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红外侦察告警设备作用距离等效折算方法研究pdf

归档日期:07-09       文本归类:红外侦察      文章编辑:爱尚语录

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  独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名: 日期: 年 月 日 论 文 使 用 授 权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 3 万方数据 摘 要 摘 要 红外侦察告警设备是光电对抗设备的重要组成部分,它用于对飞机、导弹等 威胁目标进行预警、侦察和识别,并精确测定威胁目标的来袭方向,为光电干扰 提供目标指示信息。作用距离是红外侦察告警设备一项至关重要的性能指标,一 般采用动态飞行实验方法进行考核。飞行实验只能获得特定气象条件下的作用距 离,为评估红外侦察告警设备在不同气象条件下作用距离,需要开展等效折算方 法研究。 本文针对红外侦察告警设备作用距离指标实验评估应用需求,首先对红外侦 察告警系统实测红外图像数据进行分析,采用图像去噪及去卷积算法,并将九模 板算法的判别准则加以改进,用于红外侦察告警系统弱小目标图像分割,并采用 实时定标方法获取红外侦察告警设备的定标系数,处理获得目标红外辐射特性; 而后,从红外侦察告警设备波段辐射特性测量方程出发,考虑大气衰减、大气路 径辐射、点目标情况下像元中背景辐射以及目标真实辐射亮度的修正等,得到目 标表观辐射亮度以及目标背景表观辐射亮度差折算方法;采用大气辐射传输软件 理论计算了不同温度、湿度、能见度、大气压强以及方位角和俯仰角对天空背景 红外辐射亮度和透过率的影响,给出了不同气象条件下天空背景红外辐射亮度等 效折算公式;最后,编写了红外侦察告警设备数字图像等效折算程序,对动态飞 行实验图像进行了等效折算,并采用作用距离等效折算数字图像注入式仿真实验 方法,将等效折算到不同气象条件下的红外数字图像序列通过红外数字图像注入 接口设备注入到实际红外侦察告警设备,判读作用距离并与飞行实验结果进行比 对,初步实现了针对相同目标及其飞行航线、不同典型气象条件下长波红外侦察 告警设备作用距离的等效折算评估。 本文工作可以完善和丰富红外侦察告警设备作用距离实验评估方法,并可直 接应用于红外侦察告警设备实验,支持红外侦察告警设备作用距离指标实验评估, 有效降低飞行实验的周期和成本,并为红外侦察告警设备作战应用提供辅助决策 和战术参考。 关键词:红外侦察告警,作用距离,等效折算,注入式仿真 I 万方数据 ABSTRACT ABSTRACT The IR warning-reconnaissance system which is one of key components of the Electro-optical countermeasure equipment is always employed for reconnoitring, identifying and giving warning of approaching threats such as aircrafts and missles. Besides, it is aslo used to indicate accurate direction of the threats and give leading information for Electro-optical countermeasures. The most important performance index of IR warning-reconnaissance systems is operating distance which has been usually assessed by flying tests in open fields. However, this method can only evaluate operating distance on some typical weather conditions. It is necessary to find a practical method to evaluate the index on different weather conditions. This paper focuses on the demands of the tests and assessments of the operating distance of IR warning-reconnaissance systems in test fields. Firstly, the methods of image filters and the development of nine-templates judge criteria are putting forward in the weak and tiny target image process, and the infrared radiations are calculated using the calibration coefficients which were obtained in real tests calibrating. Subsequently, the influences of atmospheric IR radiation transmittance attenuations, the path radiations, the atmospheric background radiations in tiny target images and the radiations of optical system