李桂芝，孙健，吕瑶

（1.中国人民解放军92941部队91分队，葫芦岛　125001；2.中国人民解放军92941部队93分队，葫芦岛　125001）

海天背景典型舰船目标红外特性测量方法研究

李桂芝1，孙健2，吕瑶1

（1.中国人民解放军92941部队91分队，葫芦岛125001；2.中国人民解放军92941部队93分队，葫芦岛125001）

针对水面红外靶标自身特性，通过红外测量设备的组合，形成了红外特性定量测量能力。利用外场便携式黑体辐射源、单/多点热成像坐标变换解算方法，实现了外场实时定标，非合作目标位置信息解算；分析红外定量测量的不确定度，验证该方案有效地保证了红外特性定量测量的精度。利用所设计的测量方法对海天背景下典型舰艇的红外特性进行分析，并在测量过程中，同步获取大气参数，为后续目标红外特性定量处理分析提供了原始数据保障。

舰船目标；红外特性；测量方法；分析评估

水面红外靶标通过模拟典型舰船目标［1］的红外特性，应用于对反舰导弹武器系统的鉴定与考核，其逼真度直接关系到反舰导弹武器系统的鉴定与考核的可靠性和精度。红外特性数据的获取，最终要为武器鉴定考核服务，因此对于模拟的舰船靶标的红外特性数据要进行定量处理分析和评估，掌握模拟舰船的红外特征［2，3］，如温度分布、辐射亮度、辐射强度等特征参数。在实际红外特性测量过程中，如何在设备、环境等变化因素的影响下，对非合作被测目标，通过有效的测量方法尽可能获得真实的定量化的被测目标红外特性数据是一个急待解决的问题。

本文主要针对舰船等典型目标红外特性受环境因素（包括目标距离、大气状态和目标表面材料以及与太阳的相对位置）影响较大的特点，通过对测量站位合理配置，有效利用测量设备和参试资源，研究了海天背景下典型舰船目标红外特性测量方法，并形成了一套较为完备的红外定量测试规范。

1　红外特性测量规范

1.1测量内容

测量内容除了测量舰船目标的红外特性外，还包括舰船的目标参数和环境参数。其中目标参数包括舰船的停放位置、角度、距离、尺寸信息、工作状态等；环境参数包括海面常规气象参数，条件允许的情况下还需要获取太阳位置、太阳辐照度、天空红外辐照度等参数。

1.2测量系统

根据测量任务试验场地条件，选择合适的红外特性测量系统。本项目红外特性测量系统主要由中波红外热像仪、长波红外热像仪、气象站、外场黑体标准源、测距仪、GPS定位设备等组成。其中中波红外热像仪和长波红外热像仪用于获取被测目标的红外特性数据；气象站用于获取环境的温度、湿度、压力等大气参数；测距仪用于测量目标与测量系统的距离，GPS用于辅助定位功能。

1.3测量设备的选型

主要考虑中波热像仪和长波热像仪的波段、视场、量程的选择。波段选择要与鉴定考核的作战武器导引头的波段匹配，可通过滤光片实现；视场的选择，一般要求被测目标充满全视场的四分之三，因此选择镜头时需充分考虑目标尺寸、作用距离。

1.4测量设备标定

红外测量设备必须在定标或检定的有效期内使用，因此在试验前需要利用黑体完成定标工作。为了提高定标精度，本规范提出外场利用辐射源开展现场实时定标的要求。

1.5测量方案实施

依据试验方案，布设测量设备。测量过程中，利用气象站同步获取温度、湿度、压力等气象参数；利用测距仪获取目标距离，利用GPS获取测量系统定位信息。按照试验方案获取目标红外特性数据。试验测量完毕后，对红外特性测量数据、气象数据、辅助信息等内容进行整理记录。

