天基紅外傳感器對空間目標成像效果分析

張雅聲 戴樺宇 周海俊 趙雙

摘 要： 目標識別問題是彈道導彈防御系統(tǒng)中的核心難題之一，紅外成像仿真研究是目標探測與識別的重要手段。為此，建立天基紅外傳感器對大氣層外彈道式目標點源成像模型，利用STK/EOIR模塊，從天基傳感器相機參數(shù)和目標特性兩個方面仿真空間目標的紅外成像效果，重點分析相機的視線抖動、相機系統(tǒng)噪聲以及不同波段等因素對目標的成像效果影響。所得結(jié)果能夠為基于紅外輻射特性的空間目標識別技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： 天基紅外傳感器； 空間目標； 紅外成像； STK/EOIR； 視線抖動； 系統(tǒng)噪聲

中圖分類號： TN214?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0005?04

Abstract： The target recognition problem is one of the core difficulties of the ballistic missile defense system， and the infrared imaging simulation research is an important means of target detection and recognition. The point?source imaging model of the ballistic target above the atmosphere is established by using the space?based infrared sensor. The STK/EOIR module is used to simulate the infrared imaging effect of the space target from two aspects of camera parameters of the space?based sensor and target features. Influences of factors such as camera′s line?of?sight jitter， camera system noise and different wave bands on the imaging effect of the target are emphatically analyzed. The obtained results can provide data support for the research on space target recognition technology based on infrared radiation features.

Keywords： space?based infrared sensor； space target； infrared imaging； STK/EOIR； line?of?sight jitter； system noise

天基紅外傳感器對空間目標的紅外成像是導彈防御系統(tǒng)信息處理的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。國外也已經(jīng)從簡單的目標成像發(fā)展到加入各不同影響因素情況下的多種運動狀態(tài)紅外成像，并研制出了較為成熟的系統(tǒng)可視化仿真軟件[1?6]。國內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了不少研究成果，但是在仿真計算中所考慮的因素以及模型精度等方面還比較有限[7?11]。本文通過構(gòu)建傳感器對目標動態(tài)成像仿真模型架構(gòu)，充分考慮了傳感器、目標物體和環(huán)境之間的相互作用，開展基于STK/EOIR模塊的天基紅外傳感器對空間目標的紅外成像仿真研究，結(jié)果可為天基預警探測、目標檢測與識別提供較為精確的成像仿真數(shù)據(jù)支持。

1 點源成像模型

低軌預警系統(tǒng)的傳感器對中段目標是點源成像還是面源成像，與目標的尺寸大小、傳感器的空間分辨率有關(guān)[11]。目標在傳感器焦平面上的成像效果可以通過目標對傳感器像元的投影立體角來判斷。目標在傳感器視場中的投影立體角可以近似表示為：

2 仿真實驗與結(jié)果分析

2.1 STK/EOIR模塊

STK/EOIR是由Space Dynamics Lab（SDL）開發(fā)的光電紅外探測模塊，可用于空間目標的探測、跟蹤、成像等，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括對地觀測、彈道導彈防御、空間預警以及太陽系內(nèi)的空間探測研究[12]。

用戶可以對所用的光電紅外傳感器進行探測、跟蹤和成像建模及相應(yīng)的性能參數(shù)定義。STK/EOIR充分考慮了傳感器、目標物體和環(huán)境之間的相互作用，建立了高可信度的無線電傳感器模型，用戶使用STK/EOIR模塊可以進行集成一體化的傳感器與任務(wù)設(shè)計。EOIR可以較好地應(yīng)用于本文中的紅外傳感器對空間目標的成像仿真研究。

2.2 仿真流程

本文構(gòu)建的天基紅外傳感器對空間目標的成像仿真流程如圖1所示。

圖1給出天基紅外傳感器對空間目標的成像仿真流程圖。仿真構(gòu)架包括衛(wèi)星的軌姿運動模塊、傳感器成像模塊、目標紅外輻射模塊等。基于本文構(gòu)建的紅外成像仿真構(gòu)架，開展天基紅外傳感器對空間目標的紅外成像仿真與分析。