are analyzed theoretically to find the equivalent calculation methods between the targets surface radiances and the image grey levels. Then the influences of temperature, humidity, visibility, pressure, azimuth and elevation on the sky background radiations and atmospheric transmittance are calculated using the atmospheric radiations and transmittance calculating codes, after that the equivalent calculation equations are presented. Finally, the programs for equivalent calculations of IR images are compiled which are subsequently used for real flying tests images. By the way of the digital image injecting tests, the equivalent images are injected into the IR warning-reconnaissance system through the I/O instrument to estimate the operating distance which is compared with the field test results. Based on those works, the equivalent calculations of operating distance of IR warning-reconnaissance systems on II 万方数据 ABSTRACT different weather conditions for the same targets and their flight routes are realized. The works of this paper which develop the methods of operating distance evaluating of IR warning-reconnaissance systems will be applied in the filed tests to reduce the costs. Moreover, it will be helpful for the tactical applications of IR warning-reconnaissance systems. KeyWords: IR Warning-Reconnaissance System, Operating Distance, Equivalent Calculation, Injection Simulation III 万方数据 目 录 目 录 第一章 绪 论 1 1.1 研究背景 1 1.2 项目实用价值 2 1.3 国内外研究动态 3 1.3.1 红外侦察告警设备作用距离评估问题的研究现状 3 1.3.2 红外数字图像注入式仿线 项目目标及论文内容 7 第二章 目标及背景红外辐射特性预处理还原方法 9 2.1 传感器噪声去除 9 2.1.1 3D 噪声模型 10 2.1.2 噪声的测量 12 2.1.3 噪声的去除 13 2.2 光学系统效应去除 15 2.2.1 去卷积算法 16 2.2.2 点扩散函数的确定 17 2.2.3 光学系统效应的去除 18 2.3 目标和背景的分离提取 19 2.3.1 人在回路目标潜在区域判断 20 2.3.2 九模板法提取目标边缘 21 2.3.3 自适应阈值法分离背景 24 2.4 目标和背景红外辐射特性的计算 25 2.4.1 红外侦察告警设备响应方程 25 2.4.2 目标和背景红外辐射特性测量方程 31 IV 万方数据 目 录 2.4.3 红外传感器定标和目标背景波段辐射特性计算 32 第三章 目标红外辐射特性在不同气象条件下等效折算方法 34 3.1 目标表观辐射亮度等效折算方法 34 3.1.1 目标表观辐射亮度折算方程 35 3.1.2 大气路径辐射概算 35 3.1.3 目标像元占空比因子计算 37 3.1.4 目标真实辐射亮度变化的修正 38 3.1.5 目标图像灰度值计算 40 3.2 目标背景表观辐射亮度差等效折算方法 41 3.2.1 目标背景表观辐射亮度差折算方程 42 3.2.2 目标背景灰度差值计算 44 3.3 目标表观辐射亮度和灰度值折算实例 44 第四章 天空背景红外辐射特性在不同气象条件下等效折算方法 46 4.1 天空背景红外辐射特性随不同气象条件的变化规律 46 4.1.1 天空背景辐射亮度、大气透过率与俯仰角、方位角的关系 48 4.1.2 天空背景辐射亮度、大气透过率与温度的关系 50 4.1.3 天空背景辐射亮度、大气透过率与湿度的关系 53 4.1.4 天空背景辐射亮度、大气透过率与能见度的关系 55 4.1.5 天空背景辐射亮度、大气透过率与大气压强的关系 57 4.2 天空背景在不同气象条件下红外辐射亮度等效折算方法 59 4.3 天空背景辐射亮度折算实例 62 第五章 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 红外数字图像等效折算程序及作用距离等效折算图像的生成 65 5.2 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 红外侦察告警数字图像等效折算 70 V 万方数据 目 录 5.3.2 作用距离等效折算数字图像注入式仿线 作用距离等效折算评估 73 第六章 总结 75 致 谢 76 参考文献 77 攻硕期间取得的研究成果 81 VI 万方数据 第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 研究背景 海湾战争以来,光电设备及光电精确制导武器的发展推动了光电对抗设备发 展,红外侦察告警设备作为光电对抗设备的重要组成部分,被广泛用于对飞机、 导弹等威胁目标进行预警、侦察和识别,并精确测定威胁目标的来袭方向,为光 [1] 电对抗设备提供目标指示信息 。 