基于能量利用效率的红外点目标作用距离公式改进研究

李林林

中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471009

0 引言

随着第4代隐身战机的装备和投入使用,对雷达探测隐身目标的探测和感知已成为未来空战的必然要求。虽然传统的雷达等机载射频传感器也通过不断改进来提升对隐身目标的探测能力,但由于理论和工程限制,提升效果有限。与此同时,作为光电被动传感器的机载红外搜索跟踪(IRST)系统正被越来越多的设计者关注,该系统依靠飞机高速飞行时的蒙皮气动加热和发动机尾焰产生的红外辐射来对目标进行远距探测,不主动发射电磁波,且具有很高的探测概率和角精度,能够协助载机在现代空战中做到“先敌发现、先敌攻击”,因此,IRST系统是现代战机的关键装备之一[1-2]。

IRST系统设计的核心是系统的探测性能,反映到指标上就是系统的作用距离。由于探测距离远,IRST系统探测的目标为典型的红外点目标。在探测红外点目标时,系统作用距离与目标的辐射强度、大气透过情况、光学系统设计参数、探测器性能参数、图像目标检测算法和信噪比等均有关系。作为一个完善的点目标作用距离公式,必须能够正确地反映以上诸多因素的影响,源于20世纪70年代的小哈德逊公式正是这样一个公式,直至目前也被广泛采纳和认可。然而,40多年前提出的经典公式在技术上的局限性也逐步体现出来,尤其是随着红外探测器技术的发展,目前IRST系统的核心探测部件——红外探测器从最开始的单元探测器发展为多个探测元组成的面阵凝视型探测器,大幅提升了系统的空间分辨能力,但受探测器制备工艺限制,造成目标的红外辐射能量无法被探测器完全吸收,而小哈德逊公式并未考虑这一因素,因此,需要对公式进行相应的改进,使其更加贴近当前的工程应用实际,更好地指导系统的设计。

1 红外点目标作用距离公式

IRST系统探测红外点目标的工作原理为:目标的红外辐射首先经过大气传输到达IRST的光学系统前端,然后光学系统将目标和背景的辐射会聚到探测器焦平面上,生成红外图像,经过对红外图像的信息处理,完成目标检出,再对目标检出结果进行数据处理,完成目标识别和决策,形成最终的上报目标信息。具体如图1所示。

I为目标辐射强度;Ωopt为目标对系统张角;Aopt为光学入射面积,Ad为探测器像元面积。

到达探测器焦平面的目标红外辐射功率为:

(1)

式中:τopt为光学系统透过率,τatm为目标和IRST系统之间的大气透过率。探测器焦平面接收到目标红外辐射后,产生信号电压Vs为:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)即为经典的小哈德逊公式[3],通过该公式,可以得到IRST系统的作用距离模型,如图2所示。

图2 IRST作用距离模型

通过图2可以看到经典的小哈德逊公式反映了系统作用距离与目标辐射强度、大气透过情况、光学系统设计参数、探测器性能参数、图像目标检测算法和信噪比的关系,为IRST系统各个环节的设计提供了参考依据。

小哈德逊公式提出时的红外技术,尤其是作为核心器件的红外探测器技术,受到材料和加工工艺的诸多因素的限制,仅有一个或几个面积较大的探测元,系统直接测量探测元上的信号电压Vs来判断有无目标存在,通过光学系统设计,目标的红外辐射能量能够100%地被某个探测元接收,此时,小哈德逊公式能很好地反映系统的综合性能。

随着红外探测器技术的发展,单个探测器探测元数量成倍增加,目前面阵凝视型红外探测器探测元数量已经发展到百万级别。同时,系统探测目标也不是直接测量探测元上的信号电压,而是通过对每个探测元上的电压信号进行采样和模数转换,生成高分辨率的红外图像,然后在数字图像中完成对目标的检出和识别。在这种情况下,由于探测元数量多且面积小,即使是点目标,也能够覆盖一个或多个像素,且由于探测器制备工艺限制,在不同的探测元之间也存在响应盲区,造成目标的红外辐射不能100%地被某个探测元接收,也就存在红外辐射能量利用效率达不到100%的问题,小哈德逊公式并没有反映该能量利用效率。因此,本文引入能量利用效率参数,对作用距离模型进行修正,以期更准确地反映系统实际。

