基于靶標輻射元的IR-JST溫度反演方法研究

張冬曉,陳志斌,肖 程,秦夢澤

(1.陸軍工程大學石家莊校區電子與光學工程系,河北 石家莊 050003；2.中國人民解放軍32181部隊,河北 石家莊 050003)

1 引 言

紅外成像制導以其高精度制導能力以及全天候作戰特點,逐漸成為信息化戰場上不可或缺的打擊手段。但是隨著各種干擾技術的日趨成熟,紅外成像制導導彈的作戰環境變得越來越復雜,使其高精度制導能力受到抑制[1]。為使紅外成像導引系統(IRIGS)在復雜作戰環境中發揮最大的效能,必須在制導系統的研制和日常維護過程中,對導引系統的抗干擾性能進行實時檢測和評估。

目前用于檢測IRIGS抗干擾性能的方法主要有外場靶試法和數字仿真法[2]。外場靶試法是在真實戰場環境下進行導彈實彈測試,該方法測試精度高且最接近導彈的實戰表現,但是缺點是成本高、不適用與日常檢測；數字仿真法是目前國內外普遍采用的方法,其核心是用計算機生模擬戰場環境及干擾源特征,利用紅外景象投影系統將戰場圖像投射到紅外成像導引頭來完成評估。此方法的缺點是仿真環境與真實環境很大差別,使得評估結果帶有誤差。

本文針對數字仿真法的缺點,提出了一種基于熱電器件陣列的紅外成像干擾模擬靶標,采用熱電器件陣列模擬各種干擾手段并置于真實環境中進行抗干擾性能的檢測。

2 紅外成像干擾模擬靶標生成方法

紅外成像干擾模擬靶標用以模擬各類干擾手段,常見的干擾手段有,紅外煙幕干擾、紅外假目標干擾和紅外隱身干擾等[2]。這些干擾手段的核心均為改變目標的紅外輻射強度或輻射分布,使得IRIGS丟失目標的外形信息。其中紅外煙幕干擾本質是用紅外煙幕掩蓋目標紅外輻射；紅外假目標是模擬真目標的紅外輻射特征,誘騙IRIGS；紅外隱身是模擬背景輻射分布,使目標與背景融為一體。根據上述分析可知,本文所提紅外成像干擾模擬靶標必須具有改變紅外輻射分布以及紅外輻射強度的能力,由斯忒潘—波爾茲曼定律可知,紅外輻射強度可通過溫度和發射率進行控制。從目前已有的變發射率材料來看,其動態范圍有限,不能適應溫度變化較大的環境[3]。所以一般采用變溫材料,其中熱電材料可通過加載在材料兩端的電場對材料溫度進行控制,成為干擾模擬靶標的首選材料。考慮到改變紅外輻射分布的要求,將電致變溫材料陣列化,每個變溫材料單元可看作陣列中的一個輻射元,通過控制每個輻射元的紅外輻射,即可形成不同的紅外輻射分布。

比較上述幾種干擾手段可知,紅外煙幕干擾及紅外假目標干擾只需模擬干擾源的紅外輻射特征,相比于此,紅外隱身干擾需要模擬復雜背景的紅外輻射特征,并控制干擾模擬靶標自身紅外輻射,使之與背景相一致[4],是幾種干擾手段中最為困難的一種。所以本文以紅外隱身干擾為重點,分析紅外成像干擾模擬靶標生成方法。

紅外隱身干擾模擬靶標的工作原理如圖1所示,靶標位于被測導引頭視場中,并遮擋了部分背景,這部分背景與靶標形成投影關系。位于靶標后方的紅外熱像儀實時探測背景的紅外輻射分布,并根據投影關系將遮擋的部分背景重投影到干擾模擬靶標上,此時熱電器件陣列中的每一個輻射元分別對應遮擋背景的一部分。最后由遮擋背景的紅外圖像反演出熱電器件各輻射元的控制溫度,進而控制干擾模擬靶標復現被遮擋住的部分背景。最后由被測導引頭接收隱身后的靶標圖像,評估被測導引頭的抗干擾性能。

圖1 紅外隱身干擾模擬靶標工作原理Fig.1 The operating principle of the infrared stealth JST

2.1 遮擋背景重投影模型

由以上分析可知,生成紅外隱身干擾模擬靶標的第一步是建立干擾模擬靶標與被遮擋背景之間的空間映射關系,這種空間映射關系以透視投影關系為基礎,其特點在于坐標系的建立和轉換[5]。所以首先根據紅外隱身干擾模擬靶標工作原理建立坐標系。

