红外双波段被动测距技术研究

王少白 宋璐

摘 要：【目的】为了解决单纯红外探测无法直接获取距离信息的问题，对红外双波段被动测距技术展开研究。【方法】利用目标的红外双波段辐射强度比值随大气衰减变化情况不同的原理，通过解算可获得目标距离信息。【结果】本研究对国内外红外双波段被动测距的相关研究成果进行总结，并对其关键技术和后续应用进行分析。【结论】红外双波段被动测距技术可实现空中目标的单站测距定位，具有一定的研究意义。

关键词：红外；双波段；被动测距

中图分类号：TN219                  文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）06-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.002

Research on the Technology of Infrared Dual-Band Passive Ranging

WANG Shaobai1 SONG Lu2

（1.Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China; 2.School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the distance information cannot be obtained directly by infrared detection alone， studies the infrared dual-band passive ranging technology. [Methods] Based on the principle that the ratio of infrared dual-band radiation intensity of the target varies with atmospheric attenuation， the target distance information can be obtained by calculation. [Findings] This study summarizes the relevant research results of infrared dual-band passive ranging at home and abroad， and analyzes its key technologies and subsequent applications. [Conclusions] The infrared dual-band passive ranging technology can realize the single-station ranging and positioning of aerial targets， which has certain research significance.

Keywords：infrared; dual-band; passive ranging

0 引言

紅外系统是利用背景和目标在红外波段辐射量上的差异来实现对目标的探测，其具有分辨率高、隐蔽探测、不受传统电磁干扰影响等优势。但红外探测的二维成像探测原理决定其不能直接用于获取目标的距离信息，还要结合雷达、激光等主动辐射系统才能实现对目标的测距［1］。而雷达、激光等主动测距系统一旦主动辐射雷达波或激光光束，很容易被敌方探测并定位，并有可能遭受敌方的打击。因此，只依靠红外被动探测技术来实现对目标的测距定位具有重要意义，世界各国均开展了被动测距技术的相关研究。

双波段被动测距是利用目标不同红外波段的辐射经大气传输衰减后辐射强度之比不同的原理，通过对辐射量测量和数据的处理，得到目标的相对距离。空中目标（如导弹、飞机等）在蒙皮与大气摩擦生热或发动机尾焰喷射过程中，会不断向外辐射宽谱红外能量，而不同波段的辐射经大气衰减的程度不同。因此，红外系统探测到的辐射强度比值也会随距离的变化而有所不同，通过不同波段的辐射量比值就能计算出距离的远近。通过特定的数据测量和处理手段，就能得到相应的距离信息，从而完成对目标的红外被动定位［2］。

1 国外研究进展

1.1 美国国防部研究所

1994年，Jeffrey等［3］基于目标在双波段的不同照度信息提出一种被动测距的方法，并将其应用于战略导弹被动段测距系统中。其红外系统共有两个波段，通过对比不同波段的红外辐射量来完成对目标的测距。目标距离的计算公式见式（1）。

式中：[L0]为初始迭代距离。

[L']的计算公式见式（2）。

式中：C为目标双波段辐射量之比；B为红外系统探测到的不同波段辐射量之比；[T1]、[T2]分别为相应波段的大气衰减因子；h、[H]分别为大气模型中相关常数。在上述变量中，辐射量之比、大气衰减等因素的精度会影响到测量结果的准确程度。

1999年，美国国防工业科研机构使用上述方法对其测距进行研究和试验，见式（3）［4］。

式中：[C=Sλ2Sλ1]，[Sλi]为目标在相应波段的辐射强度；[Δταλi，h，R=exp [-（αλ2-αλ1）ρ0hMhTe-h/HcosφdR]]为大气透过率，其中[αλi]、[ρ0]、h、H均为大气模型参数，hT和hM分别为目标的高度和载机的高度；[Aλi=SλiΔ?R2Δτ（αλi，h，R）]，其中[Δ?]为传感器的瞬时视场角，R为目标距离。