天基紅外傳感器對空間目標（群）的成像仿真參數(shù)設(shè)置如下：

1） 傳感器參數(shù)設(shè)置。平臺的傳感器參數(shù)設(shè)置參考“彈道中段空間試驗”（Midcourse Spaced Experiment，MSX）衛(wèi)星所攜帶的光學測量載荷“太空紅外成像望遠鏡”（SPIRIT Ⅲ）給出的參數(shù)[13]，紅外探測波段分別為：6.03～10.91 ?m（中波），11.1～13.24 ?m（中長波），13.5～16 ?m（長波）。傳感器其他參數(shù)如表1所示。

2） 空間目標群設(shè)置。設(shè)空間目標分別為導彈目標與誘餌目標構(gòu)成目標群，導彈形狀為圓錐形彈頭與圓柱形彈體組合而成，誘餌則設(shè)計成球形。根據(jù)文獻[14?15]中材質(zhì)的平衡溫度計算結(jié)果分別設(shè)定各目標在中段飛行過程中的平衡溫度及材質(zhì)屬性，如表2所示。

3） 目標軌道參數(shù)。設(shè)導彈的發(fā)射點為（78.69°E，46.12°N）；落地點為（110.65°E，67.36°N）。導彈采用彈道式飛行，最大飛行高度為1 000 km，射程約為5 000 km。對大氣層外某一時間段進行仿真，誘餌與彈頭的飛行軌跡近似相同。

4） 目標姿態(tài)運動參數(shù)[16]：導彈旋轉(zhuǎn)速率為[20 revs/min]，進動速率為[3 revs/min]，進動角為5°；誘餌旋轉(zhuǎn)速率為[28 revsmin]，進動速率為[4 revs/min]，進動角為8°。

2.3 仿真結(jié)果與分析

1） 傳感器視線軸抖振對成像效果影響。首先利用傳感器對空間彈頭目標進行觀察成像，在成像過程中設(shè)目標始終在傳感器光軸所指方向。傳感器視線軸抖振幅度為0 mard時，單個空間目標的紅外成像效果圖如圖2所示。從圖2可以看出，在理想情況下，即傳感器視線軸不存在抖振時，目標的紅外成像都主要集中在傳感器視場中央以點源目標的形式呈現(xiàn)出來，并且能明顯看出彈頭目標的紅外輻射能量主要聚集在傳感器視場中心的像素點內(nèi)。

此外，不同波段所體現(xiàn)出的目標紅外成像效果也不盡相同，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先是在中波成像的視場焦平面上能夠看到除彈頭之外的其他較為模糊的像素點，這可能是太空碎片或者恒星。而在其他波段這些碎片（恒星）卻體現(xiàn)的并不明顯，這是因為在中長波及長波波段，目標被背景噪聲所淹沒；其次，在本文仿真條件下，能夠明顯看出目標在中波成像視場內(nèi)的像素效果要好于中長波及長波，彈頭目標的成像亮度要更加強烈。

將傳感器的視線抖動幅度設(shè)置為5 mard，其他參數(shù)不變，彈頭目標在傳感器焦平面的成像如圖3所示。

從圖3可以看出，在傳感器視場焦平面上空間目標成像效果不再是由一個像素點組成，而是以投影點為中心的周圍幾個像素點共同形成。造成這個現(xiàn)象的原因主要是視線抖振的影響，空間目標在傳感器焦平面上的投影位置在鄰近的像素上產(chǎn)生變化，在相同積分時間內(nèi)，目標的輻射能量也分布到了這些像素點上。在本文仿真條件下，天基紅外傳感器輸出的成像效果是經(jīng)過自適應(yīng)增益控制處理后的焦平面圖像。圖3相比圖2，雖然目標的成像效果更加清晰，并不代表圖3的成像質(zhì)量更高。實際上，與圖3像素點相比，圖2的成像質(zhì)量更高。這是由于在圖2中目標的輻射能量聚集在中心像素點，目標信噪比較高，有利于目標檢測處理；而在圖3中添加了紅外傳感器的視線抖動幅度，導致圖3目標的輻射能量分散到周圍多個像元，降低了傳感器的信噪比，不利于目標的檢測處理。

