申子卿，王德飞，楚振锋

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳471003)

1 引言

作用距离是衡量红外成像跟踪系统性能的核心指标之一，对地面目标作用距离的远近直接影响到系统采集红外图像的像质，进而影响系统对目标的提取与识别。目前，红外成像跟踪系统对目标的探测、识别依靠操控人员的目视判断，目标探测识别的作用距离主要与目标辐射强度、大气透过率、系统探测灵敏度等因素有关，因此对红外成像跟踪系统作用距离的测试是一个较为复杂的问题［1］。

红外成像跟踪系统性作用距离的指标要求是典型环境下的典型参数(即在一定的温度、湿度、能见度条件下能达到的指标参数)。由于受试验时间和环境等因素的限制，构建并按照典型环境要求进行红外成像跟踪系统性能的评估比较困难［2］。本文提出一种基于目标成像像素大小和目标与背景图像反差不变的近距小目标小温差室内等效测试方法，同时在远场试验环境条件下，对红外成像跟踪系统的作用距离进行了试验验证，实现对系统作用距离相对准确的全面评估。

2 实验室等效测试

红外成像跟踪系统接收目标辐射源的能量与其间的距离有关，在某一距离上接收到的目标辐射刚好能达到预期的使用效果，此距离就称为系统的作用距离［3－4］。

2．1 等效测试理论分析

鉴于典型测试环境构设复杂，成本高，可首先通过近距小目标小温差的替代试验来检测。要用近距离目标替代远距离目标试验，必须保证近距离处目标成像像素大小和目标与背景的图像反差不变，要实现对目标的识别和稳定跟踪，首先合作目标必须要有一定的像素大小，根据折算得到近距离处目标成像的像素数不小于4×4;其次，由于受大气传输的影响，近距离处要保证目标与背景的图像反差不变，必须减小目标与背景的温差，使热像仪镜头处得到的目标辐射照度增量不变。目标背景温差折算关系如下［5－6］:

面辐射源在中心法线上的辐射照度有如下公式:

式中，r为辐射源到接收探测器的距离;E为接收点的照度;S为辐射源面积;T为辐射源温度;τa大气透过率。

假设被测目标位于远距离处，目标面积为S1，背景温度(目标初始温度)为T1，目标背景温差为ΔT1，目标距离为r1，大气透过率为τa1;被测目标位于近距离处，目标面积为S2，背景温度(目标初始温度)为T2，目标背景温差为ΔT2，目标距离为r2，大气透过率为τa2。

远距离时，红外成像跟踪系统热像仪镜头处得到的照度和照度增量为:

近距离时，红外成像跟踪系统热像仪镜头处得到的照度和照度增量为:

要使热像仪远近距离成像时目标与背景的图像反差不变，必须使镜头处得到的照度增量不变(ΔE1=ΔE2)，于是有下式:

由于远近成像像素不变，即目标所占视场角不变，则有:

式中，T1、T2为同一背景温度。τa1、τa2、ΔT1已知，通过公式(8)可求得近距离处目标背景温差ΔT2。

2．2 等效测试方法

根据系统指标检测所需求的特定环境，在实验室内利用红外参数校准装置进行试验，以检测设备的作用距离。通过调整红外参数校准装置与合作目标的距离，使合作目标在红外参数校准装置焦平面上成像的像素数不小于4×4;同时设定合作目标与实验室的环境温差为ΔT2。因此在实验测试中如果合作目标靶的温度在不大于T2+ΔT2条件下，系统能够稳定跟踪目标，说明该系统的作用距离达到15 km的指标要求。

具体测试过程如下:

(1)红外热像仪参数校准装置加电工作;

(2)红外成像跟踪系统加电工作，瞄准目标靶面，切换视场并调整焦距直至完全观测黑体目标靶面大小且成像清晰;

(3)手动控制中波红外成像跟踪系统锁定合作目标，切换跟踪模式使系统对合作目标靶面进入自动跟踪状态，观察系统对合作目标的跟踪稳定性;