以某型舰船测量为例，舰长约157米，作用距离5000米，为了使目标能够全部在视场内，同时尽量充满视场的四分之三，计算得热像仪瞬时视场值。舰船应占像素数为：640×3/4=480；像素对应的空间分辨率为：157/480=0.327m；热像仪瞬时视场为：0.327/5=0.0654mrad；热像仪视场为：0.0654×180×640/π/1000=2.4∘。由以上参数可知在热像仪可选镜头中，只有中波的2.75°×2.2°和长波的2.9°×2.3°镜头满足需求。图1和图2为在不同环境下实测某型舰的红外图像。

图1　某型舰船向阳面的红外热图

图2　某型舰船背阳面红外热图

2　外场实时定标

外场环境复杂，红外测量设备标定和测量误差受环境变化因素影响较大，因此试验前需对设备进行定标。为了有效降低定标和测量误差，一般利用便携式黑体辐射源，在外场实现实时现场标定和定量参考测量［4］。具体方法为，将辐射源放置于热像仪镜头前，此时大气衰减可以忽略，设置多组辐射源温度，温度设置的原则是覆盖到所测目标温度范围，温度间隔根据测量精度需求设置，定标有效温度范围根据实际试验情况确定，最终生成外场热像仪的定标曲线。

“士”者，春秋下层贵族之谓也。因为“士”乃社会兵役的主要承担者，故学人多称之曰武士。关于“士”是“国人”的主体这一问题，目前学者已达共识，不赘。根据我们的研究，下面两个学术问题则必须予以清理。

已知辐射源温度T和发射率系数ε，可求出辐射源的辐射亮度Lb：

其中，C1=3.741382×10-12W·cm-2，C2=1.438786cm· K；辐射源辐射亮度与热像仪电平值，在一定温度范围内成线性关系。DN=aL+b表示热像仪的电平值；L表示辐射源的亮度值；a，b为系数。利用两点法可以求出a，b，建立有效的定标曲线。

为了精确测算大气透过率，可将辐射源放置于被测目标上，利用已知参考辐射源温度和定量处理出的辐射源温度，反演出实际的大气透过率。该方法在测量条件允许下，较利用大气传输软件计算透过率更简单实用。其中，τ为大气透过率；T1为辐射源真实温度；T2为远距离下热像仪测量到的表观等效辐射源温度；Tb为环境温度；L（）为各自对应的辐射亮度。

3　非合作目标姿态解析

由于被测目标为非合作目标，为了有效实现定量红外特性的测量，需要解决非合作目标姿态信息的解算，特别是被测舰船相对于测量设备的角度问题。根据实际的测量条件，提出了利用单点和多点热成像非合作舰船姿态解算方法。

3.1单点热像非合作目标姿态解算

本方法是基于已知测量设备与被测目标距离和被测目标尺寸信息的前提下进行解算的，其中测量设备与被测目标距离是利用测距仪获取。测量示意图如图3所示。

图3　单点测量姿态示意图

其中，L舰表示被测舰船的船长（m）；L表示测量设备距离被测舰船的距离（m）；θ表示测量设备的瞬时视场（mrad）；α表示舰船与测量设备法线方向夹角（°）；n在热像仪上所占像素数。则被测目标在热像仪焦平面上所成像的尺寸为θLn/1000，被测目标与设备间夹角可由下式求出：3

3.2多点热像非合作目标姿态解算

图4　多点测量姿态示意图

4　定量测量不确定度估计

4.1辐射亮度计算不确定度估计

（ΔL）2属于测量的定量不确定度，主要取决于标定的不确定度和量化不确定度。根据热像仪的工作原理，用黑体温度来标定被测目标，通过温度计算等效黑体亮度等辐射参数。根据黑体辐射计算公式：L=σT4

4.2目标能量扩展像元大小N对测量结果的不确定度估计

（ΔN）2属于目标区域选取的不确定度，主要取决于成像质量。如果对比度高，则目标和背景的灰阶变化明显，目标边缘很容易确定，而且置信度较高；反之，如果对比度低，目标边缘很难确定，目标廓线的置信度比较低。标区域选择引起的测量结果不确定度估计，通过分析目标区域不确定度应该在10%范围之内。