2） 傳感器系統(tǒng)噪聲對成像效果的影響。考察傳感器噪聲等效輻照度（Noise Equivalent Irradiance，NEI）和飽和等效輻照度（Saturation Equivalent Irradiance，SEI）對空間目標紅外成像效果的影響。在圖2的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整傳感器NEI和SEI的參數(shù)值。圖4是當[NEI=1×10-20 W/cm2]和[SEI=3×10-20 W/cm2]的成像效果。

在圖2的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整傳感器NEI和SEI的參數(shù)值。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，NEI是影響傳感器對空間目標紅外成像效果的主要因素。因此，可以通過降低傳感器的等效噪聲輻照度來提高傳感器對空間目標的成像質(zhì)量，這也為設(shè)計與制造紅外傳感器關(guān)鍵器件提供了思路。

3） 傳感器對目標群的成像分析。導彈目標在飛行過程中，周圍會有其他干擾目標伴飛。設(shè)一次性拋灑10個干擾物，把彈頭包裹在中心，形成一個目標群。這些干擾物材質(zhì)包含白色熱控材料、鋁漆、黑漆、石墨敷層、拋光金片、銀質(zhì)敷層以及可自定義發(fā)射率和反射率的灰體；類型有誘餌、碎片、母艙等；形狀為圓錐、圓柱、圓形、立方體等。利用天基紅外傳感器對其進行跟蹤成像，設(shè)傳感器光軸指向始終指向目標中心（彈頭）。圖5為傳感器在中波紅外條件下所獲取的目標群成像示意圖。

在目標釋放后初始的一段時間內(nèi)，由于目標相互之間距離很近且傳感器與目標的距離很遠，目標群在傳感器焦平面上的圖像為一塊無法分辨的亮斑；隨著目標群的逐漸擴散，傳感器得以逐漸分辨出其中的部分目標。從圖5可以看出，當空間目標在陰影區(qū)飛行時，隨著目標表面溫度的逐漸降低，焦平面圖像中各目標的亮度也逐漸變?nèi)酰踔劣幸恍┠繕藭蜎]在圖像背景噪聲中；而當目標進入陽光區(qū)飛行時，由于陽光對目標表面的加熱效應(yīng)，目標的表面紅外輻射強度增加，目標又能夠重新被傳感器檢測到。隨著時間推移，像斑在傳感器視場中會發(fā)生分裂、融合以及再分裂、再融合等現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個重要原因是：觀測平臺與目標群處于高速運動狀態(tài)，傳感器視場對目標群的觀測角度不斷發(fā)生變化，使得目標在傳感器焦平面上的投影位置發(fā)生改變，從而導致像斑數(shù)目的減少或增加。

3 結(jié) 論

本文通過建立天基紅外傳感器對大氣層外彈道式目標點源成像模型，利用STK/EOIR模塊分別仿真分析了天基紅外傳感器視線軸抖振、傳感器等效噪聲輻照度水平等因素對空間目標/群動態(tài)成像效果的影響，所得結(jié)果能夠為基于紅外輻射特性的空間目標識別技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

[1] TANKS D R. National missile defense： policy issues and technological capabilities [R]. [S.l.]： Svec Conway Printing， Inc， 2000.

[2] 范晉祥，岳艷軍.目標與場景的紅外特性建模與仿真軟件的發(fā)展[J].紅外與激光工程，2008，37（z2）：389?396.

FAN Jinxiang， YUE Yanjun. Development of software for modeling and simulation of target and scene′s infrared signature [J]. Infrared and laser engineering， 2008， 37（S2）： 389?396.

[3] Missile Defense Agency. Space tracking and surveillance system [EB/OL]. [2012?05?21]. https：//wenku.baidu.com/view/56ca107b27284b73f24250ec.html.

[4] 周曉東，郭明.空間目標動態(tài)紅外圖像的計算機生成[J].紅外與激光工程，2007，36（1）：5?8.

