基于模擬材料的地表景物光學特性模擬關鍵技術研究

谷建光,張鳳林,周 旭,程海峰,張朝陽

(1.國防科學技術大學 航天科學與工程學院，長沙 410073； 2. 63918部隊，北京 100028)

【光學工程與電子技術】

基于模擬材料的地表景物光學特性模擬關鍵技術研究

谷建光1,2,張鳳林2,周 旭2,程海峰1,張朝陽1

(1.國防科學技術大學 航天科學與工程學院，長沙 410073； 2. 63918部隊，北京 100028)

研究了光學特性模擬材料設計技術與人工景象區設計技術，構建了設計結果的試驗驗證體系。成果成功應用于光學成像系統的成像性能考核試驗，對提高試驗保障能力和模擬材料普及應用具有重要意義。

光學特性模擬材料；人工景象匹配區；光學成像系統；等效性設計

光學成像系統廣泛應用于衛星、飛機等各種飛行器上，其通過對地面或海面景物的成像，給飛行器提供實時圖像信息。隨著技術發展和應用推動，在光學成像系統試驗場構建與真實地物等效的地面模擬景物，通過獲取光學成像信息對各類光學成像系統的成像性能進行試驗考核，是目前越來越緊迫的裝備試驗需求。

考慮凈化試驗環境，減少地雜波干擾等因素，光學成像系統試驗場通常選在地表景物較為單一的人煙稀少地域。如果在試驗場建造相當數量和規模的地面三維實體模擬景物，存在以下突出問題：一是設施工程量大，所投入的工程建設及使用維護經費巨大，難以付諸實施；二是工程施工周期長且易受季節等外在因素影響，難以確保試驗進度；三是實體設施一次建成無法更改，無法實現模擬景物規模布局的對應調整以滿足對不同的地物背景模擬需求，難以實現所建設施的重復利用，在滿足不同試驗需求、充分考慮成像系統性能方面存在“瓶頸”。

基于上述問題及需求，借鑒并綜合國內外模擬材料使用經驗[1-2]，深入研究在地表景物單一條件下，用模擬材料實現對地物的等效模擬技術。充分發揮模擬材料質輕、耐用等適合大規模應用特點，構建光學人工景象匹配區，實現對真實地物的幾何和光學特性等效模擬，滿足光學成像系統性能考核需求，同時實現低成本、利用率高等場區試驗設施保障目標。

國外通過在金屬、木材、布等材料表面涂覆不同光學反射特性、不同發射率的涂料，形成一定的輻射溫度差，模擬真實物體的紅外輻射特征與外形特征[3-6]，具體在無人靶機[7]、模擬大型地面目標(圖1)等方面廣泛應用。我國模擬材料研究起步較晚，尤其目前在大面積場景光學特性等效方面研究應用很少，需要深入開展相關研究工作[8-10]。

1 光學特性模擬材料設計技術

自然環境中不同的地表景物，由于自身理化特性差異及環境影響，導致產生不同特性的輻射溫差和可見光對比度，且在晝夜24 h內的變化規律不同；對于同一地物，在晝夜時間內它與背景的光學特性差也不同[11-13]。

圖1 白沙導彈試驗靶場的地面涂層布模擬目標

根據模擬材料工作原理，計算不同發射率材料與試驗場背景在不同高度下的輻射溫差，當模擬材料實際溫度比地面背景高9K時，結果如表1所示，隨著材料發射率的變化，二者輻射溫差可在-40.34～ +12.83K變化。因此，在現有成熟的偽裝網技術基礎上，通過涂覆不同光學反射特性、紅外輻射特性涂層，輔以材料顏色、表面粗糙程度等特征，得到具有不同光學特性的模擬材料，可實現對真實地表景物的輻射溫差和可見光對比度變化規律的等效模擬，圖2選定的部分光學特性模擬材料樣品外觀。

表1 模擬材料與試驗場地面背景的輻射溫差計算結果

注：θ為模擬材料平面與水平面的夾角；溫度單位K。

圖2 選定的部分光學特性模擬材料樣品外觀

針對地面建筑、道路、植被等常見景物的光學特性及變化規律，經仿真分析和試驗研究，選擇確定了多種顏色、多個發射率梯度的模擬材料，如表2所示。使用中，通過PcModWin 4.0軟件等數值仿真手段(圖3)，充分考慮大氣傳輸、地面傳熱、地面風阻和材料輻射強度等影響因素，確定最優模擬材料鋪設高度。

表2 選定的光學特性模擬材料紅外、可見光特性

注：I0為基準發射率；S0為基準亮度；L0為基準長度。基準參數用于對數據進行無量綱化處理，下同。

圖3 發射率0.44I0模擬材料輻射強度和輻射傳輸曲線

2 人工景象區設計技術

在確定模擬材料類型，完成光學特性模擬材料設計基礎上，需要根據真實地物與背景的尺寸、相對位置關系等，確定光學人工景象匹配區規模和布局圖案特征，實現對特定地物的等效模擬。

1) 規模等效性

人工景象區規模，理論上等于成像系統視場所能覆蓋的地物背景區域范圍，但由于成像系統高度誤差、視場位置誤差和姿態角誤差等因素影響，視場通常會發生隨機偏移[14]。圖4(a)為視場理論范圍與實際范圍關系，視場實際范圍為4個方向誤差極限情況下的視場疊加結果，其將大于理論視場范圍。無論隨機誤差情況如何，4種誤差情況疊加形成的公共區域為視場必掃區域(圖4(c))。在成像系統進行目標成像識別過程中，視場范圍逐步縮小(圖4(b))，該公共區域被視場掃過的頻次較高。建立成像系統誤差模型并計算出公共區域范圍的量化結果，作為人工景象區規模確定的參考依據。在此基礎上結合成像系統視景建模半實物仿真試驗，最終確定并實現人工景象區規模的等效優化。

