烟幕对光电制导目标识别能力干扰效果研究

薛 鹏,董文锋,罗 威

(空军预警学院,湖北 武汉 430019)

1 引 言

光电成像末制导武器效费比高,在战场应用中显示了巨大的威力,对重要目标的战场生存构成了严重威胁[1]。烟幕作为光电无源对抗的一种重要手段,能够对光电制导武器造成有效干扰。烟幕是由以空气为分散介质,悬浮在空气中大量的细小微粒组成的混合物、化合物或单质构成,通常称为气溶胶(固体、液体或混合体)。现代战争中烟幕的作用越来越大,应用范围越来越广,已经从早期对抗可见光波段,发展到可以对抗紫外、微光、红外,甚至扩展到毫米波波段,集遮蔽、伪装、掩护和支援于一体,又兼具很高的性价比[2-3]。

对烟幕干扰的效果研究:文献[1]仿真分析了烟幕干扰条件下的导弹脱靶量,结果表明烟幕干扰后的弹道倾角减小,弹着点散布中心的分布位于攻击方向前侧,侧向偏离目标不大；文献[3]和文献[4]以红外成像制导导弹收到的制导信号信噪比(SNR)为指标,评估了烟幕的干扰效果,得出了烟幕干扰使用原则和方法；文献[5]结合烟幕弹发射延误和舰艇机动等因素,建立了舰载烟幕遮蔽干扰效果成功概率模型,得到了干扰的最佳决策；文献[6]分析了实施烟幕干扰后制导武器的跟踪回路信号状态变化造成导弹精度的变化情况。本文研究烟幕对可见光和红外目标识别性能的影响。通过搭建烟幕干扰实验平台,分别研究烟幕对红外成像制导和景象匹配制导的作用,模拟了战场环境,得到了烟幕对红外成像制导和景象匹配制导的干扰效果。

2 烟幕消光原理

各种烟幕对不同类型光电装备具有不完全相同的作用效果,是因为构成烟幕的物质、粒子形状、粒子质量分布等不同,导致在大气环境中对光线的折射、散射和吸收能力不同,所以表现出了不同的作用效果,大气环境本身对烟幕的使用也有一定的影响。

辐射在介质中传播时与介质相互作用会受到削弱。假设入射光强度为I(λ),通过厚度为dy的介质后,强度变化为I(λ)+dI(λ),则:

dI(λ)=-I(λ)σe(λ,y)dy

(1)

式中，σe(λ,y)是介质的线性消光系数,解方程得:

(2)

y1和y2为相距L的两点横坐标,在均匀介质中式可以写为:

I(λ)=I0(λ)exp[-σe(λ)L]

(3)

上式即为Beer定律,也称Bouguer-Beer定律。

事实证明,光被烟幕中的物质吸收时，σe和浓度C成正比:

σe=αeC

(4)

式中,αe是质量消光系数,将式(4)代入式(3)中可得[7]:

I(λ)=I0(λ)exp[-αe(λ)CL]

(5)

上式即为Lambert-Beer定律,它成立的条件是各个粒子对光的吸收和散射作用相互独立,但只有浓度C较小(光谱透过率≥5%)时成立。

2.1 烟幕对可见光的作用

区别出一个物体,需要将其亮度和颜色和背景作对比。如果物体亮度或颜色和背景之间有一定的差异(即对比度),对比度的定义如下:

(6)

其中,I为物体的色度或者亮度;I′为背景的色度或者亮度。

在目标和观察者之间存在烟幕时,由于烟幕的作用会降低对比度,此时的对比度为[8]:

(7)

式中,α为烟幕消光系数;C为烟幕浓度;L为光程;G为烟幕自身辐射亮度。从式中可以看出,烟幕的作用是降低了目标和背景的亮度,并将自身的辐射亮度加入背景,减小了目标与背景的对比度,产生了遮蔽作用。普遍认为烟幕对可见光的完全遮蔽透过率阈值TOP为1.25%,即当物体的光强被削弱掉98.75%降至1.25%时,目标恰好完全不可见。