1.2 加拿大安大略省SPAR航空航天公司

1994年，加拿大安大略省SPAR航空航天公司的Dennis等［5］申请美国专利，其推导出的双波段被动测距公式见式（4）。

式中：[λi]为相应波长；[NT（λ）]为目标辐射亮度；[NBB（λ，Ta）]为背景辐射亮度；[Ta]为背景温度；[αi，j]、[βi，j]为大气模型参数。

1.3 韩国先进科学与技术协会

2013年，韩国先进科学与技术协会的Cho等［6］对大气中红外目标的被动测距技术进行研究。根据大气吸收和散射的特性，并结合黑体辐射定理，给出距离d和温度T的计算公式，见式（5）。

式中：[LT（λ）]为探测器接收到的光谱辐照度；[ελLbb（λ，TT）]为目标近似为灰体的辐出射度；[τλ]为透射率；[Lbbλ，TT=c1λ5（1ec2/λT-1）]，c1和c2为普朗克公式中常数。

由多个波长的测量结果，通过计算即可得到距离和温度。该研究团队进一步分析得到最佳的测试条件，即目标温度为500 K、距离为2 000 m、辐射标准差为0.02、辐射率为0.7。在此条件下，测距误差小于10%（95%置信概率）。

2 国内研究进展

2.1 西安电子科技大学

西安电子科技大学的付小宁［2］自2002年开始研究红外被动测距方法。2006年，该团队提出一种新的测距算法，其认为前后时刻内远距离点源目标的辐射强度不变，在美国海军大气模型的基础上，利用目标辐照度分别得到中波和长波波段的目标距离计算公式［7］，见式（6）。

式中：[E1n]、[E1（n+1）]、[E2n]、[E2（n+1）]均为观测量；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]为按现场情况选定的海军红外辐射传输模型参数；[Rn]、[Rn+1]为连续兩次测量时的目标距离未知数。因此，上述方程组可解。经研究后认为该方法的可行性要优于使用大气消光系数的计算方法。根据仿真分析的结果，当辐照度的测量误差为5%时，在1～22 km的距离，估计误差要小于5%。

2007年，该研究团队在原有研究的基础上，进一步利用不同波段对比度差异，从而进行被动测距［8］。结合系统瞬时视场，以美国海军大气模型为基础来计算大气衰减，从而得到中波和长波波段下对比度与目标距离之间的函数关系，见式（7）。

式中：[Cmn]为观测对比度；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]为按现场情况选定的海军红外辐射传输模型参数；[Ri]为距离。

2.2 电子工程学院

电子工程学院的路远等［9］自2003年开始研究红外被动测距方法。2003年，该团队对红外辐射双色比值的大气传输进行研究，基于大气消光系数，根据目标辐射量来计算目标距离，并给出典型空中目标在不同波段比值经大气衰减的变化趋势图。研究认为，消光系数与波长紧密相关，分别受吸收和散射效应的影响。因此，消光系数[μλ]的计算见式（8）。

式中：[μa]、[μs]分别为吸收系数和散射系数。

由吸收和散射造成的大气透射比的计算见式（9）。

分别测量得到中波和长波波段的辐射量，即可求解出目标距离，见式（10）。

式中：[?10]为第一波段第一次测量到的辐射通量；[?11]为第一波段第二次测量到的辐射通量；[?20]、[?21与?10]、[?11]类似。根据公式（10）即可计算得到[R1]、[R2]。

2012—2013年，该团队使用比色法对空中目标进行测距研究，得到不同波段内目标辐射强度之比随目标温度、距离、大气消光系数等因素变化的理论公式［10-11］。通过研究可知，大气状态在较短的时间间隔内的变化可忽略不计，则消光系数为恒值。通过测量三个不同波段的辐射量之比，进一步计算得到目标距离，见式（11）。

式中：[?为]接收到的辐射通量；[λ]为波长；[T]为物体的开氏温度；[C2]为普朗克公式中第二辐射常数；[μ]为消光系数；R为目标距离。

对公式（11）中的方程组进行求解，得到目标的距离和温度。由于该方程组较为复杂，难以获得相应的解析解。因此，可对其进行转化，将R写为[T]的函数，见式（12）。

用公式（12）中的方程组作两条距离R关于T的曲线，则曲线交点处的横纵坐标即为目标温度和目标距离。

2.3 国防科技大学

2007年，国防科技大学的白学福等［12］对红外双波段被动测距技术进行研究。该研究团队利用3～5 μm和8～12 μm两个大气窗口进行红外被动测距研究。设3～5 μm的波段为1波段，8～12 μm的波段为2波段，则二者之间的计算公式见式（13）。