根據被測導引頭、干擾模擬靶標以及紅外熱像儀三者的位置關系,建立三套坐標系,分別為:靶標坐標系Ob-XbYbZb；熱像儀坐標系OT-XTYTZT；導引頭坐標系Oc-XcYcZc,三套坐標系的定義方法如圖2所示。

圖2 坐標系之間的關系Fig.2 The relation between coordinate systems

背景重投影模型的最終目的是在位于靶標后方的熱像儀所拍攝的背景圖像上定位被靶標遮擋的部分背景并與靶標上各輻射元相對應,模型的建立需用到攝像機模型以及坐標變換模型。

首先將靶標上各點坐標以導引頭坐標系表示,并通過在導引頭坐標系處建立虛擬攝像機,用攝像機模型求解出遮擋背景空間點與靶標上各點的空間映射關系,該過程可表示為:

(1)

(2)

其中,Zc=Z-Ze為背景面與導引頭之間的距離;Z為靶標與背景間的距離;(xc,yc,zc)為遮擋背景點在導引頭坐標系下的坐標。

接下來通過建立熱像儀模型,將得到的遮擋背景空間點與熱像儀拍攝的背景圖像像素坐標聯系起來,熱像儀的成像模型可由式3表示[6]:

(3)

根據旋轉矩陣的定義及運算法則[7],熱像儀相對于導引頭坐標系的旋轉矩陣可由式(4)表示:

R1=Rx(α)·Ry(β)

(4)

通過對靶標上的點進行逐一求解,便可獲取被靶標所遮擋住的背景,且與靶標各點一一對應,相關實驗結果可參見作者發表的論文[8],在此不再贅述。

2.2 熱像儀溫度反演模型

熱像儀可將物體的紅外輻射轉化為紅外圖像進行顯示,其中紅外圖像灰度與物體發射的紅外輻射關系可由熱像儀定標模型描述[9-10]:

G=k1L(T)+C1

(5)

其中,G為熱像儀輸出圖像灰度值；L(T)為物體的入射輻射功率；T為溫度；k1為熱像儀標定常數；C1為偏置項。由模型可知,在定標過程中,只需知道兩對(L,G)值,便可確定此關系。

常用的定標方法是以標準輻射源為核心,通過控制輻射源溫度,產生不同功率的紅外輻射,用熱像儀接收標準輻射并轉化為紅外圖像,再利用式5進行標定。

但是,由于標準輻射源是以溫度為控制量,并不能直接獲取入射輻射功率,所以還必須知道入射輻射功率與溫度之間的關系。由普朗克公式可知,在某一波段范圍內,紅外輻射功率與溫度的關系無法用精確的解析式描述,只能通過擬合的方式近似,根據文獻[11],熱像儀定標模型可表示為:

(6)

其中,b0、b1、b2為熱像儀標定常數；c2為第二輻射常數；T為溫度；λ為熱像儀有效波長；ε為物體發射率。由式6知,該定標模型中的ε誤差將會影響溫度反演精度,并且在實驗中還發現,隨著工作時間的增加,熱像儀會產生溫度漂移現象,極大的影響了溫度反演精度。為此本文提出一種基于靶標輻射元的熱像儀標定方法。

3 基于靶標輻射元的熱像儀標定

如前文所述,若采用黑體定標,在計算靶標控制溫度時還需進行發射率補償,為消除發射率的影響,本文直接采用靶標輻射元進行標定。本文所采用的靶標輻射元結構如圖3所示。

圖3 靶標輻射元結構圖Fig.3 The structure diagram of the target radiation element

靶標輻射元作為靶標陣列的一部分,以半導體制冷器(TEC)為熱源,外面加裝金屬變溫層作為導熱元件,在金屬表面噴涂油漆作為紅外發射材料,在TEC背面加裝散熱模塊,增加TEC的變溫效率。

以靶標輻射元為熱源,對紅外熱像儀進行標定實驗同時以黑體為熱源重復進行實驗,實驗裝置圖如圖4所示,標定曲線如圖5所示。

圖4 定標實驗裝置圖Fig.4 The diagram of experimental device

圖5 熱像儀標定曲線及殘差圖Fig.5 The diagram of the calibration curve and residual

通過將敏感單元標定曲線與黑體標定曲線對比發現,其規律與利用黑體作為定標源時完全一致,所不同的是曲線整體低于黑體定標曲線,這是由于發射率不同導致的,可見利用靶標敏感單元對熱像儀進行標定是完全可行的。