(4)重复步骤(3)，改变对系统的跟踪方式(如相关、边缘和形心)，如果红外成像跟踪系统能稳定跟踪合作目标，则作用距离满足指标要求;

(5)测试结果显示，系统可以稳定跟踪目标，满足作用距离指标要求。

3 远场试验测试

针对红外成像跟踪系统作用距离受较多因素影响，在开展实验室作用距离测试的基础上，还需通过空中动态测试来评估红外成像系统的作用距离，其优点是环境模拟逼真，测试数据可靠，评估结果可信，缺点是试验费用高，灵活性差。

根据现有平台，在红外成像跟踪系统对地面目标探测跟踪试验中，作用距离动态测试原理图如图1所示，地面上搭建一个红外分辨率合作目标靶，靶板上均匀安放辐射功率基本一致的辐射源，辐射源与环境的温差可以人为控制，红外成像跟踪系统安装在升空平台上，通过无线数据通信链路与地面监视操控设备连接，升空平台按照既定航线飞行过程中，利用红外成像跟踪系统对靶板进行探测识别与跟踪，以地面操控人员识别和稳定跟踪合作目标靶板为准，通过通信链路记录下当时红外成像跟踪系统的GPS数据(包括经纬度和海拔高程)。根据靶板位置坐标和红外成像跟踪系统GPS的数据，计算红外成像跟踪系统的最大识别跟踪距离。

试验布局及航线设计如图2所示，红外合作目标架设在T(XT，YT)点，朝向正南正北方向。升空平台起飞后飞行H(km)到达A点(海拔900 m)后转向并悬停，操控红外成像跟踪系统迎头瞄准合作目标所在位置的大致方向，然后升空平台以匀速由A点向目标飞行，通过显控单元的视频图像场景人工搜索目标，当发现目标后人工捕获并切换到自动跟踪模式，稳定跟踪时记录该帧图像对应时刻的平台位置G(Xg，Yg)。

图1 作用距离测试原理图

图2 试验布局及航线示意图

根据对红外成像跟踪系统作用距离的测试要求，选择满足条件的天气，控制升空平台不同航次的飞行高度和飞行速度，分别进行作用距离测试，记录下当时红外成像跟踪系统对地面合作目标靶识别并稳定跟踪时的位置信息。根据公式(9)进行计算，采取求平均值的方法得到可信度较高稳定跟踪距离:

其中，X、Y为各点的经纬度坐标;h为平台海拔高度;h0为合作目标靶板位置的海拔高度(本次测试位置海拔为524 m，地球平均半径6371．004 km)。

选择试验测试过程中如图3所示的两个有代表性稳定跟踪架次，根据红外合作目标的位置(E 113．602535°，N 36．11899°)和表1提供的两次系统稳定跟踪时的平台位置数据。由公式(9)计算两次稳定跟踪的平均距离为12．495 km和12．466 km。考虑到试验验证时的大气能见度、环境温湿度及合作目标尺寸与指标要求的差别，采用公式(10)进行等效折算［7－8］即可得到指标要求条件下的稳定跟踪距离，经过折算得到的稳定跟踪距离不小于15 km，满足指标要求。

图3 系统稳定跟踪状态图像

其中，L为稳定跟踪距离;A为合作目标面积;τ为大气对红外波段的平均透过率;M为合作目标的辐射出射度;ΔT为合作目标与环境的温差(下标zb为指标规定条件;sc为实测条件)。

表1 系统稳定跟踪状态时平台特征参量

4 结束语

鉴于对红外成像跟踪系统作用距离测试相对复杂，本文提出了基于合作目标成像像素大小和目标与背景图像反差不变的近距小目标小温差等效测试方法，进行了实验室等效测试和远场动态试验测试。结果表明，等效测试方法能够对红外成像跟踪系统的作用距离进行较为准确的评估。

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