2.2 烟幕对红外辐射的作用

任何非热力学零度的物体都有热辐射。普朗克黑体辐射定律指出,黑体的光谱辐射出射度为:

(8)

式中,Wλ单位为W/(m2·μm);λ为波长,单位为μm,普朗克常数h=6.6262×10-31J·s;玻尔兹曼常数kB=1.38×10-23J/K;c为光速;热力学温度T的单位为K。将已知数值代入,可以得到:

(9)

式中,第一辐射常数c1=3.7415±0.0003×108W·μm4/m2;第二辐射常数c2=1.43879±0.00019×104μm·Κ。

烟幕对红外辐射的作用主要包括辐射遮蔽和衰减遮蔽两种。

辐射遮蔽是利用自身燃烧产生大量高温气溶胶粒子辐射出比目标更强的红外辐射,将目标的红外特征覆盖,成像结果呈现一片明亮的景象,使光电设备无法分辨出目标。

衰减是烟幕最主要的作用机制。衰减是指将目标和背景的红外辐射进行反射、散射和吸收作用,使进入红外探测器的辐射能量低于探测阈值,导致目标难以被发现。烟幕对红外辐射作用原理如图1所示。

图1 烟幕对红外辐射作用原理

烟幕粒子的直径等于或略大于入射波长时,衰减作用最强。不同成分的烟幕对不同波段的红外辐射有不同的遮蔽效果,比如在普通烟幕中加入煤焦油、聚氯乙烯等化合物,会使发烟剂燃烧后产生大量直径为1～10 μm的碳粒,使烟幕对3.2 μm以上的红外辐射吸收能力得到极大的改善。

以红外系统作用距离和对目标识别效果作为评价指标衡量烟幕对红外成像制导干扰效果的好坏。

红外作用距离包括探测距离和成像距离。当导弹距离目标较远时,将目标视为点目标,探测距离计算公式为[9]:

ΔTtbe-δR=SNR·α·β·NETD·R2/S

(10)

其中,ΔTtb为目标与背景的辐射温差;R为某探测概率下的探测距离;SNR为阈值信噪比;NETD为系统的噪声等效温差;α和β为探测器的瞬时视场角;S为目标横截面积;δ为目标与探测器之间的衰减系数。

当导弹逐渐飞近目标时,在某观察等级下的成像距离和温差的关系为:

ΔT=ΔTtb·τair·Ri≥MRTD(f)

(11)

其中,ΔT为经过大气衰减后目标与背景的视在温差;Ri为成像距离;MRTD(f)为探测系统最小可分辨温差,与频率(波长)有关。

3 实验结果与分析

实验分为两个部分:第一部分是烟幕对红外成像制导的干扰实验；第二部分是烟幕对景象匹配制导的干扰实验。烟幕干扰实验平台如图2所示。

烟幕箱材质为有机玻璃,红外波段的光无法透过,因此在烟幕箱上方装了可拆卸玻璃盖,以便实验时红外热像仪可以观察到箱体内部的情况。烟幕发生器采用新一代高分子底烟技术,可连续工作几小时,产生大量且浓重的烟幕,具有很好的遮蔽效果；红外热像仪为FLIR公司生产的T450sc型红外热像仪,该型红外热像仪成像质量为320×240像素,30 ℃时热灵敏度小于30 mK,测温范围为-20～1500 ℃,帧频为60 Hz,波段范围为7.5～13 μm,同时还可以生成310万像素的可见光图像；因此该平台可以同时满足烟幕对可见光和红外成像的干扰实验；红外图像分析处理软件为FLIR Tools,该软件具有布置测量工具、更改参数、处理注释、创建绘图、创建全景、创建报告等功能,软件使用界面如图3所示。

