对人工红外光照射时目标与背景对比度分析*

杜石明,吕相银,张 伟,曾 凯,陈善静

(电子工程学院安徽省红外与低温等粒子体重点实验室,合肥 230037)

0 引言

目前绝大多数的红外技术都是基于目标与背景的红外辐射特征差异来发现、识别、跟踪和监视目标,因此对衡量目标与背景红外辐射特征差异对比度的研究在军事上具有重要的意义[1]。文中从对比度的定义出发,对人工红外光照射目标时目标与背景的对比度进行了仿真计算与分析,得到一些有价值的结论,对目标的探测、识别、红外制导武器的研制、红外隐身技术研究、作战模拟训练、武器性能评估有重要的意义和应用价值。

1 人工红外光照射目标的理论模型

由于地面目标的结构形状复杂,外界环境不断变化,目标表面温度随时间而变化,很难从理论上对人工红外光照射目标时目标与背景对比度进行精确的分析,因此,作出如下的几种假设对问题进行简化:1)假设目标没有内热源,目标表面的初始温度根据目标实际温度来确定;2)假设目标表面温度分布均匀,以某时刻为研究对象,把自然环境对目标的影响看作是不变的因素,把这个不变因素等效为目标相应的温度值,避免自然环境对目标影响的复杂性;3)假设目标与背景为漫辐射,并为不透明的朗伯体。图1为在上述假设条件下时,人工照射目标的理论模型。

2 计算表达式模型

背景与目标之间以及它们内部各部分之间的辐射亮度通常是不同的,反映在热像仪显示器上则是各像元的灰度(或伪色彩)会有所不同,因而通过热像仪可以发现并识别目标。而目标与背景辐射亮度的差别则是热像仪发现和识别目标的基础,因此通常采用辐射亮度来表征目标与背景的对比度[2]:

图1 理论模型图

式中:L0为目标的辐射亮度;LB为背景的辐射亮度。由于在大多数的战场环境中,目标的温度都高于背景的温度,因此目标的辐射亮度大于背景的辐射亮度。则式(1)可写成:

在理论模型中已经假设了目标与背景是朗伯辐射体,则式(2)进一步写成:

式中M0包括两部分,一部分为自身辐射出射度,另一部分为反射环境的辐射[3-5],同理M B为自身辐射与反射目标辐射之和。为了便于分析人工光照时目标与背景的对比度,对目标表面建立坐标如图2所示。当采用人工红外光照射目标时,目标与背景的反射辐射部分将发生改变,式(3)经过推导为:

图2 人工光源照射目标表面的坐标轴

经整理得:

其中:ε0为目标的发射率;εB为背景的发射率;T0为目标在自然环境中的等效温度;T B为背景温度;σ为斯忒藩-波耳兹曼常数;P为光源的功率;d为光源到被照射物体的距离;θ为被照物体表面法线方向与光源距离之间的夹角(文中为入射角);F1为目标对光源的角系数;F2为背景对光源的角系数。

3 仿真计算结果与分析

设某地面目标上表面尺寸为6m×8m,初始温度为300K,在天气晴朗、背景温度为295K、背景发射率为0.9的情况下,在上午7点至8点时刻采用氙灯[6]脉冲式垂直照射目标(垂直照射指入射角为0°),照射距离为2m。对于光源与该目标的角系数可以采用定义或解析法计算,具体可参考文献[7]。

