紅外成像跟蹤系統作用距離等效測試方法與驗證

申子卿，王德飛，楚振鋒

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽471003)

1 引言

作用距離是衡量紅外成像跟蹤系統性能的核心指標之一，對地面目標作用距離的遠近直接影響到系統采集紅外圖像的像質，進而影響系統對目標的提取與識別。目前，紅外成像跟蹤系統對目標的探測、識別依靠操控人員的目視判斷，目標探測識別的作用距離主要與目標輻射強度、大氣透過率、系統探測靈敏度等因素有關，因此對紅外成像跟蹤系統作用距離的測試是一個較為復雜的問題［1］。

紅外成像跟蹤系統性作用距離的指標要求是典型環境下的典型參數(即在一定的溫度、濕度、能見度條件下能達到的指標參數)。由于受試驗時間和環境等因素的限制，構建并按照典型環境要求進行紅外成像跟蹤系統性能的評估比較困難［2］。本文提出一種基于目標成像像素大小和目標與背景圖像反差不變的近距小目標小溫差室內等效測試方法，同時在遠場試驗環境條件下，對紅外成像跟蹤系統的作用距離進行了試驗驗證，實現對系統作用距離相對準確的全面評估。

2 實驗室等效測試

紅外成像跟蹤系統接收目標輻射源的能量與其間的距離有關，在某一距離上接收到的目標輻射剛好能達到預期的使用效果，此距離就稱為系統的作用距離［3－4］。

2．1 等效測試理論分析

鑒于典型測試環境構設復雜，成本高，可首先通過近距小目標小溫差的替代試驗來檢測。要用近距離目標替代遠距離目標試驗，必須保證近距離處目標成像像素大小和目標與背景的圖像反差不變，要實現對目標的識別和穩定跟蹤，首先合作目標必須要有一定的像素大小，根據折算得到近距離處目標成像的像素數不小于4×4;其次，由于受大氣傳輸的影響，近距離處要保證目標與背景的圖像反差不變，必須減小目標與背景的溫差，使熱像儀鏡頭處得到的目標輻射照度增量不變。目標背景溫差折算關系如下［5－6］:

面輻射源在中心法線上的輻射照度有如下公式:

式中，r為輻射源到接收探測器的距離;E為接收點的照度;S為輻射源面積;T為輻射源溫度;τa大氣透過率。

假設被測目標位于遠距離處，目標面積為S1，背景溫度(目標初始溫度)為T1，目標背景溫差為ΔT1，目標距離為r1，大氣透過率為τa1;被測目標位于近距離處，目標面積為S2，背景溫度(目標初始溫度)為T2，目標背景溫差為ΔT2，目標距離為r2，大氣透過率為τa2。

遠距離時，紅外成像跟蹤系統熱像儀鏡頭處得到的照度和照度增量為:

近距離時，紅外成像跟蹤系統熱像儀鏡頭處得到的照度和照度增量為:

要使熱像儀遠近距離成像時目標與背景的圖像反差不變，必須使鏡頭處得到的照度增量不變(ΔE1=ΔE2)，于是有下式:

由于遠近成像像素不變，即目標所占視場角不變，則有:

式中，T1、T2為同一背景溫度。τa1、τa2、ΔT1已知，通過公式(8)可求得近距離處目標背景溫差ΔT2。

2．2 等效測試方法

根據系統指標檢測所需求的特定環境，在實驗室內利用紅外參數校準裝置進行試驗，以檢測設備的作用距離。通過調整紅外參數校準裝置與合作目標的距離，使合作目標在紅外參數校準裝置焦平面上成像的像素數不小于4×4;同時設定合作目標與實驗室的環境溫差為ΔT2。因此在實驗測試中如果合作目標靶的溫度在不大于T2+ΔT2條件下，系統能夠穩定跟蹤目標，說明該系統的作用距離達到15 km的指標要求。

具體測試過程如下:

(1)紅外熱像儀參數校準裝置加電工作;

(2)紅外成像跟蹤系統加電工作，瞄準目標靶面，切換視場并調整焦距直至完全觀測黑體目標靶面大小且成像清晰;

(3)手動控制中波紅外成像跟蹤系統鎖定合作目標，切換跟蹤模式使系統對合作目標靶面進入自動跟蹤狀態，觀察系統對合作目標的跟蹤穩定性;