ZHOU Xiaodong， GUO Ming. Generation of space target′s dynamic IR images [J]. Infrared and laser engineering， 2007， 36（1）： 5?8.

[5] 林兩魁.天基紅外傳感器對中段彈道目標群的跟蹤與超分辨技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學，2011.

LIN Liangkui. Tracking and super?resolution for midcourse ballistic target complex via space?based infrared sensors [D]. Changsha： National University of Defense Technology， 2011.

[6] 劉濤，陳浩文，黎湘.天基紅外傳感器彈道導彈中段目標識別技術(shù)分析[J].電光與控制，2009，16（3）：6?8.

LIU Tao， CHEN Haowen， LI Xiang. Study on midcourse target discrimination based on space?based IR sensor [J]. Electronics optics & control， 2009， 16（3）： 6?8.

[7] 汪洪源，陳赟.天基空間目標紅外動態(tài)輻射特性建模與仿真[J].紅外與激光工程，2016，45（5）：19?25.

WANG Hongyuan， CHEN Yun. Modeling and simulation of infrared dynamic characteristics of space?based space targets [J]. Infrared and laser engineering， 2016， 45（5）： 19?25.

[8] 劉濤，呂江北，王書宏，等.基于TDRNN的大氣層外彈道式空間紅外目標識別[J].電子與信息學報，2010，32（1）：80?85.

LIU Tao， L? Jiangbei， WANG Shuhong， et al. Exo?atmospheric discrimination of infrared ballistic space target based on the time?delay recurrent neural network [J]. Journal of electronics & information technology， 2010， 32（1）： 80?85.

[9] 陸福星，李夜金，趙云峰，等.天基紅外動目標檢測系統(tǒng)的仿真和評估[J].紅外技術(shù)，2017，39（5）：451?456.

LU Fuxing， LI Yejin， ZHAO Yunfeng， et al. Simulation and evaluation of space?based infrared moving target detection system [J]. Infrared technology， 2017， 39（5）： 451?456.

[10] 張國亮，楊春玲，王暕來.基于優(yōu)化概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和紅外多光譜融合的大氣層外空間彈道目標識別[J].電子與信息學報，2014，36（4）：896?902.

ZHANG Guoliang， YANG Chunling， WANG Jianlai. Discrimination of exo?atmospheric targets based on optimization of probabilistic neural network and IR multispectral fusion [J]. Journal of electronics & information technology， 2014， 36（4）： 896?902.

[11] 張雪，梁曉庚.紅外探測器發(fā)展需求[J].電光與控制，2013，20（2）：41?45.

ZHANG Xue， LIANG Xiaogeng. Development requirement of infrared detector [J]. Electronics optics & control， 2013， 20（2）： 41?45.

[12] ANDERSON R， CANTWEL G. STK/EOIR model description and validation [R/OL]. [2010?12?09]. http：//www.agi.com/eoir.

[13] 周海俊，李智，李學軍.基于STK/EOIR的彈道中段目標紅外輻射特性研究[J].紅外，2017，38（2）：21?25.

ZHOU Haijun， LI Zhi， LI Xuejun. Study of infrared radiation characteristics of midcourse ballistic targets based on STK/EOIR [J]. Infrared， 2017， 38（2）： 21?25.

[14] 劉濤.中段彈道目標群天基紅外成像探測與識別技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學，2011.

LIU Tao. Research on space?based infrared imaging detection and identification technology of middle segment ballistic target groups [D]. Changsha： National University of Defense Technology， 2011.

[15] 張慧.天基紅外傳感器對中段目標群跟蹤技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學，2014.

ZHANG Hui. Tracking techniques for midcourse target complex via space?based infrared sensors [D]. Changsha： National University of Defense Technology， 2014.

[16] 王磊，蔡遠文.彈道導彈中段突防紅外誘餌空域設(shè)計研究[J].航天控制，2010，28（4）：86?89.

WANG Lei， CAI Yuanwen. Study on infrared decoys space form design in the midcourse counterwork of ballistic missile [J]. Aerospace control， 2010， 28（4）： 86?89.