，陳一超

(軍械工程學院電子與光學工程系，河北石家莊050003)

1 引言

隨著軍事技術的高速發展，之前的靠人眼發現、瞄準目標的時代已經一去不復返，各種各樣擴展人眼功能的裝備已經廣泛地被部隊采用，其中光學儀器在裝備中發揮著不可替代的作用。隨著現代探測技術的迅速發展，如今已經可以在距地球數百公里的太空中獲得高分辨率的光學圖像，可以說處在地面上的一切物體都被看的一清二楚。當把先進的探測技術用于制導上之后，對于軍事目標的威脅大大的增加，真正地實現了“發現即命中”。在各類制導導彈中，使用紅外導引頭作為制導方式的彈藥占了整個制導導彈的60%以上，所以如何讓己方的裝備脫離紅外探測器的探測成為了世界各國共同面臨的難題。一般的裝備都不是靜止不動的，而且所處的環境也在不斷地變化，所以現在需要找到一種方法，能夠使己方的裝備在敵方探測器中消失且不會因為運動或環境變化而暴露，正是基于這樣一種要求，自適應紅外隱身技術應運而生。

2 自適應紅外隱身技術

自適應紅外隱身是指通過控制目標的紅外輻射特征，使得目標與環境的紅外輻射相同［1］。由斯忒潘—波爾茲曼定律可知，物體的紅外輻射強度由物體的溫度和發射率決定，可以通過控制目標的發射率或溫度來改變目標的紅外輻射。

目前，有兩種材料可應用于自適應紅外隱身技術，分別是電致變溫材料和電致變發射率材料［2］。這兩種材料在電場的作用下，自身的溫度或發射率會發生改變，最終使得材料發射出的紅外輻射強度發生改變。由于電致變發射率材料的動態范圍有限，不能適應溫度變化較大的環境［3］，所以一般采用變化范圍較大的電致變溫材料，在得到背景的紅外輻射分布后，可以人為地控制加在材料上的電場，使得目標與環境的紅外輻射相一致。

自適應紅外隱身系統的工作模型如圖1所示，系統自身的探測器實時探測背景的紅外輻射分布，當對方探測器探測隱身目標時，實際是將隱身目標投影到了背景上，此時根據實時探測到的背景的紅外輻射分布，控制電致變溫材料構成的敏感單元在空間x點的紅外輻射光譜分布，使其與目標所處環境在空間x點的紅外輻射光譜分布盡量一致［4］，即是將隱身目標遮擋住的那部分背景在隱身裝甲上還原出來。

圖1 隱身系統工作模型Fig.1 The model of the self－adaptive infrared stealth system

2.1 國內外研究現狀

在自適應紅外隱身技術的研究中，國外僅有英國BAE系統公司和以色列埃爾蒂克斯公司(Ahix)研制出了自適應紅外隱身系統，并搭載在裝甲車表面進行了相關實驗，但是具體的技術手段并未公開，對于國內而言仍然處于技術封鎖的狀態。而國內對于自適應紅外隱身技術的研究還處于起步階段，目前并沒有研制出自適應紅外隱身系統整機的相關報道，對自適應紅外隱身技術的研究主要集中在感溫材料的控制方面，北京航空航天大學的王宏鵬等人［5］，根據熱電制冷器件(TEC)的特性，設計了一種雙向PID隨動溫度控制系統，該系統能夠控制材料的表面溫度在一定的范圍內實時地跟蹤目標的溫度變化。北京理工大學的張升康等人［6］，利用紅外傳感器、電致變溫材料以及微處理器實現了簡單的自適應紅外隱身，提出了一種產生控制信號的算法并通過實驗驗證了這一系統的可行性，但是實驗中所用陣列較小，背景輻射分布的測量較為簡單，沒有復雜的對應關系，實現自適應隱身相對簡單，若用于大尺寸的隱身目標(如裝甲車等)，效果可能不佳。

由上文分析得到自適應紅外隱身技術的兩個關鍵問題，一是背景輻射的測量，二是電致變溫材料的控制問題。目前，國內對于電致變溫材料的控制問題已經有較為深入成熟的解決方案，但是對于背景輻射的測量研究較少，在實際應用中，由于背景的復雜性，需要得到背景的輻射分布進而控制變溫陣列使之具有與背景相同的輻射分布，所以有必要對背景輻射測量進行深入研究。

2.2 背景輻射測量原理

變溫陣列的驅動信號是由背景輻射與隱身目標自身的輻射差異給出的，所以對背景輻射的測量與處理至關重要，只有正確地采集到背景輻射分布，才能控制變溫陣列的各像素與背景相應點具有相同的紅外輻射。

所謂的背景輻射測量即是利用紅外成像探測器將背景的紅外輻射分布以紅外圖像的方式呈現出來，探測器的輸出計數值與入射到探測器的輻射功率通常用以下模型表示［7］:

式中，K為紅外成像系統的固定參數;C1為常數項，由紅外圖像的灰度值便可以反演出背景的紅外輻射分布，在實際的應用中，背景輻射測量存在兩個技術難點，一是背景圖像離焦問題，二是探測器標定問題。

3 背景圖像的離焦

在實現自適應紅外隱身的過程中，需要得到隱身目標后方的背景輻射分布，而現實中，背景往往是復雜多變的，各種景物處于不同的空間深度之中，此時各景物到探測器的距離是不同的。

在實際的測量過程中，由于背景各個景物所處的空間深度不同(從幾米到幾千米)，對于光學系統來說，不可能使所有的景物都清晰成像，必然有一部分景物處于離焦的狀態，這就導致了最終的測量值出現偏差。針對此問題，提出兩種解決方案，一是利用圖像處理的方法，對離焦圖像進行復原;二是利用光場相機獲取完全清晰的背景圖像。

3.1 離焦圖像復原技術

圖像復原理論認為，圖像的質量下降是由于某些原因造成的圖像退化，若能夠找到這些造成圖像質量下降的原因，建立相應的退化模型那么便可以恢復或重建圖像。圖像的離焦是造成圖像模糊的原因之一，目前常用的離焦復原模型有兩種，分別是圓盤離焦模型和高斯離焦模型，圓盤離焦模型是根據幾何光學相關理論建立的，但未考慮到衍射等因素的影響，是一種較為理想的離焦模型，在實際應用中適用范圍有限，而高斯離焦模型是考慮了眾多因素影響的情況下提出的近似模型［8］，該模型可表示如下:

其中，σ為模型中待求的參數，與圓盤模型不同，高斯模型中的待求參數不能通過過零點位置求得，可利用空域中檢測刃邊函數曲線的方法求得參數σ，通過對式(3)進行兩次積分，即可得到刃邊函數，第一次積分求得線擴展函數:

再對上式進行積分即可得到刃邊函數:

由高斯曲線的特點，當對曲線進行歸一化后，e(x)=0.84和e(x)=0.16時，它們在x軸上的間隔正好為2σ，由此便可求得高斯模型中的參數σ，代入式(1)中即可得到離焦的點擴展函數h(x，y)，再利用濾波的方法復原圖像。

國內對離焦模糊圖像復原技術進行了大量研究，大連理工大學的張燕妮［9］在研究模糊文字圖像復原的過程中，提出了利用刃邊函數曲線直接估算離焦的點擴展函數，提高了點擴展函數的估算精度;武漢理工大學的胡小平等人［10］提出了基于簡化Wiener濾波的顯微視覺系統中離焦模糊圖像的復原方法。

但是上述方法仍存在一些問題，若直接用于自適應紅外隱身中并不適合，因為實現自適應紅外隱身需要獲得復雜背景的紅外圖像，背景中不同的點可能有不同的空間深度，離焦量是不同的，為此必須在考慮不同景物具有不同離焦量的前提下進行離焦圖像復原，這就要求對獲取的背景圖像進行分割，把不同的景物輪廓分割出來然后分別進行復原處理，而如何獲取景物輪廓以及處于不同空間深度的相鄰景物之間的相互影響將是基于自適應紅外隱身的模糊圖像復原的研究難點所在。

3.2 基于光場相機的背景輻射測量

光場成像通過記錄光輻射在傳播過程中的四維位置和方向信息，獲得更加豐富的圖像信息［11］。而利用光場成像所記錄的圖像信息對照片進行數字重聚焦，由此便可得到整體清晰的圖像。

從光學的角度看，成像系統的對焦其實是將光場在對焦平面進行投影，由于光場相機已經采集到目標的四維光場，那么只需要通過計算的方式改變光場的投影平面便可實現對焦［12］。如圖2所示，L(u，s)為探測器采集到的光場，U、S分別為主透鏡和微透鏡陣列所在平面，兩平面相距l，現在選擇一新的對焦面S'，與主透鏡平面U相距l'，l'=αl。此時S'平面上的像為US'之間光場的積分，即:

由于同一條光線 L(u，s)=L'(u，s')，再由圖中的坐標關系得到:

將上式代入式(5)并考慮到:

L(u，s)=L'(u，s')

得:

上式即為投影到新的對焦面上的成像公式，利用此公式便可以根據得到的四維光場計算出不同對焦面上的成像情況，從而實現數字對焦。

圖2 數字對焦原理Fig.2 The principle of digital focus

將光場成像技術應用到自適應紅外隱身的背景輻射測量中，可以解決由于背景的離焦而導致的背景輻射分布測不準的問題。但是，仍然存在幾點問題亟待解決，首先就光場成像技術本身來說，相比于傳統的成像系統，光場成像技術是以犧牲空間分辨率為代價來換取四維的光場信息的［12］，所以利用此技術作為背景輻射的測量會存在空間分辨率降低的問題;其次，作為一個新興的技術，目前光場相機主要是對可見光進行成像，當應用到紅外成像上時，紅外微透鏡陣列的設計將是一大難點。