(4)重復步驟(3)，改變對系統的跟蹤方式(如相關、邊緣和形心)，如果紅外成像跟蹤系統能穩定跟蹤合作目標，則作用距離滿足指標要求;

(5)測試結果顯示，系統可以穩定跟蹤目標，滿足作用距離指標要求。

3 遠場試驗測試

針對紅外成像跟蹤系統作用距離受較多因素影響，在開展實驗室作用距離測試的基礎上，還需通過空中動態測試來評估紅外成像系統的作用距離，其優點是環境模擬逼真，測試數據可靠，評估結果可信，缺點是試驗費用高，靈活性差。

根據現有平臺，在紅外成像跟蹤系統對地面目標探測跟蹤試驗中，作用距離動態測試原理圖如圖1所示，地面上搭建一個紅外分辨率合作目標靶，靶板上均勻安放輻射功率基本一致的輻射源，輻射源與環境的溫差可以人為控制，紅外成像跟蹤系統安裝在升空平臺上，通過無線數據通信鏈路與地面監視操控設備連接，升空平臺按照既定航線飛行過程中，利用紅外成像跟蹤系統對靶板進行探測識別與跟蹤，以地面操控人員識別和穩定跟蹤合作目標靶板為準，通過通信鏈路記錄下當時紅外成像跟蹤系統的GPS數據(包括經緯度和海拔高程)。根據靶板位置坐標和紅外成像跟蹤系統GPS的數據，計算紅外成像跟蹤系統的最大識別跟蹤距離。

試驗布局及航線設計如圖2所示，紅外合作目標架設在T(XT，YT)點，朝向正南正北方向。升空平臺起飛后飛行H(km)到達A點(海拔900 m)后轉向并懸停，操控紅外成像跟蹤系統迎頭瞄準合作目標所在位置的大致方向，然后升空平臺以勻速由A點向目標飛行，通過顯控單元的視頻圖像場景人工搜索目標，當發現目標后人工捕獲并切換到自動跟蹤模式，穩定跟蹤時記錄該幀圖像對應時刻的平臺位置G(Xg，Yg)。

圖1 作用距離測試原理圖

圖2 試驗布局及航線示意圖

根據對紅外成像跟蹤系統作用距離的測試要求，選擇滿足條件的天氣，控制升空平臺不同航次的飛行高度和飛行速度，分別進行作用距離測試，記錄下當時紅外成像跟蹤系統對地面合作目標靶識別并穩定跟蹤時的位置信息。根據公式(9)進行計算，采取求平均值的方法得到可信度較高穩定跟蹤距離:

其中，X、Y為各點的經緯度坐標;h為平臺海拔高度;h0為合作目標靶板位置的海拔高度(本次測試位置海拔為524 m，地球平均半徑6371．004 km)。

選擇試驗測試過程中如圖3所示的兩個有代表性穩定跟蹤架次，根據紅外合作目標的位置(E 113．602535°，N 36．11899°)和表1提供的兩次系統穩定跟蹤時的平臺位置數據。由公式(9)計算兩次穩定跟蹤的平均距離為12．495 km和12．466 km。考慮到試驗驗證時的大氣能見度、環境溫濕度及合作目標尺寸與指標要求的差別，采用公式(10)進行等效折算［7－8］即可得到指標要求條件下的穩定跟蹤距離，經過折算得到的穩定跟蹤距離不小于15 km，滿足指標要求。

圖3 系統穩定跟蹤狀態圖像

其中，L為穩定跟蹤距離;A為合作目標面積;τ為大氣對紅外波段的平均透過率;M為合作目標的輻射出射度;ΔT為合作目標與環境的溫差(下標zb為指標規定條件;sc為實測條件)。

表1 系統穩定跟蹤狀態時平臺特征參量

4 結束語

鑒于對紅外成像跟蹤系統作用距離測試相對復雜，本文提出了基于合作目標成像像素大小和目標與背景圖像反差不變的近距小目標小溫差等效測試方法，進行了實驗室等效測試和遠場動態試驗測試。結果表明，等效測試方法能夠對紅外成像跟蹤系統的作用距離進行較為準確的評估。

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