2 能量利用效率的概念和模型

对图1进行适当的修改,就可以得到IRST系统红外点目标探测时的能量利用效率模型,如图3所示。

图3 IRST红外点目标探测能量利用效率示意图

从图3中可以看到,由于实际的光学系统衍射、像差和色差的存在,理想点目标在探测器像面上的像并不是一个点,而是一个弥散斑。目标在探测器焦平面会聚形成的光斑会被不同的探测元同时接收。由于不同的探测元之间存在响应盲区,目标的总能量亦有所损失。这里首先定义输出信号最强的探测器像元接收到的目标辐射功率与探测器接收到的目标总辐射功率的比为能量利用效率,用η表示。在红外成像系统中,目标等概率处于视场的任意位置,意味着目标像点中心在探测器像面上的分布是均匀随机的。目标光斑出现在焦平面的不同位置,例如目标光斑中心落在某个探测元的中心或是几个探测元之间的位置,其能量利用效率也存在差别。因此,对于特定的系统和特定的目标,能量利用效率也不是一个固定值,而是存在一定的概率分布。若能量利用效率大于η0的概率为A,则称η0为概率A下的探测器能量利用效率,此时单个像元接收到的最大辐射功率为:

(7)

用式(7)替换式(1),就可以得到能量利用效率修正后的作用距离公式:

(8)

进而得到修正后的作用距离的模型,如图4所示。

图4 修正后的IRST作用距离模型

3 仿真测试和验证

3.1 系统参数和仿真方法

为对能量利用效率参数开展仿真测试,首先要确定面阵型IRST系统相关参数。本文选取的系统相关参数如表1所示。

表1 系统相关参数

基于表1的系统参数,采用Monte-Carlo方法进行仿真实验。首先对目标光斑出现在探测器中心和边缘视场分布情况建模,然后依据光学系统设计参数和实际系统的光学传递函数(MTF)测试结果,得到目标在探测器像面上的弥散情况,再依据定义计算能量利用效率,得到能量利用效率的概率分布曲线。

3.2 能量利用效率参数确认

依据上述方法开展仿真试验,得到能量利用效率的概率分布曲线,并对曲线进行拟合,结果如图5所示。

图5 能量利用效率仿真曲线

图5中,横轴x代表能量利用效率η0,纵轴y代表能量利用效率η≥η0的概率。根据曲线可知,随着能量利用效率下限η0的增加,η≥η0的概率逐渐减小。在平均概率下(发生概率50%),系统的能量利用效率在轴上视场为0.507 6,轴外视场为0.378。

3.3 实际系统测试验证

利用表1的参数设计实际的系统,搭建专业的灵敏度测试环境[4],测得该IRST系统对红外目标的检测灵敏度,然后将测试结果根据IRST性能模型进行指标折算[5],得到系统的作用距离。然后将系统参数和加入能量利用效率的系统参数分别代入作用距离式(6)(8),得到改进前和能量利用效率参数修正后的作用距离参数,并与测试得到的系统作用距离进行比较,结果如表2所示。

表2 实际系统测试值与计算结果比较

从表2中的数据可知,没有经过改进的公式计算得到的作用距离是37.2 km,与系统实际偏差较大,而经过能量利用效率参数修正改进后计算得到的作用距离是23.9 km,与系统实测灵敏度后折算的距离19.2 km偏差较小,改进公式后的作用距离计算结果和实际系统的测试结果更为接近,验证了能量利用效率参数引入作用距离公式的有效性。

4 结束语

在IRST系统作用距离计算中引入了能量利用效率的概念和模型,对经典的小哈德逊公式进行了修正,改进后的公式通过仿真试验和实际系统测试结果完成了验证,说明作用距离公式中的能量利用效率参数修正是有效的。后续还需要通过系统在实际环境下的试验和试飞进一步改进能量利用效率参数的计算方法。