图3 FLIR Tools软件界面

两部分的模拟实验都是基于表1所示的环境条件完成的。

表1 实验环境初始条件

3.1 烟幕干扰红外成像制导

真实战场上装备的主要发热部位为发动机,且发动机一般都为铝制,所以实验选用的模拟目标是高为91 mm,直径为55 mm的铝罐。实验时往铝罐内加入热水或对其降温,可较为真实的模拟发动机工作和非工作两种状态。模拟目标如图4所示。

图4 模拟目标

实验开始前,将装入热水的模拟目标放入烟幕箱内,调整好红外热像仪的角度,打开红外热像仪视频录制开关,然后持续充烟至目标区域最高温度不变时停止充烟,结束录制,分析处理结果。实验过程如图5所示。

图5 烟幕对红外成像干扰实验

利用MATLAB软件从录制的视频中截取六个不同时刻的图像,如图6所示。

图6 不同时刻干扰结果

从图6可知,背景温度为30.3 ℃,随着烟幕浓度的增加,烟幕的衰减遮蔽作用越来越明显,目标区域内的最高温度由45 ℃降至31.4 ℃,降幅达30.22%；当烟幕箱内浓度非常高时,烟幕甚至能使目标发生形变,如图6(f)所示。以图6(f)的烟幕浓度为100%,可得烟幕的干扰结果如表2所示。

表2 干扰结果统计表

从作用距离的角度考虑烟幕干扰效果,根据表2可以计算出当温差最高为15 ℃时,某条件下的探测距离R≈10.97 km；施放烟幕后温差降至1.4 ℃,探测距离R≈3.06 km,下降幅度达70%。

从烟幕对目标识别性能的影响角度来看,以图6(a)和图6(f)为例,利用一种易于实现的红外目标识别算法(原始图像灰度化-中值滤波-图像二值化-识别),可得如图7所示结果。

图7 识别结果

可以看出,充烟前无干扰的情况下,可以较好地识别出模拟目标,且目标轮廓清晰光滑；干扰后的识别结果有很大的缺陷,已经不能有效识别目标。因此该部分实验证明:烟幕无论是对红外成像制导系统的作用距离还是对其目标识别能力都能够造成干扰,有效降低红外成像制导系统的性能,可以满足对红外成像制导系统的干扰要求。

3.2 烟幕干扰景象匹配制导

景象匹配制导多采用可见光波段。烟幕对景象匹配制导的干扰主要是通过遮蔽作用降低目标区域和背景的对比度,使景象匹配制导系统无法完成有效匹配。

SIFT匹配算法[10]因其具有较好的抗光照变化、抗角度变化和抗尺度变化特性,还具有一定的仿射不变性和投射不变性而得到了广泛应用。以图6中(a)图和(f)图对应的可见光图像为例,利用SIFT算法对其匹配,结果如图8所示。

图8 SIFT算法景象匹配结果

从匹配结果来看,充烟前的SIFT匹配算法可以找到大量互匹配点,且正确率为100%；当烟幕浓度较高时,烟幕完全遮蔽了目标(如图7(b)所示),充烟干扰后的匹配算法受影响较为严重,找不到任何互匹配点,SIFT匹配算法完全失效。因此该部分实验证明:烟幕可以对景象匹配制导系统造成有效干扰,高浓度时可以完全遮蔽目标,使其匹配算法失效,进而导致景象匹配制导系统无法有效工作。

4 结 论

烟幕对光电制导的干扰效果问题,搭建了针对红外成像制导和景象匹配制导两个方面的烟幕干扰实验平台,模拟了战场环境,获得了大量实验数据,为烟幕防护的外场实验和使用提供了参考依据。实验结果证明:烟幕能够有效降低红外成像制导系统的作用距离和目标识别能力；能够对景象匹配制导系统的目标识别能力造成严重影响,甚至使其完全失效。在实际作战中,烟幕防护效能的发挥受环境因素和使用方法的影响较大,因此在接下来的研究中,将重点考虑实际中环境因素和不同的使用方法对烟幕干扰光电制导系统效果的影响。

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