自适应红外隐身背景辐射测量研究

张冬晓，何永强，胡文刚，耿 达，元 雄，陈一超

(军械工程学院电子与光学工程系，河北石家庄050003)

1 引言

随着军事技术的高速发展，之前的靠人眼发现、瞄准目标的时代已经一去不复返，各种各样扩展人眼功能的装备已经广泛地被部队采用，其中光学仪器在装备中发挥着不可替代的作用。随着现代探测技术的迅速发展，如今已经可以在距地球数百公里的太空中获得高分辨率的光学图像，可以说处在地面上的一切物体都被看的一清二楚。当把先进的探测技术用于制导上之后，对于军事目标的威胁大大的增加，真正地实现了“发现即命中”。在各类制导导弹中，使用红外导引头作为制导方式的弹药占了整个制导导弹的60%以上，所以如何让己方的装备脱离红外探测器的探测成为了世界各国共同面临的难题。一般的装备都不是静止不动的，而且所处的环境也在不断地变化，所以现在需要找到一种方法，能够使己方的装备在敌方探测器中消失且不会因为运动或环境变化而暴露，正是基于这样一种要求，自适应红外隐身技术应运而生。

2 自适应红外隐身技术

自适应红外隐身是指通过控制目标的红外辐射特征，使得目标与环境的红外辐射相同［1］。由斯忒潘—波尔兹曼定律可知，物体的红外辐射强度由物体的温度和发射率决定，可以通过控制目标的发射率或温度来改变目标的红外辐射。

目前，有两种材料可应用于自适应红外隐身技术，分别是电致变温材料和电致变发射率材料［2］。这两种材料在电场的作用下，自身的温度或发射率会发生改变，最终使得材料发射出的红外辐射强度发生改变。由于电致变发射率材料的动态范围有限，不能适应温度变化较大的环境［3］，所以一般采用变化范围较大的电致变温材料，在得到背景的红外辐射分布后，可以人为地控制加在材料上的电场，使得目标与环境的红外辐射相一致。

自适应红外隐身系统的工作模型如图1所示，系统自身的探测器实时探测背景的红外辐射分布，当对方探测器探测隐身目标时，实际是将隐身目标投影到了背景上，此时根据实时探测到的背景的红外辐射分布，控制电致变温材料构成的敏感单元在空间x点的红外辐射光谱分布，使其与目标所处环境在空间x点的红外辐射光谱分布尽量一致［4］，即是将隐身目标遮挡住的那部分背景在隐身装甲上还原出来。

图1 隐身系统工作模型Fig.1 The model of the self－adaptive infrared stealth system

2.1 国内外研究现状

在自适应红外隐身技术的研究中，国外仅有英国BAE系统公司和以色列埃尔蒂克斯公司(Ahix)研制出了自适应红外隐身系统，并搭载在装甲车表面进行了相关实验，但是具体的技术手段并未公开，对于国内而言仍然处于技术封锁的状态。而国内对于自适应红外隐身技术的研究还处于起步阶段，目前并没有研制出自适应红外隐身系统整机的相关报道，对自适应红外隐身技术的研究主要集中在感温材料的控制方面，北京航空航天大学的王宏鹏等人［5］，根据热电制冷器件(TEC)的特性，设计了一种双向PID随动温度控制系统，该系统能够控制材料的表面温度在一定的范围内实时地跟踪目标的温度变化。北京理工大学的张升康等人［6］，利用红外传感器、电致变温材料以及微处理器实现了简单的自适应红外隐身，提出了一种产生控制信号的算法并通过实验验证了这一系统的可行性，但是实验中所用阵列较小，背景辐射分布的测量较为简单，没有复杂的对应关系，实现自适应隐身相对简单，若用于大尺寸的隐身目标(如装甲车等)，效果可能不佳。

由上文分析得到自适应红外隐身技术的两个关键问题，一是背景辐射的测量，二是电致变温材料的控制问题。目前，国内对于电致变温材料的控制问题已经有较为深入成熟的解决方案，但是对于背景辐射的测量研究较少，在实际应用中，由于背景的复杂性，需要得到背景的辐射分布进而控制变温阵列使之具有与背景相同的辐射分布，所以有必要对背景辐射测量进行深入研究。

2.2 背景辐射测量原理

变温阵列的驱动信号是由背景辐射与隐身目标自身的辐射差异给出的，所以对背景辐射的测量与处理至关重要，只有正确地采集到背景辐射分布，才能控制变温阵列的各像素与背景相应点具有相同的红外辐射。

所谓的背景辐射测量即是利用红外成像探测器将背景的红外辐射分布以红外图像的方式呈现出来，探测器的输出计数值与入射到探测器的辐射功率通常用以下模型表示［7］:

式中，K为红外成像系统的固定参数;C1为常数项，由红外图像的灰度值便可以反演出背景的红外辐射分布，在实际的应用中，背景辐射测量存在两个技术难点，一是背景图像离焦问题，二是探测器标定问题。

3 背景图像的离焦

在实现自适应红外隐身的过程中，需要得到隐身目标后方的背景辐射分布，而现实中，背景往往是复杂多变的，各种景物处于不同的空间深度之中，此时各景物到探测器的距离是不同的。

在实际的测量过程中，由于背景各个景物所处的空间深度不同(从几米到几千米)，对于光学系统来说，不可能使所有的景物都清晰成像，必然有一部分景物处于离焦的状态，这就导致了最终的测量值出现偏差。针对此问题，提出两种解决方案，一是利用图像处理的方法，对离焦图像进行复原;二是利用光场相机获取完全清晰的背景图像。

3.1 离焦图像复原技术

图像复原理论认为，图像的质量下降是由于某些原因造成的图像退化，若能够找到这些造成图像质量下降的原因，建立相应的退化模型那么便可以恢复或重建图像。图像的离焦是造成图像模糊的原因之一，目前常用的离焦复原模型有两种，分别是圆盘离焦模型和高斯离焦模型，圆盘离焦模型是根据几何光学相关理论建立的，但未考虑到衍射等因素的影响，是一种较为理想的离焦模型，在实际应用中适用范围有限，而高斯离焦模型是考虑了众多因素影响的情况下提出的近似模型［8］，该模型可表示如下:

其中，σ为模型中待求的参数，与圆盘模型不同，高斯模型中的待求参数不能通过过零点位置求得，可利用空域中检测刃边函数曲线的方法求得参数σ，通过对式(3)进行两次积分，即可得到刃边函数，第一次积分求得线扩展函数:

再对上式进行积分即可得到刃边函数:

由高斯曲线的特点，当对曲线进行归一化后，e(x)=0.84和e(x)=0.16时，它们在x轴上的间隔正好为2σ，由此便可求得高斯模型中的参数σ，代入式(1)中即可得到离焦的点扩展函数h(x，y)，再利用滤波的方法复原图像。

国内对离焦模糊图像复原技术进行了大量研究，大连理工大学的张燕妮［9］在研究模糊文字图像复原的过程中，提出了利用刃边函数曲线直接估算离焦的点扩展函数，提高了点扩展函数的估算精度;武汉理工大学的胡小平等人［10］提出了基于简化Wiener滤波的显微视觉系统中离焦模糊图像的复原方法。

但是上述方法仍存在一些问题，若直接用于自适应红外隐身中并不适合，因为实现自适应红外隐身需要获得复杂背景的红外图像，背景中不同的点可能有不同的空间深度，离焦量是不同的，为此必须在考虑不同景物具有不同离焦量的前提下进行离焦图像复原，这就要求对获取的背景图像进行分割，把不同的景物轮廓分割出来然后分别进行复原处理，而如何获取景物轮廓以及处于不同空间深度的相邻景物之间的相互影响将是基于自适应红外隐身的模糊图像复原的研究难点所在。

3.2 基于光场相机的背景辐射测量

光场成像通过记录光辐射在传播过程中的四维位置和方向信息，获得更加丰富的图像信息［11］。而利用光场成像所记录的图像信息对照片进行数字重聚焦，由此便可得到整体清晰的图像。

从光学的角度看，成像系统的对焦其实是将光场在对焦平面进行投影，由于光场相机已经采集到目标的四维光场，那么只需要通过计算的方式改变光场的投影平面便可实现对焦［12］。如图2所示，L(u，s)为探测器采集到的光场，U、S分别为主透镜和微透镜阵列所在平面，两平面相距l，现在选择一新的对焦面S'，与主透镜平面U相距l'，l'=αl。此时S'平面上的像为US'之间光场的积分，即:

由于同一条光线 L(u，s)=L'(u，s')，再由图中的坐标关系得到:

将上式代入式(5)并考虑到:

L(u，s)=L'(u，s')

得:

上式即为投影到新的对焦面上的成像公式，利用此公式便可以根据得到的四维光场计算出不同对焦面上的成像情况，从而实现数字对焦。

图2 数字对焦原理Fig.2 The principle of digital focus

将光场成像技术应用到自适应红外隐身的背景辐射测量中，可以解决由于背景的离焦而导致的背景辐射分布测不准的问题。但是，仍然存在几点问题亟待解决，首先就光场成像技术本身来说，相比于传统的成像系统，光场成像技术是以牺牲空间分辨率为代价来换取四维的光场信息的［12］，所以利用此技术作为背景辐射的测量会存在空间分辨率降低的问题;其次，作为一个新兴的技术，目前光场相机主要是对可见光进行成像，当应用到红外成像上时，红外微透镜阵列的设计将是一大难点。

