天基红外传感器对空间目标成像效果分析

张雅声 戴桦宇 周海俊 赵双

摘 要： 目标识别问题是弹道导弹防御系统中的核心难题之一，红外成像仿真研究是目标探测与识别的重要手段。为此，建立天基红外传感器对大气层外弹道式目标点源成像模型，利用STK/EOIR模块，从天基传感器相机参数和目标特性两个方面仿真空间目标的红外成像效果，重点分析相机的视线抖动、相机系统噪声以及不同波段等因素对目标的成像效果影响。所得结果能够为基于红外辐射特性的空间目标识别技术研究提供数据支持。

关键词： 天基红外传感器； 空间目标； 红外成像； STK/EOIR； 视线抖动； 系统噪声

中图分类号： TN214?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）22?0005?04

Abstract： The target recognition problem is one of the core difficulties of the ballistic missile defense system， and the infrared imaging simulation research is an important means of target detection and recognition. The point?source imaging model of the ballistic target above the atmosphere is established by using the space?based infrared sensor. The STK/EOIR module is used to simulate the infrared imaging effect of the space target from two aspects of camera parameters of the space?based sensor and target features. Influences of factors such as camera′s line?of?sight jitter， camera system noise and different wave bands on the imaging effect of the target are emphatically analyzed. The obtained results can provide data support for the research on space target recognition technology based on infrared radiation features.

Keywords： space?based infrared sensor； space target； infrared imaging； STK/EOIR； line?of?sight jitter； system noise

天基红外传感器对空间目标的红外成像是导弹防御系统信息处理的关键和基础。国外也已经从简单的目标成像发展到加入各不同影响因素情况下的多种运动状态红外成像，并研制出了较为成熟的系统可视化仿真软件[1?6]。国内在该领域也取得了不少研究成果，但是在仿真计算中所考虑的因素以及模型精度等方面还比较有限[7?11]。本文通过构建传感器对目标动态成像仿真模型架构，充分考虑了传感器、目标物体和环境之间的相互作用，开展基于STK/EOIR模块的天基红外传感器对空间目标的红外成像仿真研究，结果可为天基预警探测、目标检测与识别提供较为精确的成像仿真数据支持。

1 点源成像模型

低轨预警系统的传感器对中段目标是点源成像还是面源成像，与目标的尺寸大小、传感器的空间分辨率有关[11]。目标在传感器焦平面上的成像效果可以通过目标对传感器像元的投影立体角来判断。目标在传感器视场中的投影立体角可以近似表示为：

2 仿真实验与结果分析

2.1 STK/EOIR模块

STK/EOIR是由Space Dynamics Lab（SDL）開发的光电红外探测模块，可用于空间目标的探测、跟踪、成像等，主要应用领域包括对地观测、弹道导弹防御、空间预警以及太阳系内的空间探测研究[12]。

用户可以对所用的光电红外传感器进行探测、跟踪和成像建模及相应的性能参数定义。STK/EOIR充分考虑了传感器、目标物体和环境之间的相互作用，建立了高可信度的无线电传感器模型，用户使用STK/EOIR模块可以进行集成一体化的传感器与任务设计。EOIR可以较好地应用于本文中的红外传感器对空间目标的成像仿真研究。

2.2 仿真流程

本文构建的天基红外传感器对空间目标的成像仿真流程如图1所示。

图1给出天基红外传感器对空间目标的成像仿真流程图。仿真构架包括卫星的轨姿运动模块、传感器成像模块、目标红外辐射模块等。基于本文构建的红外成像仿真构架，开展天基红外传感器对空间目标的红外成像仿真与分析。

天基红外传感器对空间目标（群）的成像仿真参数设置如下：

1） 传感器参数设置。平台的传感器参数设置参考“弹道中段空间试验”（Midcourse Spaced Experiment，MSX）卫星所携带的光学测量载荷“太空红外成像望远镜”（SPIRIT Ⅲ）给出的参数[13]，红外探测波段分别为：6.03～10.91 ?m（中波），11.1～13.24 ?m（中长波），13.5～16 ?m（长波）。传感器其他参数如表1所示。

2） 空间目标群设置。设空间目标分别为导弹目标与诱饵目标构成目标群，导弹形状为圆锥形弹头与圆柱形弹体组合而成，诱饵则设计成球形。根据文献[14?15]中材质的平衡温度计算结果分别设定各目标在中段飞行过程中的平衡温度及材质属性，如表2所示。

3） 目标轨道参数。设导弹的发射点为（78.69°E，46.12°N）；落地点为（110.65°E，67.36°N）。导弹采用弹道式飞行，最大飞行高度为1 000 km，射程约为5 000 km。對大气层外某一时间段进行仿真，诱饵与弹头的飞行轨迹近似相同。

4） 目标姿态运动参数[16]：导弹旋转速率为[20 revs/min]，进动速率为[3 revs/min]，进动角为5°；诱饵旋转速率为[28 revsmin]，进动速率为[4 revs/min]，进动角为8°。