4 探測器的標定

探測器標定的目的是為了得到輸出的紅外圖像灰度與探測器接收到的紅外輻射之間的對應關系，前文介紹了探測器標定的理想模型，而在實際的工作過程中，由于環境溫度、濕度以及探測器內部的噪聲影響，實際的對應關系會偏離理想模型，目前一般的解決辦法是用標準黑體對探測器進行紅外輻射定標，針對標準黑體的紅外輻射定標，已有大量的研究，各種標定方法已日趨成熟，如西安工業學院的劉纏牢等［13］將BP神經網絡用于熱像儀的紅外輻射標定，大大提高了熱像儀的標定精度。但是紅外輻射的標定精度受環境影響很大，而戰場環境又復雜多變，倘若環境一改變便進行輻射定標必將費時費力，并且可能延誤戰機，而要想建立一個適用于各種環境的定標模型必將引入大量的參數，使模型過于龐大，并且某些參數還難以控制。

換一種思路考慮，通過研究紅外探測器發現目標時所要求的目標與環境之間的溫差，以此溫差作為自適應紅外隱身系統的誤差范圍，認為在此誤差范圍內可以有效隱身，這樣有了一定的誤差容限將大大地減小模型的復雜程度。紅外成像系統的Pd－R(探測概率－探測距離)模型描述了在一定的溫差(ΔT)下，熱成像系統的探測概率與目標和系統之間距離的關系［14］。該模型的建立過程如圖3所示，目標與背景的溫差ΔT0經大氣傳輸后到達成像系統的光瞳處，此時溫差由于大氣衰減變為ΔT=tΔT0，由系統的最小可分辨溫差(MRTD)曲線可求出在此溫差下的空間分辨率，在實際應用MRTD曲線時，需要對實驗室測得的MRTD曲線進行修正，實際的MTRD為:

當求出此溫差下的系統極限分辨率fx'后，計算當前空間分辨率下由約翰遜準則定義的線對數:

式中，H為目標高度;R為目標到成像系統的距離。

最后，由約翰遜準則可求得當前線對數下，對于目標的探測概率。至此，Pd－R模型便建立完畢。

圖3 Pd－R模型Fig.3 The model of Pd－R

將上述模型進行反向推導，即在某一探測概率和探測距離下，由約翰遜準則求出線對數n0，根據式(9)求出相應的空間分辨率，再由MRTD曲線得到當前的溫差，由此便可以得到不同探測距離不同探測概率下目標的溫差值，以此溫差值作為誤差范圍。當啟動自適應紅外隱身系統使目標隱身時，只要當前隱身目標與背景的測量溫差與實際溫差的差值在誤差范圍內時，便可以實現有效隱身。

5 結論及展望

傳統的紅外隱身技術由于環境適應性差、不能實現動態隱身等缺點已經不足以為裝備提供良好的偽裝保護，而自適應紅外隱身技術能夠使武器裝備隨著環境的變化而改變自身的紅外輻射特性，實現動態隱身。在偵察與制導技術越來越完善，同時探測精度也越來越高的今天，自適應紅外隱身技術必將成為武器裝備新的保護傘。本文在分析自適應紅外隱身原理的基礎上，提出了自適應紅外隱身技術存在的幾個關鍵技術問題，并且針對自適應紅外隱身技術的特點，提出了解決問題的方法。但是，自適應紅外隱身技術在國內還處于起步階段，隨著研究的深入，會有越來越多的問題出現，從目前國內外的研究現狀來看，自適應紅外隱身技術的發展主要會受到以下幾個方面的制約:

(1)隱身材料。從目前的發展狀況看，材料仍然是制約隱身技術發展的重要原因之一，材料的種類不夠多、可控性較差、靈敏度不佳等，都影響了自適應紅外隱身技術的發展，要想取得突破，必須找到更容易控制，能更快速地響應溫度變化的材料。

(2)控制技術。自適應隱身技術要求通過控制材料的某些特征，使材料能夠作出與背景輻射同步的變化，而發展新的控制技術，提高控制的精度將會使材料的隱身效果更好。

(3)傳感器技術。在對背景輻射信息進行采集時，要求傳感器具有足夠的靈敏度，能快速獲取環境中的各種信息，并且能夠感應多種環境信息。因此，今后必然要大力發展諸如分布式傳感器和多傳感器等能滿足特殊隱身需求的新傳感器。

除了上述幾個方面以外，隨著偵查手段的日益多樣化，軍用裝備在戰場上可能同時面臨可見光、紅外和微波等多波段偵查設備的威脅，因此必須研發能夠同時對抗多種儀器、探測多波段兼容的隱身技術。這就要求找到更適合的材料，能夠同時對多種波段的電磁波進行吸收或者散射，并且能夠控制這些可探測特征。

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