可见光系统探测能力的分析研究

摘 要 在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离。在已知系统参数和目标特性的条件下，获得系统作用距离有以下几种方法：一是利用传统作用距离公式计算，这种方法误差会较大;二是在实际环境中对真实目标考核，该方法最直观，但是代价最大;三是参考同类型设备的试验数据，由于目标和天气条件的千差万别，需要大量的试验数据;本文提出了一种基于有限的少量试验数据，结合理论分析的方法，计算出系统的极限探测能力。

关键词 光电跟踪系统;探测能力;作用距离

中图分类号：V556 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-007070-02

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻;三是通过同类设备类比的方法，由于实验环境和目标特性以及设备参数等千差万别，因此该方法将需要长期的大量试验数据的积累，这在短时间内难以建立;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

我们首先建立系统模型，借以衡量系统性能，优化系统参数，以低仰角海面目标为实验对象[1、2]。

1 试验条件

以相对孔径为1：8的可见光系统，在大气水平能见度大于12 km，观测方向与太阳夹角大于30°，太阳高角大于5°条件下，对直径为0.4 m飞行速度为2马赫的目标，要求作用距离达到10 km。

2 试验数据

鉴于试验中受场地、目标等多方面限制很难有真实的目标和理想的天气条件进行作用距离试验，因此我们选取一远距离靶标进行了测距试验，试验条件如下：

日期：6月下旬;

地点：沿海海边;

气象条件：温度20℃～31℃，多云，东风3～4级。轻雾，目视分辨目标较困难;

时间：下午6时许，太阳高角小于5°，而且目标观测仰角2°左右。

试验目标：靶标球体直径0.6米。

激光测距测得靶标距离为7.7 km。如图所示。

在图像中可看见塔顶的球，也可看到支撑球体的支杆，可以有效提取目标。当时的天气条件远比指标要求的条件要差

很多。

该试验是随机选取的试验天气和试验目标，没有严格的限定试验条件和实验目标。下面我们在此试验的基础上推导指标条件下，相应的系统极限作用距离。

3 经典作用距离公式

1）计算条件：

①目标经可见光望远镜所成像的尺寸应满足可见光电视处理器提取信号的要求，目标像覆盖的像元数目不小于2×2像元。

②在像面处目标与背景对比度满足信号提取要求，即大

于5%。

2）目标在像面上产生的照度：

式中：

—目标反射太阳光的光强度;

—目标反射系数;

—光学系统通光口径;

—焦距;

—光学系统透过率;

—大气透过率;

—光学系统对目标的滤光系数;

—观测方向与太阳夹角;

—弥散系数。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光学系统透过率;

—光学系统对背景的滤光系数;

—光学系统通光口径;

—光学系统焦距。

目标与背景的对比度：

4 系统探测能力推算

根据可见光作用距离公式，需要首先满足目标成像尺寸大于2×2个像素。

1）目标在靶面成像大小的计算。

成像尺寸可根据成像公式计算得到：

对于直径0.4 m的目标，在800 mm焦距和目标距离10 km时，成像所占像元数为4×4个像元。可以发现并提取目标。

2）不同条件下的目标照度。

估算作用距离时，除了应满足目标成像尺寸的条件外，探测能力只与目标照度有关。而影响目标照度的关键参数只有大气透过率。因此可以按照天气条件估算上述试验时的大气透过率τ1，再计算指标条件时10 km远的大气透过率τ2，如果τ2>τ1，就认为系统的探测能力能够达到10 km。利用逐次逼近的方法比对大气透过率使其等于τ2，记录当τ2=τ1时的距离，此即为设备的极限作用距离。

下面具体计算指标条件下的作用距离。

大气透过率的估算：在轻雾天时，应用Lowtran77软件估计在7.7 km时大气透过率为0.0045;在大气能见度12 km时，目标为10 km时大气透过率为0.0264;综合情况见下表所示。

从上表知，能见度为12千米时的透过率大于轻雾天7.7 km时的大气透过率。当在此条件下的大气透过率等于轻雾天7.7公里时的大气透过率时，得出的距离既是设备的极限作用距离。即设备的极限探测能力为14.9 km。

5 结论

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻，难以满足;三是通过同类项目比对，该方法立足于大量试验数据的积累;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

参考文献

[1]季云松，张凯.自然光照下目标的光学特征仿真[J].红外与激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空间目标的光学特性分析[J].光学工程，1989（2）：21-26.

[3]韩根甲.舰载红外搜索与跟踪系统的最新现状与发展趋势[J].现代防御技术，2007，35（3）：109-116.