4 探测器的标定

探测器标定的目的是为了得到输出的红外图像灰度与探测器接收到的红外辐射之间的对应关系，前文介绍了探测器标定的理想模型，而在实际的工作过程中，由于环境温度、湿度以及探测器内部的噪声影响，实际的对应关系会偏离理想模型，目前一般的解决办法是用标准黑体对探测器进行红外辐射定标，针对标准黑体的红外辐射定标，已有大量的研究，各种标定方法已日趋成熟，如西安工业学院的刘缠牢等［13］将BP神经网络用于热像仪的红外辐射标定，大大提高了热像仪的标定精度。但是红外辐射的标定精度受环境影响很大，而战场环境又复杂多变，倘若环境一改变便进行辐射定标必将费时费力，并且可能延误战机，而要想建立一个适用于各种环境的定标模型必将引入大量的参数，使模型过于庞大，并且某些参数还难以控制。

换一种思路考虑，通过研究红外探测器发现目标时所要求的目标与环境之间的温差，以此温差作为自适应红外隐身系统的误差范围，认为在此误差范围内可以有效隐身，这样有了一定的误差容限将大大地减小模型的复杂程度。红外成像系统的Pd－R(探测概率－探测距离)模型描述了在一定的温差(ΔT)下，热成像系统的探测概率与目标和系统之间距离的关系［14］。该模型的建立过程如图3所示，目标与背景的温差ΔT0经大气传输后到达成像系统的光瞳处，此时温差由于大气衰减变为ΔT=tΔT0，由系统的最小可分辨温差(MRTD)曲线可求出在此温差下的空间分辨率，在实际应用MRTD曲线时，需要对实验室测得的MRTD曲线进行修正，实际的MTRD为:

当求出此温差下的系统极限分辨率fx'后，计算当前空间分辨率下由约翰逊准则定义的线对数:

式中，H为目标高度;R为目标到成像系统的距离。

最后，由约翰逊准则可求得当前线对数下，对于目标的探测概率。至此，Pd－R模型便建立完毕。

图3 Pd－R模型Fig.3 The model of Pd－R

将上述模型进行反向推导，即在某一探测概率和探测距离下，由约翰逊准则求出线对数n0，根据式(9)求出相应的空间分辨率，再由MRTD曲线得到当前的温差，由此便可以得到不同探测距离不同探测概率下目标的温差值，以此温差值作为误差范围。当启动自适应红外隐身系统使目标隐身时，只要当前隐身目标与背景的测量温差与实际温差的差值在误差范围内时，便可以实现有效隐身。

5 结论及展望

传统的红外隐身技术由于环境适应性差、不能实现动态隐身等缺点已经不足以为装备提供良好的伪装保护，而自适应红外隐身技术能够使武器装备随着环境的变化而改变自身的红外辐射特性，实现动态隐身。在侦察与制导技术越来越完善，同时探测精度也越来越高的今天，自适应红外隐身技术必将成为武器装备新的保护伞。本文在分析自适应红外隐身原理的基础上，提出了自适应红外隐身技术存在的几个关键技术问题，并且针对自适应红外隐身技术的特点，提出了解决问题的方法。但是，自适应红外隐身技术在国内还处于起步阶段，随着研究的深入，会有越来越多的问题出现，从目前国内外的研究现状来看，自适应红外隐身技术的发展主要会受到以下几个方面的制约:

(1)隐身材料。从目前的发展状况看，材料仍然是制约隐身技术发展的重要原因之一，材料的种类不够多、可控性较差、灵敏度不佳等，都影响了自适应红外隐身技术的发展，要想取得突破，必须找到更容易控制，能更快速地响应温度变化的材料。

(2)控制技术。自适应隐身技术要求通过控制材料的某些特征，使材料能够作出与背景辐射同步的变化，而发展新的控制技术，提高控制的精度将会使材料的隐身效果更好。

(3)传感器技术。在对背景辐射信息进行采集时，要求传感器具有足够的灵敏度，能快速获取环境中的各种信息，并且能够感应多种环境信息。因此，今后必然要大力发展诸如分布式传感器和多传感器等能满足特殊隐身需求的新传感器。

除了上述几个方面以外，随着侦查手段的日益多样化，军用装备在战场上可能同时面临可见光、红外和微波等多波段侦查设备的威胁，因此必须研发能够同时对抗多种仪器、探测多波段兼容的隐身技术。这就要求找到更适合的材料，能够同时对多种波段的电磁波进行吸收或者散射，并且能够控制这些可探测特征。

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