式中：[pn（i）]为第n波段第i时刻测量的目标光谱辐射功率；[R（i）]为第i时刻目标距离。

进一步求解即可得到目标距离，见式（14）。

只用测量出前后两组辐射的功率之比，就可得到目标距离，不用计算具体的辐射量值。

2010年，国防科技大学杨德贵等［13］利用红外面目标在不同波段的图像，对目标距离和温度的表达式进行研究。假设对目标区域内的同一位置A，其表观温度相同（设为[TA]），目标区域距离探测器的距离记为[rA]，在中波和长波红外传感器图像中此区域的辐亮度分别为[LM]和[LL]，大气温度为[Tα]，中波和长波波段的大气消光系数分别为[μM]和[μL]，相关计算公式见式（15）。

由此可求得目标区域与探测器的距离和表观温度，见式（16）。

3 关键技术分析

双波段测距的关键包括建立测距模型、测距误差控制。

3.1 建立测距模型

经过大气传输后到达观测系统的目标红外辐射，其衰减效应可用目标相对距离的函数来表示。在该函数的基础上，可通过辐射测量来实现对目标距离的定位。研究人员据此推导出不同的计算公式，包括基于强度的被动测距算法、基于对比度的被动测距算法、基于初始距离已知的被动测距算法，而每种算法所使用的大气传输模型可能是基于比尔-朗伯定律，也可能是基于美国海军R400数据库的实测结果。根据选择的计算公式和大气模型的不同，得到的测距结果也有所差异。因此，测距模型的选取和优化是双波段测距的关键，应对其进行择优选择，从而提高测距精度。

3.2 测距误差控制

在红外双波段被动测距公式中，主要涉及大气消光系数、由传感器测量得到的红外光强度。大气消光系数与实时的大气状态密切相关，各种气象条件（如阴、晴、雾、雨、雪、霾等）的变化，都会导致消光系数发生变化。对于固定的气象条件，大气透过率也会因时间或地点的不同而发生很大变化，对于恶化的环境条件和超长的传输途径，大气透过率的差异会更大。因此，大气消光系数是一个非常重要的误差源。红外传感器的输出受其灵敏度、非均匀性、暗电流的影响，从而产生不同程度的噪声，即传感器的测量结果同样存在误差，最终影响测量精度。

4 结语

根据文献报道分析，目前对红外双波段被动测距技术的研究仍处于实验室阶段（含外场试验），未发现实际地基、机载或舰载装备的真实应用案例。对机载应用而言，若能将二者结合，可得到态势预警信息，通过双波段红外被动测距和被动测角的定位来估算出态势级的距离，距离误差即使在5～10 km量级，对辅助飞行员进行态势判断和战术选取也有着一定的实际意义。对受装机条件限制而无法实现双波段系统的产品，可考虑将单波段红外辐射特性测量和单机被动测角定位的算法进行结合，从而实现粗态势级的距离估计，但还要进一步开展理论分析和试验试飞的相关工作。

参考文献：

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［3］JEFFREY W，DRAPER J S，GOBEL R. Monocular passive ranging［C］//Proceedings of IRIS Meeting of Specialty Group on Targets，Backgrounds and Discrimination，1994，3：113-130.

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［8］付小宁，赵赓，刘上乾.基于对比度的双波段被动红外测距［J］.激光与红外，2007（6）：517-519.

［9］路远，凌永顺，樊祥.目标红外辐射双色比值的大气传输研究［J］.红外技术，2003（1）：40-43.

［10］路远，冯云松，凌永顺，等.红外三色被动测距［J］.光学精密工程，2012（12）：2680-2685.

［11］乔亚，路远，杨华.红外双色单站被动定位方法［J］.半导体光电，2014（1）：100-103.

［12］白学福.基于舰载红外警戒系统的被动测距技术研究［D］.长沙：国防科技大学，2007.

［13］杨德贵，黎湘，肖顺平.基于单站双波段红外图像的面目标被动测距研究［J］.信号处理，2010（5）：715-718.