3.1 在全波段(0～+∞)时的分析

从图 3可以看出,当光源照射功率增加时(以光源的辐射照度计算),在目标发射率小于 0.7时,目标与背景辐射对比度随照射功率的增加而增加,这是由于在发射率较小时,目标的反射率相应较大(目标为不透明朗伯体),而目标的温度在短时间内不能突变,自身辐射部分较小,此时目标红外辐射取决于目标对光源的反射辐射,随着功率的增加,目标反射部分的能量就越大,目标与背景的对比度就越大。在目标发射率大于0.7时,目标与背景辐射对比度随照射功率的增加而减小,这是由于在发射率较大时,目标相应的反射率较小,目标的反射辐射部分就较小,由于目标温度不能突变,目标对光源功率的利用率不高,而此时环境的辐射增大,使得目标与背景的对比度减小,功率越大,减小就越快,目标与背景越容易融合,此时不利于目标探测与识别。假设当辐射对比度控制在±0.02时,红外成像系统无法探测和识别目标,则从图3中可以看出对应于目标的发射率大于0.7时,对其采用一定范围ΔE1、ΔE2的光照,可以使目标的对比度降低到±0.02范围之内,从而实现目标与背景的融合,使红外成像系统失效。同时,在 ΔE1、ΔE2区域中存在一个公共的区域(500～700W/m2),表明采用这个区间范围内的照射功率的光源,在目标发射率大于0.7时,均能使目标与背景达到融合。同理,当采用光照功率在ΔE1、ΔE2时,目标发射率在 0.7以上的目标同样能达到很好的融合效果。图4反映了辐射对比度与目标发射率的关系,当采用固定光照功率的光源可对目标发射率在 Δε1、Δε2、Δε3范围内的目标达到很好的融合效果,例如当光源辐射照度在600W/m2时,可以对发射率在0.75～0.94的目标达到很好的融合效果。

图3 光源辐射照度与辐射对比度的关系

图4 目标发射率与对比度的系

3.2 在3～5μm波段以及8～14μm波段时的分析

从图5～图8中可以看出,在3～5μm 波段以及8～ 14μm 波 段时,目标与背景的辐射对比度的变化趋势与在全波段时的变化趋势相似,即适当调节对目标的光照功率和目标的发射率,可以实现目标与背景的融合,以致使红外成像探测系统失效。当辐射对比度控制在±0.02时 ,在 3 ～5μm波段以及8～ 14μm 波 段存在一定范围ΔE′1、ΔE′2的 光照区域,可以使目标的对比度降低到±0.02的范围之内,在 8～14μm 波 段的 调节范围大于3～5μm波段的调节范围,说明8～14μm功率利用效率比3～5μm波段的利用效率高。一般情况下,对于大多数地面常温目标而言,8～14μm波段比3～5μm波段更具有实际应用意义;但是在实际实现过程中,3～5μm波段容易实现,而 8～ 14μm 波段实现比较困难,这是由于功率与光谱利用率是互相制约的,功率的增大会导致光谱的改变,功率越大,8～14μm波段的光谱利用率越低。同理,当采用固定光照功率的光源可对目标发射率在Δε′1、Δε′2、Δε′3范围内的目标实施融合,也可以达到很好的效果。

图8 目标发射率与对比度的关系

4 结论

通过对人工采用红外光照射地面目标时目标与背景对比度影响的分析,可以得出主要结论如下:

1)人工采用红外光照射地面目标时,目标与背景的对比度将会发生改变,目标发射率在0.7～0.95时,采用适当范围的功率照射目标,可以使目标与背景达到很好的融合效果,从而使红外探测、识别系统失效;

2)当光源照射功率一定时,对目标的发射率进行适当的调节,同样能达到很好的融合效果;

3)在相同的条件下,即照射功率和目标发射率不变时,对于常温的地面目标而言,在全波段时光照功率利用率最高,而且也比较容易实现目标与背景的融合。就波段而言,在8～14μm波段光照功率利用率高,而3～5μm波段的光照利用效率低;但是3～5μm波段比8～14μm波段更容易实现目标与背景的融合。

[1] 宣益民,韩玉阁.地面目标与背景的红外特征[M].北京:国防工业出版社,2004.

[2] 王毅,范伟,饶瑞中.目标特性对目标-背景对比度影响[J].量子电子学报,2005,22(5):828-832.

[3] 吴丹,路远,凌永顺,等.地面金属目标红外与毫米波辐射特性及控制研究[J].弹箭与制导学报,2008,28(6):57-62.

[4] 张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[5] 陈儇,袁江涛,杨立.地面目标红外特性及其隐身技术研究[J].工程热物理学报,2007,28(5):844-846.

[6] 陈大华.氙灯的技术特性及其应用[J].光源与照明,2008(4):18-20.

[7] 西格尔 R,豪厄尔 JR.热辐射传热[M].曹玉璋,译.北京:科学出版社,1990.