2) 布局等效性

真實地物背景區域中，規模不同單體地物在成像系統圖像中的成像分辨率不同，Johnson識別準則下地物的可分辨性與成像線對數間對應關系如表3所示。地物的可分辨性由低到高分為可探測、可識別和可辨認3個等級，地物規模越大，對應線對數越多，地物所成像素越多，其可分辨性越好。

圖4 成像系統視場變化過程及一定高度下的視場公共區域

目標可分辨性能50%概率的線對數≥95%概率的線對數探測1.0±0.252.0±1識別4.0±0.88.0±1.6辨認6.4±1.512.8±3

量化計算地物背景中各單體地物的可分辨性能，提取達到可識別層次以上的單體紋理特征，忽略可探測層次的規模較小單體地物。實現景物主要特征提取，按照真實相對位置關系進行布局，得到人工景象區布局圖案。

3 設計結果試驗驗證體系

模擬材料和人工景象區設計中，以及人工景象區建設完成后，開展了實驗室、外場等一系列試驗以及視景建模半實物仿真計算等。這些工作從目的和功能上，涵蓋課題研究的可行性分析、設計調整和結果驗證，構成完整的設計結果驗證體系，為整個課題研究提供重要的技術支撐，如表4所示。

4 設計實例

以某成像系統的成像性能考核為例，應用研究成果進行了試驗場人工景象匹配區構建。

1) 規模等效

該成像系統理論視場范圍約為1.1L0×0.85L0，視場最大偏差下覆蓋范圍約1.5L0×1.5L0區域，視場公共區域面積為0.7L0×0.2L0長方形區域，作為人工景象區規模確定參考依據。

2) 布局等效

對0.7L0×0.2L0區域內地表景物，運用Johnson識別準則和成像分辨率模型進行分析計算，以及紋理特征提取，得出人工景象區布局圖案，如圖5所示。按表2模擬材料與模擬物的對應關系，完成模擬材料選型，以及人工景象區設計布設。

表4 光學人工景象區設計結果試驗驗證體系

3) 設計試驗驗證。

人工景象區設計過程中，開展了相關仿真計算和試驗。所用的模擬材料樣品在模擬試驗場單一背景偽裝網上的成像結果如圖6，圖像邊緣清晰，對比度可滿足成像系統識別要求；模擬材料在試驗場實地監測試驗結果如圖7，白天9點至17點時間段內，材料背景輻射溫差在-8～12 K變化，在特定時間段，可滿足該成像系統識別性能考核中對目標背景光學特性差的閾值指標要求。

圖5 基于Johnson準則的人工景象區布局等效性設計及結果示意圖

圖6 模擬材料選擇試驗中某時段成像結果

在人工景象區設計過程中開展的視景建模半實物仿真試驗表明，通過規模等效，人工景象區規模僅為最大偏差下范圍的6.2%，通過布局等效，布局區域結構特征強度Ra為6.86%，遠遠低于真實地物背景的28.96%，極大降低了景象區建設工程量。

圖7 監測試驗獲取的材料與背景溫差變化曲線

對比實景成像試驗和人工景象區場區成像試驗結果，試驗時間涵蓋具有明顯季節特征的晴天、霾天、陰天等不同天候和不同時間段，實景地物與背景的最高灰度差為237，最小灰度差為6，灰度對比覆蓋了0～10、10～20、20～30、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120、120～130、140～150、150～160、160～170、170～180、190～200、200～210、230～240等19個層次。而模擬材料與背景的最高灰度差為139.5，最小灰度差為4.6，覆蓋了0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100、100～110、110～120、120～130、130～140等14個層次。所選光學特性模擬材料覆蓋了實景地物與背景對比的14個灰度層次(從0～10到130～140)，且二者的最小灰度差較接近，都在5左右。對于光學成像系統，目標背景灰度差大于100及150以上的屬于易識別目標，大于20一般為可識別目標，對灰度差小于20的目標識別能力是考核重點。人工景象區較完整地模擬了實景地物的光學特征差。

5 結論

1) 通過具體應用實例表明，用光學特性模擬材料構建的人工景象區，實現了對真實地物背景的幾何和光學特性等效模擬，滿足光學成像系統性能考核要求；同時實現了光學成像系統試驗場低成本、利用率高等試驗保障目標。

2) 課題研究對模擬材料的發展和應用，尤其大面積場景光學特性等效方面提供了有效借鑒。

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(責任編輯 楊繼森)

Research on Optical Properties Equivalence Simulation of Suface Object Based on Simulation Materials

GU Jian-Guang1,2，ZHANG Feng-lin2，ZHOU Xu2， CHENG Hai-Feng1， ZHANG Chao-Yang1

(1.College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2.The No. 63918thTroop of PLA, Beijing 100028, China)

The design of optical properties of simulation materials and the design technologies of artificial scene matching were studied, and the system of test and verification of artificial scene region were constructed. The study of this paper has been used successfully in optical imaging system tests, and it is very important for the support of optical imaging system tests and the widespread use of simulation materials.

optical properties simulation material; artificial scene matching; optical imaging system; equivalence design

2016-10-28；

2016-11-25 作者簡介：谷建光(1972—),男,博士,工程師,主要從事裝備試驗技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.034

谷建光,張鳳林,周旭，等.基于模擬材料的地表景物光學特性模擬關鍵技術研究[J].兵器裝備工程學報，2017(3):147-151.

format:GU Jian-Guang，ZHANG Feng-lin，ZHOU Xu, et al.Research on Optical Properties Equivalence Simulation of Suface Object Based on Simulation Materials[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):147-151.

TJ06; TN213

A

2096-2304(2017)03-0147-05