4.3斜距R不确定度估计

（ΔR）2斜距计算的不确定度主要取决于测量和解算的不确定度。

4.4大气修正不确定度估计

（ΔτAIR）2属于大气传输误差项，主要是跟据测量的气象参数用大气传输模型计算的大气透过率，假设在理想的测量条件下进行，（ΔτAIR）为20%左右。利用参考源测量的方法可以提高到10%左右根据上述的分析，我们可以初步得到计算辐射源的辐射强度误差计算结果为：

最终可得到外场试验的不确定度优于30%。利用本文提出的外场辐射源实时定标和非合作目标姿态解算方法，依据本项目制定的详细测量规范，不仅解决了非合作目标姿态的解算问题，而且有效地保证了红外特性定量测量的精度。

5　典型舰船红外辐射特性测量

测量海上航行舰船的红外特性是在海天背景下进行的，红外成像制导的导弹对舰船的攻击也在海天背景下实施，因此在研究舰船本身的红外特性的同时需关注海天背景对舰船红外特性的影响。海天背景的特性随着季节、气象、时间及地理位置等因素而变化。海水既是辐射体又是反射体，在夜间的海水表面辐射有自身辐射和反射天空的辐射，白天则要加上反射太阳的辐射。海水的表面褶皱程度影响着海水反射和辐射特性。海水自身温度的高低也直接影响到舰船与海水间的温差［5］。利用热像仪对某舰进行了不同时间的红外辐射特性测量，如图5所示，并分析处理了某舰和海面的红外辐射特性，计算得出了某型舰烟囱壁及烟囱口与海面的辐射温差，如表1、表2所示。

图5　某舰红外热像图

表1　某型舰烟囱和烟囱口与海面辐射温差测量表

表2　某型舰与海面背景红外7.7～9.3mm辐射温度对比

6　结论

本文依据红外特性测量通用要求，确定了目标红外特性、目标参数和环境参数等具体测量内容，依据测量波段和视场要求提出了红外特性测量系统的选取要求，提出了利用标准黑体辐射源实现外场实时定标和参考测量的红外测量设备标定方法，形成了针对不同的测量条件，利用单/多点热成像坐标转化方法完成非合作舰船姿态位置解算的测量实施方案。试验验证，该方法能有效定量获取被测目标红外特性数据，并保证测量精度。

［1］ 李朝晖，陈明.对于杂散背景中的目标特性研究［J］.红外技术，2005，27（2）：109-114.

［2］ 方有培，钱建平.对红外成像制导导弹的干扰技术研究［J］.红外与激光工程，2000，29（3）：7-14.

［3］ 徐南荣.红外辐射与制导［M］.北京：国防工业出版社，1997.

［4］ 朱学芳，智文广.计算机图像处理导论［M］.北京：科学技术文献出版社，2003.

［5］ 高兰香.航空母舰非稳态温度场及红外辐射场中太阳辐射因素的研究［J］.目标与环境特性研究，2002，21 （1）：10-l2.

The Infrared Characteristic Measurement Method of Vessel Target Under the Sea-sky Background

LI Guizhi1，SUN Jian2，LV Yao1
（1.91 Detachments Unit 92941 of CPLA，Huludao 125001；2.93 Detachments Unit 92941 of CPLA，Huludao 125001）

According to the characteristics of infrared target ship，the infrared measuring equipment is combined to satisfy the measurement capability.The portable black body radiation source and single/many thermal imagery coordinate conversion are used to out-field scale at real time and solve the non-cooperation target’s infrared characteristic.The uncertainty of infrared measurement which is analyzed can prove the accuracy.The method is used to analyze the infrared characteristic of vessel target under sea-sky background.In this process，the atmospheric parameters are obtained for follow-up analysis.

target ship；infrared characteristic；measurement method；analysis and evaluation

TJ760.7

A

1672-9870（2015）05-0044-04

2015-09-09

李桂芝（1967-），女，硕士，高级工程师，E-mail：13787001704@163.com