4 基于敏感單元的漂移補償算法

為找出熱像儀灰度漂移規律,本文進行了三次連續的定標實驗分析熱像儀灰度漂移對定標曲線的影響,實驗結果如圖6所示。

圖6 三次定標實驗曲線Fig.6 The calibration curves of three experiments

從圖中可以看到,三條曲線有著相似的規律,只是各自的起始點有差異。由此可以推斷,熱像儀的灰度漂移并不會對熱像儀的增益造成影響。即熱像儀工作溫度所引起的灰度漂移是一個加性噪聲。

熱像儀輸出圖像灰度與溫度之間的關系可由式(7)表示:

G=ε[k1(a1T2+a2T+a3)+C1]

=b1T2+b2T+b3

(7)

根據熱像儀灰度漂移特點,可對上式進行修正,結果為:

G=b1T2+b2T+b3+Gs(Ts)

(8)

其中,Ts為熱像儀自身溫度；Gs(Ts)為熱像儀自身溫度所帶來的輸出漂移。由式8可知,熱像儀的漂移量僅與自身溫度相關,而并不會對定標曲線的斜率造成影響。令熱像儀定標時自身溫度為Tc,當前溫度為Tn,對于某一溫度為Ta的目標來說,在上面兩個狀態下的輸出分別為:

(9)

對于同一溫度的目標來說,其熱像儀響應部分是一致的,所不同的是由于熱像儀溫度不同而引起的那部分灰度漂移。將上兩式進行差分消掉由目標本身輻射帶來的響應,則可得到當前熱像儀工作狀態下的漂移量,如式(10)所示。

ΔG=Gc(Tc)-Gn(Tn)

(10)

根據以上分析可知,在進行漂移補償時,只需將定標源設定到固定溫度下,在測量的間隙采集定標源的紅外圖像,將圖像灰度與定標時的灰度作差分即可得到漂移量,在測量時減去該漂移量即可得到準確的反演溫度。

為驗證漂移補償算法的有效性,采用課題組自研的靶標敏感單元陣列為熱像儀提供目標與背景,陣列結構如圖7所示,將八塊敏感單元固定于同一熱沉上,由背面的溫度控制系統為每個敏感單元提供驅動電流。

圖7 靶標敏感單元陣列實物圖Fig.7 The structure diagram of target sensitive unit

實驗以3號單元為溫度反演目標,2、4、5、7號單元作為背景,其中將2號和4號單元拆下作為自然背景,溫度未知；5號、7號單元作為溫度可控的背景。熱像儀開機時首先進行溫度標定,得到開機時刻的灰度-溫度關系,將3號單元溫度設置為30 ℃,記錄此刻的灰度值,然后使熱像儀保持開機狀態40 min后,記錄當前狀態下3號單元灰度值,并與初始時刻灰度值差分得到漂移補償量,然后將5號和7號背景設置為19 ℃,用以驗證溫度反演精度,最后通過反演2號和4號背景溫度,控制3號單元溫度與二者一致,并通過熱像儀觀察此時的紅外圖像。補償前后的反演溫度如表1所示。

表1 溫度反演結果Tab.2 The result of the temperature retrieval

按照表中溫度調節3號單元溫度,并用熱像儀進行觀察,其結果如圖8所示,其中上圖為補償前的結果,下圖為補償后的結果。

由表2中的數據可知,在漂移補償前后,反演溫度的差別能夠達到7 ℃,并且由5號和7號背景反演結果來看,經過漂移補償后,反演溫度誤差降低到0.5 ℃。由圖8可知,經過漂移補償后,目標與背景之間的灰度差下降十分明顯,說明本文提出的基于靶標敏感單元的熱像儀溫度標定方法及漂移補償算法是有效的。

圖8 漂移補償前后目標與背景的紅外圖像Fig.8 The infrared images of the target and backgroundbefore and after drift compensation

5 結 論

針對數字仿真法受精度的制約不能準確模擬各類干擾源的問題,提出了基于熱電器件陣列的紅外成像干擾模擬靶標生成方法。

本文以紅外隱身干擾手段為研究對象,提出了以遮擋背景重投影模型和熱像儀溫度反演模型為核心的干擾模擬靶標生成方法。通過建立遮擋背景重投影模型,實現了干擾模擬靶標與遮擋背景各點之間的空間對應；提出了基于靶標敏感單元的熱像儀溫度標定方法及漂移補償算法,解決了遮擋背景各點灰度到靶標單元控制溫度之間的轉換。為紅外成像制導系統抗干擾性能測試靶標的生成奠定了技術基礎。