作者简介

杨立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究员，2005年于长春理工大学获得硕士学位，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量与总体设计方面的研究。endprint

摘 要 在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离。在已知系统参数和目标特性的条件下，获得系统作用距离有以下几种方法：一是利用传统作用距离公式计算，这种方法误差会较大;二是在实际环境中对真实目标考核，该方法最直观，但是代价最大;三是参考同类型设备的试验数据，由于目标和天气条件的千差万别，需要大量的试验数据;本文提出了一种基于有限的少量试验数据，结合理论分析的方法，计算出系统的极限探测能力。

关键词 光电跟踪系统;探测能力;作用距离

中图分类号：V556 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-007070-02

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻;三是通过同类设备类比的方法，由于实验环境和目标特性以及设备参数等千差万别，因此该方法将需要长期的大量试验数据的积累，这在短时间内难以建立;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

我们首先建立系统模型，借以衡量系统性能，优化系统参数，以低仰角海面目标为实验对象[1、2]。

1 试验条件

以相对孔径为1：8的可见光系统，在大气水平能见度大于12 km，观测方向与太阳夹角大于30°，太阳高角大于5°条件下，对直径为0.4 m飞行速度为2马赫的目标，要求作用距离达到10 km。

2 试验数据

鉴于试验中受场地、目标等多方面限制很难有真实的目标和理想的天气条件进行作用距离试验，因此我们选取一远距离靶标进行了测距试验，试验条件如下：

日期：6月下旬;

地点：沿海海边;

气象条件：温度20℃～31℃，多云，东风3～4级。轻雾，目视分辨目标较困难;

时间：下午6时许，太阳高角小于5°，而且目标观测仰角2°左右。

试验目标：靶标球体直径0.6米。

激光测距测得靶标距离为7.7 km。如图所示。

在图像中可看见塔顶的球，也可看到支撑球体的支杆，可以有效提取目标。当时的天气条件远比指标要求的条件要差

很多。

该试验是随机选取的试验天气和试验目标，没有严格的限定试验条件和实验目标。下面我们在此试验的基础上推导指标条件下，相应的系统极限作用距离。

3 经典作用距离公式

1）计算条件：

①目标经可见光望远镜所成像的尺寸应满足可见光电视处理器提取信号的要求，目标像覆盖的像元数目不小于2×2像元。

②在像面处目标与背景对比度满足信号提取要求，即大

于5%。

2）目标在像面上产生的照度：

式中：

—目标反射太阳光的光强度;

—目标反射系数;

—光学系统通光口径;

—焦距;

—光学系统透过率;

—大气透过率;

—光学系统对目标的滤光系数;

—观测方向与太阳夹角;

—弥散系数。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光学系统透过率;

—光学系统对背景的滤光系数;

—光学系统通光口径;

—光学系统焦距。

目标与背景的对比度：

4 系统探测能力推算

根据可见光作用距离公式，需要首先满足目标成像尺寸大于2×2个像素。

1）目标在靶面成像大小的计算。

成像尺寸可根据成像公式计算得到：

对于直径0.4 m的目标，在800 mm焦距和目标距离10 km时，成像所占像元数为4×4个像元。可以发现并提取目标。

2）不同条件下的目标照度。

估算作用距离时，除了应满足目标成像尺寸的条件外，探测能力只与目标照度有关。而影响目标照度的关键参数只有大气透过率。因此可以按照天气条件估算上述试验时的大气透过率τ1，再计算指标条件时10 km远的大气透过率τ2，如果τ2>τ1，就认为系统的探测能力能够达到10 km。利用逐次逼近的方法比对大气透过率使其等于τ2，记录当τ2=τ1时的距离，此即为设备的极限作用距离。

下面具体计算指标条件下的作用距离。

大气透过率的估算：在轻雾天时，应用Lowtran77软件估计在7.7 km时大气透过率为0.0045;在大气能见度12 km时，目标为10 km时大气透过率为0.0264;综合情况见下表所示。

从上表知，能见度为12千米时的透过率大于轻雾天7.7 km时的大气透过率。当在此条件下的大气透过率等于轻雾天7.7公里时的大气透过率时，得出的距离既是设备的极限作用距离。即设备的极限探测能力为14.9 km。

5 结论

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻，难以满足;三是通过同类项目比对，该方法立足于大量试验数据的积累;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

参考文献

[1]季云松，张凯.自然光照下目标的光学特征仿真[J].红外与激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空间目标的光学特性分析[J].光学工程，1989（2）：21-26.

[3]韩根甲.舰载红外搜索与跟踪系统的最新现状与发展趋势[J].现代防御技术，2007，35（3）：109-116.

