武器裝備的光學隱身性能表征評估技術研究

邱守義

（中國人民解放軍31121部隊，江蘇南京210014）

武器裝備的光學隱身性能表征評估技術研究

邱守義

（中國人民解放軍31121部隊，江蘇南京210014）

近年來，隨著光學偵察技術的不斷發展，與之相對的光學隱身技術已經成為軍事研究熱點。根據響應波段、對應偵察方法的不同，目前光學隱身技術主要包括可見光隱身技術、紅外隱身技術和激光隱身技術等。光學隱身性能測試評估是聯系武器參數和作戰能力的橋梁，直接決定了武器裝備在戰場的隱身性能，是光學隱身技術的關鍵和難點。針對不同波段光學偵測的技術特點，研究可見光隱身、紅外隱身和激光隱身性能的表征評估方法，建立目標隱身性能表征評估體系。

武器裝備；光學隱身性能；黑體等效溫差；色差參量

以信息化為主導的現代戰爭模式中，通過信息對抗奪取制信息權成為戰爭致勝的籌碼，而軍事偵察與隱身偽裝日益成為信息對抗的重要一環。隨著精確制導武器打擊能力的提高，目標場景“發現即摧毀”已經成為戰場常態，因此如何通過隱身偽裝盡可能地躲避敵方偵察成為當前軍事領域重要的研究技術之一，日益受到世界軍事強國的重視，隱身特性已經成為未來主戰裝備必須具備的特征[1-3]。

可見光隱身技術主要針對戰場目視觀察、高分辨率灰度成像、彩色成像及可見光范圍的多光譜成像等偵察措施；紅外隱身技術主要針對夜視紅外成像、熱紅外制導等偵察方法；激光隱身技術主要針對激光雷達偵測技術[4-5]。

武器裝備的光學隱身通常包括光學隱身設計、光學隱身材料研發和光學隱身性能測試評估3個階段。其中，光學隱身性能測試評估是聯系武器參數和作戰能力的橋梁，直接決定武器裝備在戰場的隱身性能，是光學隱身技術的關鍵[6-7]。此外，光學隱身性能測試評估也是光學隱身技術的難點，涉及光學目標場景特性參量定量反演、光學隱身效果表征等理論體系的建設等關鍵技術。研究和建立完善的武器裝備光學隱身性能表征評估方法對新一代武器系統的發展規劃、設計論證等具有重要意義，將會進一步提升高超速導彈、艦船和作戰飛機等新一代武器裝備的隱身效能，降低敵方對我方武器裝備的識別率，提高武器裝備的戰場生存能力。

1 可見光波段隱身性能表征評估

可見光波段偵察主要通過識別武器裝備與背景在顏色和灰度圖像特征（紋理、邊緣、梯度等）上的差異來實施。為有效表征這一波段內武器裝備的隱身特性，研究由目標場景光譜輻射信息計算CIE1976 L*a*b*色差參量的方法，用以評估武器裝備對人眼觀測和彩色成像探測技術的隱身性能。研究武器裝備光學灰度圖像與背景光學灰度圖像的相關系數參量，建立圖像與灰度直方圖、灰度共生矩陣等評估參量，用以評估武器裝備對高分辨率成像和多光譜成像偵察探測技術的隱身性能。

1.1 色差參量

色差是在可見光彩色圖像中識別武器裝備和背景的重要參量，采用相對色差參量作為人眼觀測彩色目標場景圖像的隱身評估參量，相對色差參量參照CIE1976中標準色差參量建立，包括心理明度L*和2個心理色度a*，b*，成為L*a*b*體系[8]。該體系可以由經典的CIE-XYZ坐標通過數學方法轉換，轉換方程為：

式（1）中：X，Y，Z是物體的三刺激值；X0，Y0，Z0為CIE標準照明體的三刺激值。

物體的三刺激值可以由目標場景在可見光譜波段的光譜信息直接計算得到。在L*a*b*體系中，色差表達式為：

式（2）中：ΔL*為武器裝備與背景的明度差，Δa*、Δb*為武器裝備與背景的色度差，滿足

表1 人眼對色差ΔE*的敏感程度

通過對比武器裝備與背景的色差ΔE*，可以表征裝備與背景在色彩上的差異。色差表征參量主要用于目視偵察探測的隱身性能表征，參照色彩復印質量標準，人眼對色差ΔE*的敏感程度如表1所示。

1.2 灰度圖像特征參量

高分辨率灰度圖像是可見光偵察手段獲取的另一種常見的目標場景光學載體，例如采用高分辨率相機、多光譜成像儀等設備。在現代圖像處理中，描述圖像性質通常采用灰度直方圖、灰度共生矩陣等參量[9]。采用武器裝備圖像與背景圖像的灰度直方圖相關系數Sg和共生矩陣相關系數Sgc來表征目標場景隱身特性。

灰度直方圖相關系數Sg的表達式為：

式（3）中：ni為武器裝備圖像中灰度級為i的像素數；mi為背景圖像中灰度級為i的像素數；E（n）為武器裝備圖像中像素的灰度值均值；E（m）為背景圖像中像素的灰度值均值。

Sg用來表征2幅圖像之間的相似程度，當Sg較大時，表明2幅圖像灰度統計特性比較相似；反之，當Sg較小時，表明2幅圖像灰度統計特性差別較大。武器裝備圖像與背景區域圖像的共生矩陣相關系數Sgc的表達式為：