2.3 仿真结果与分析

1） 传感器视线轴抖振对成像效果影响。首先利用传感器对空间弹头目标进行观察成像，在成像过程中设目标始终在传感器光轴所指方向。传感器视线轴抖振幅度为0 mard时，单个空间目标的红外成像效果图如图2所示。从图2可以看出，在理想情况下，即传感器视线轴不存在抖振时，目标的红外成像都主要集中在传感器视场中央以点源目标的形式呈现出来，并且能明显看出弹头目标的红外辐射能量主要聚集在传感器视场中心的像素点内。

此外，不同波段所体现出的目标红外成像效果也不尽相同，主要体现在以下两个方面：首先是在中波成像的视场焦平面上能够看到除弹头之外的其他较为模糊的像素点，这可能是太空碎片或者恒星。而在其他波段这些碎片（恒星）却体现的并不明显，这是因为在中长波及长波波段，目标被背景噪声所淹没；其次，在本文仿真条件下，能够明显看出目标在中波成像视场内的像素效果要好于中长波及长波，弹头目标的成像亮度要更加强烈。

将传感器的视线抖动幅度设置为5 mard，其他参数不变，弹头目标在传感器焦平面的成像如图3所示。

从图3可以看出，在传感器视场焦平面上空间目标成像效果不再是由一个像素点组成，而是以投影点为中心的周围几个像素点共同形成。造成这个现象的原因主要是视线抖振的影响，空间目标在传感器焦平面上的投影位置在邻近的像素上产生变化，在相同积分时间内，目标的辐射能量也分布到了这些像素点上。在本文仿真条件下，天基红外传感器输出的成像效果是经过自适应增益控制处理后的焦平面图像。图3相比图2，虽然目标的成像效果更加清晰，并不代表图3的成像质量更高。实际上，与图3像素点相比，图2的成像质量更高。这是由于在图2中目标的辐射能量聚集在中心像素点，目标信噪比较高，有利于目标检测处理；而在图3中添加了红外传感器的视线抖动幅度，导致图3目标的辐射能量分散到周围多个像元，降低了传感器的信噪比，不利于目标的检测处理。

2） 传感器系统噪声对成像效果的影响。考察传感器噪声等效辐照度（Noise Equivalent Irradiance，NEI）和饱和等效辐照度（Saturation Equivalent Irradiance，SEI）对空间目标红外成像效果的影响。在图2的基础上，分别调整传感器NEI和SEI的参数值。图4是当[NEI=1×10-20 W/cm2]和[SEI=3×10-20 W/cm2]的成像效果。

在图2的基础上，分别调整传感器NEI和SEI的参数值。通过仿真可以发现，NEI是影响传感器对空间目标红外成像效果的主要因素。因此，可以通过降低传感器的等效噪声辐照度来提高传感器对空间目标的成像质量，这也为设计与制造红外传感器关键器件提供了思路。

3） 传感器对目标群的成像分析。导弹目标在飞行过程中，周围会有其他干扰目标伴飞。设一次性抛洒10个干扰物，把弹头包裹在中心，形成一个目标群。这些干扰物材质包含白色热控材料、铝漆、黑漆、石墨敷层、抛光金片、银质敷层以及可自定义发射率和反射率的灰体；类型有诱饵、碎片、母舱等；形状为圆锥、圆柱、圆形、立方体等。利用天基红外传感器对其进行跟踪成像，设传感器光轴指向始终指向目标中心（弹头）。图5为传感器在中波红外条件下所获取的目标群成像示意图。

在目标释放后初始的一段时间内，由于目标相互之间距离很近且传感器与目标的距离很远，目标群在传感器焦平面上的图像为一块无法分辨的亮斑；随着目标群的逐渐扩散，传感器得以逐渐分辨出其中的部分目标。从图5可以看出，当空间目标在阴影区飞行时，随着目标表面温度的逐渐降低，焦平面图像中各目标的亮度也逐渐变弱，甚至有一些目标会淹没在图像背景噪声中；而当目标进入阳光区飞行时，由于阳光对目标表面的加热效应，目标的表面红外辐射强度增加，目标又能够重新被传感器检测到。随着时间推移，像斑在传感器视场中会发生分裂、融合以及再分裂、再融合等现象。出现这种现象的一个重要原因是：观测平台与目标群处于高速运动状态，传感器视场对目标群的观测角度不断发生变化，使得目标在传感器焦平面上的投影位置发生改变，从而导致像斑数目的减少或增加。

3 结 论

本文通过建立天基红外传感器对大气层外弹道式目标点源成像模型，利用STK/EOIR模块分别仿真分析了天基红外传感器视线轴抖振、传感器等效噪声辐照度水平等因素对空间目标/群动态成像效果的影响，所得结果能够为基于红外辐射特性的空间目标识别技术研究提供数据支持。

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