作者简介

杨立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究员，2005年于长春理工大学获得硕士学位，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量与总体设计方面的研究。endprint

摘 要 在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离。在已知系统参数和目标特性的条件下，获得系统作用距离有以下几种方法：一是利用传统作用距离公式计算，这种方法误差会较大;二是在实际环境中对真实目标考核，该方法最直观，但是代价最大;三是参考同类型设备的试验数据，由于目标和天气条件的千差万别，需要大量的试验数据;本文提出了一种基于有限的少量试验数据，结合理论分析的方法，计算出系统的极限探测能力。

关键词 光电跟踪系统;探测能力;作用距离

中图分类号：V556 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-007070-02

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻;三是通过同类设备类比的方法，由于实验环境和目标特性以及设备参数等千差万别，因此该方法将需要长期的大量试验数据的积累，这在短时间内难以建立;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

我们首先建立系统模型，借以衡量系统性能，优化系统参数，以低仰角海面目标为实验对象[1、2]。

1 试验条件

以相对孔径为1：8的可见光系统，在大气水平能见度大于12 km，观测方向与太阳夹角大于30°，太阳高角大于5°条件下，对直径为0.4 m飞行速度为2马赫的目标，要求作用距离达到10 km。

2 试验数据

鉴于试验中受场地、目标等多方面限制很难有真实的目标和理想的天气条件进行作用距离试验，因此我们选取一远距离靶标进行了测距试验，试验条件如下：

日期：6月下旬;

地点：沿海海边;

气象条件：温度20℃～31℃，多云，东风3～4级。轻雾，目视分辨目标较困难;

时间：下午6时许，太阳高角小于5°，而且目标观测仰角2°左右。

试验目标：靶标球体直径0.6米。

激光测距测得靶标距离为7.7 km。如图所示。

在图像中可看见塔顶的球，也可看到支撑球体的支杆，可以有效提取目标。当时的天气条件远比指标要求的条件要差

很多。

该试验是随机选取的试验天气和试验目标，没有严格的限定试验条件和实验目标。下面我们在此试验的基础上推导指标条件下，相应的系统极限作用距离。

3 经典作用距离公式

1）计算条件：

①目标经可见光望远镜所成像的尺寸应满足可见光电视处理器提取信号的要求，目标像覆盖的像元数目不小于2×2像元。

②在像面处目标与背景对比度满足信号提取要求，即大

于5%。

2）目标在像面上产生的照度：

式中：

—目标反射太阳光的光强度;

—目标反射系数;

—光学系统通光口径;

—焦距;

—光学系统透过率;

—大气透过率;

—光学系统对目标的滤光系数;

—观测方向与太阳夹角;

—弥散系数。

3）背景在像平面上的照度：

式中：

—背景亮度;

—光学系统透过率;

—光学系统对背景的滤光系数;

—光学系统通光口径;

—光学系统焦距。

目标与背景的对比度：

4 系统探测能力推算

根据可见光作用距离公式，需要首先满足目标成像尺寸大于2×2个像素。

1）目标在靶面成像大小的计算。

成像尺寸可根据成像公式计算得到：

对于直径0.4 m的目标，在800 mm焦距和目标距离10 km时，成像所占像元数为4×4个像元。可以发现并提取目标。

2）不同条件下的目标照度。

估算作用距离时，除了应满足目标成像尺寸的条件外，探测能力只与目标照度有关。而影响目标照度的关键参数只有大气透过率。因此可以按照天气条件估算上述试验时的大气透过率τ1，再计算指标条件时10 km远的大气透过率τ2，如果τ2>τ1，就认为系统的探测能力能够达到10 km。利用逐次逼近的方法比对大气透过率使其等于τ2，记录当τ2=τ1时的距离，此即为设备的极限作用距离。

下面具体计算指标条件下的作用距离。

大气透过率的估算：在轻雾天时，应用Lowtran77软件估计在7.7 km时大气透过率为0.0045;在大气能见度12 km时，目标为10 km时大气透过率为0.0264;综合情况见下表所示。

从上表知，能见度为12千米时的透过率大于轻雾天7.7 km时的大气透过率。当在此条件下的大气透过率等于轻雾天7.7公里时的大气透过率时，得出的距离既是设备的极限作用距离。即设备的极限探测能力为14.9 km。

5 结论

在光电跟踪系统中，评价系统能力的一项重要指标是作用距离，该指标表征系统的对特定目标的最远探测能力。在已知系统参数和目标特性的条件下，推定系统作用距离有以下几种方法，一是假定大气条件，利用作用距离公式估算系统作用距离;二是在实际试验环境中对真实目标进行实际考核，该方法最直观，但是代价最大，而且条件苛刻，难以满足;三是通过同类项目比对，该方法立足于大量试验数据的积累;本文提出了一种综合分析方法，既是建立在有限试验结果的基础上结合理论分析并通过其他目标验证的方式分析系统的作用距离，给出系统的极限探测能力，是一种经济可行的方案。

参考文献

[1]季云松，张凯.自然光照下目标的光学特征仿真[J].红外与激光工程，2002，31（2）：161-165.

[2]李斌成.空间目标的光学特性分析[J].光学工程，1989（2）：21-26.

[3]韩根甲.舰载红外搜索与跟踪系统的最新现状与发展趋势[J].现代防御技术，2007，35（3）：109-116.

作者简介

杨立保（1972-），男，河北唐山人，博士生，副研究员，2005年于长春理工大学获得硕士学位，现在中科院长春光机所工作，主要从事光电测量与总体设计方面的研究。endprint