式（4）中：PA（i，j）為武器裝備圖像灰度共生矩陣第i＋1行和第j＋1的元素；PB（i，j）為背景圖像灰度共生矩陣第i＋1行和第j＋1的元素；E（PA）為武器裝備圖像灰度共生矩陣的均值；E（PB）為背景圖像的灰度共生矩陣的均值。Sgc主要用來表示武器裝備圖像與背景圖像在紋理上的差異程度，Sgc越大，表明2幅對比圖像紋理差異越大，武器裝備與背景越容易被區分。

灰度圖像特征參量主要用來評估采用基于計算機自動識別算法的隱身目標場景探測方法，包括Camaeleon、CAMWVA等。根據不同探測方法的靈敏度及具體探測設備獲取的圖像分辨率等，可確定最小區分的圖像灰度特征參數Sgmin和Sgcmin.如果武器裝備和背景圖像的灰度特征參量大于這2個最小值，則目標場景可以被識別；如果小于2個最小值參量，則可以認為被發現的概率較低，隱身效果較好。

2 紅外隱身性能表征評估

目前，紅外波段的偵測手段主要是通過熱紅外成像儀進行探測的，紅外成像儀主要通過識別目標場景與背景在輻亮度上的差異來實現。紅外探測器獲取的目標場景紅外輻射圖像亮度差異取決于目標場景的黑體等效溫度。因此，采用黑體等效溫差來表征紅外光學隱身性能。

黑體等效溫度是用來描述物體紅外輻射的基本參量，武器裝備與背景的黑體等效溫差ΔTos的表達式為：

式（5）中：To為武器裝備的黑體等效溫度；Ts為背景的等效黑體溫度。

ΔTos越大，則武器裝備紅外特征與背景紅外特征差異越明顯，越容易被紅外探測裝置捕獲。此外，針對目標場景紅外成像設備空間分辨率越來越高的趨勢，采用目標場景區域的黑體等效溫度均方根參數Torms作為表征參量，表達式為：

式（6）中：Torms表述武器裝備區域內各點的等效溫度分布情況；N為武器裝備圖像區域點數；（i＝1，2，…，N）為各點的黑體等效溫度。

熱紅外成像系統綜合性能的一個重要參數是最小可分辨溫差ΔTmin，當武器裝備與背景的黑體等效溫差ΔTos大于最小可分辨溫差ΔTmin時，可認為武器裝備可以被探測。最小可分辨溫差ΔTmin主要與紅外探測器的性能和成像系統的傳遞函數有關，可以通過專業的測試系統測試得到。

3 激光隱身性能表征評估

近年來，隨著激光技術的發展，激光探測雷達和激光制導已經成為成熟的偵察設備，與光學成像偵察技術相比，激光偵察技術屬于主動探測型，具有效率高、穿透能力強、定向性好等優點。針對激光偵察技術特點，采用激光雷達截面LRCS參數來表征武器裝備對激光偵測的隱身性能。目標場景對激光雷達截面LRCS的定義為激光雷達在接收機上產生同樣光強的全反射球體的橫截面積，即：

式（7）中：ρ是武器裝備的激光反射率；A是武器裝備的實際投影面積；Ω是武器裝備的散射波束立體角。

LRCS值越大，表明武器裝備越容易被激光雷達偵測或者被激光制導鎖定。激光雷達可探測的最小LRCS值與激光雷達的發射功率、探測距離、武器裝備材料的反射特性以及大氣傳輸特性等有關，可以通過探測實驗測得。在一定的探測條件下，當武器裝備的雷達截面LRCS小于激光雷達最小探測LRCS值時，可以認為武器裝備無法被識別；反之，則表明武器裝備能夠被激光雷達偵測到。

4 結束語

武器裝備光學隱身性能表征參量直接影響著目標場景隱身性能評估的準確性。利用目標三維場景模型，研究不同偵察探測技術條件下武器裝備隱身光學性能的表征方法。隱身性能表征體系建立的關鍵在于建立目標場景輻射特性、偵察背景等參數與表征參量的關系；隱身性能評估體系建立的關鍵在于建立表征參量與隱身效果之間的關聯關系。結合要評估的偵察背景參數，建立目標場景隱身性能表征體系，表征參量包括CIE1976標準色差、灰度圖像特征參量、黑體等效溫差、黑體等效溫度均方根和有效橫截面等。然后根據不同光譜波段偵察方法、輻射特性的不同，建立可見光、紅外和激光偵察的隱身效果評估方法。

［1］王世安.水面艦船隱身技術的發展動向與分析［J］.艦船電子工程，2014，34（3）：16-20.

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［4］張鳳國.可見光-紅外隱身材料的制備與性能研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［5］耿春萍，張建輝，張麗霞，等.激光與紅外隱身效果的測量評估方法研究［J］.光電技術應用，2008，23（4）：78-80.

［6］王自榮，孫曉泉.光電隱身性能的表征概述［J］.激光與紅外，2005，35（1）：11-14.

［7］杜翠蘭，周建忠.光電隱身效果的評估方法［J］.光電技術應用，2011，26（2）：1-4.

［8］曹從軍.色彩管理關鍵技術CIE L～*a～*b～*與CMYK變換算法的研究［D］.西安：西北大學，2008.

［9］韓玉閣，宣益民，馬忠俊.成像目標的紅外隱身效果評估［J］.紅外技術，2010，32（4）：239-241.

［10］楊照金.光電隱身效果評估技術系列講座第二講：紅外隱身效果評估［J］.應用光學，2011（2）：197-202.

〔編輯：劉曉芳〕

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.030

2095－6835（2017）18－0030－04

邱守義（1975—），男，工程師，主要從事光纖通信技術研究。