红外告警是利用目标自身红外辐射特性进行被动探测告警,主要是探测飞机 和导弹的主动段发动机尾焰(3~5μm)和高速弹体气动加热(8~14μm)的红外 辐射。根据成像方式的不同它分为扫描型和凝视型。扫描型的红外探测器采用线 列器件,靠光机扫描装置对特定空间进行扫描,发现目标。凝视型采用了红外焦 平面阵列器件,通过光学系统直接搜索特定空间。红外侦察设备在上级指挥所和 雷达情报信息的支援下,进行远距离、大范围、多批次的实时侦察告警,对目标 威胁进行初步排序,给出威胁目标的方位和俯仰信息,将信息上报指挥控制系统, [2] 并能自动引导和控制干扰发射,具有边搜索边跟踪处理和对付多个威胁的能力 。 红外侦察告警设备的主要战技指标包括作用距离、告警概率、虚警率、威胁 类型识别能力、威胁等级排序能力、多目标处理能力、反应时间和抗干扰能力等。 其中,作用距离是红外侦察告警设备最重要的战技指标,是指红外侦察告警设备 在特定的气象条件下,对特定的目标(包括航线要求),按照不小于规定概率所能 [3~4] 侦察告警的最大距离 。 当前,红外侦察告警设备作用距离评估,主要依赖动态飞行实验。由于动态 飞行实验时间跨度较大,不同飞行架次对应的气象条件是不同的,飞出的作用距 离也各不相同。而红外侦察告警设备作用距离指标往往是针对标准气象条件(一 般以温度、湿度、压强、能见度等参数定义)提出的。因此,利用动态飞行实验 对作用距离进行评估时,不能将某几种特定气象条件下飞出的作用距离简单地求 平均,而有必要通过等效折算,将各种特定气象条件下飞出的实测作用距离实验 数据,等效折算为指标要求的标准气象条件下的作用距离估计值,再综合评估。 此外,红外侦察告警设备在实际作战时所面临的战场气象条件是复杂多样的,因 此,需要通过作用距离等效折算将实验结果外推到各种实战气象条件下,预测红 1 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 外侦察告警设备的作战性能。 红外侦察告警设备作用距离的等效折算方法,涉及到目标红外辐射特性、天 空背景红外辐射特性、红外辐射大气传输机理、红外成像系统的工作原理等,需 [5] 要研究的内容十分复杂 ,目前国内研究较少。大部分研究工作集中在对红外成 像系统作用距离的估计,主要应用于红外系统设计阶段,一般采用基于信噪比 [6~9] (Vs/Vn)判据的红外作用距离公式 进行理论计算,得到的是理想条件下的作用 距离,难以保证红外成像系统作用距离评估精度,且以信噪比为判据,无法充分 描述复杂背景和目标几何、运动特性等信息的影响,也不能考核红外侦察告警设 备所采用的各种复杂的图像信息处理算法。因此,论文采用数字图像注入式仿真 实验方法来进行红外侦察告警设备作用距离等效折算。所采用的数字图像来源于 大量动态飞行实拍红外图像,经过目标和背景红外特性预处理、等效折算、传感 器效应转换后,注入到红外侦察告警设备信息处理机中,评估其在不同气象条件 下的作用距离。 1.2 项目实用价值 作用距离是红外侦察告警设备至关重要的战技指标,其表现与气象条件密切 相关,对红外侦察告警设备在不同气象条件下的作用距离进行评估有非常迫切的 实验应用需求。红外侦察告警设备作用距离评估方法包括飞行实验和数学公式理 论计算两种方法。飞行实验只能获得设备在特定气象条件下的作用距离表现,数 学公式理论计算方法难以考核红外侦察告警设备所采用的复杂图像处理算法。因 此,不同气象条件下作用距离的等效折算成为红外侦察告警设备实验中急待解决 的技术难题。 论文初步建立了不同气象条件下迎头飞机在红外侦察告警设备中表观辐射亮 度等效折算方法、电影回放式的作用距离等效折算注入式仿真实验方法,完善和 丰富了红外侦察告警设备作用距离实验评估方法。 论文工作结合相关实验任务,获取了实验数据,编写了红外侦察告警设备数 字图像等效折算程序,开展了作用距离等效折算数字图像注入式仿真实验,初步 实现了某型红外侦察告警设备针对相同目标及其飞行航线、不同典型气象条件下 作用距离的等效折算。 论文研究成果可以直接应用于红外侦察告警设备作用距离战技指标实验评 估,解决实验急需,有效降低飞行实验周期和成本。通过等效折算,可将实验结 2 万方数据 第一章 绪论 果外推到更复杂的气象条件环境下,预估设备在各种实战气象条件下的作用距离, 为红外侦察告警设备战术部署和作战决策提供参考。 论文给出的不同气象条件下迎头飞机在红外侦察告警系统中表观辐射亮度等 效折算方法以及电影回放式的作用距离等效折算注入式仿真实验方法,对国内设 备生产部门开展红外侦察告警设备研制、实验具有借鉴和参考价值,对红外成像 制导武器、红外捕获跟踪设备等其它红外设备实验评估同样具有重要的借鉴和参 考价值。 论文研究成果还将应用于“十二五”期间其它光电对抗设备实验任务红外侦 察告警系统作用距离指标的评估。 1.3 国内外研究动态 1.3.1 红外侦察告警设备作用距离评估问题的研究现状 红外侦察告警设备作用距离应满足以下条件:其一,目标的成像尺寸应大于 1 个像素,即目标成像占有一定的像元数。这一条件是为了避免噪声点引起的虚 警,确保对目标的可靠跟踪测量,因为与可见光图像相比,红外图像的噪声严重 得多,红外侦察告警设备在进行目标识别前,一般需要作去噪预处理,目标的成 像尺寸仅为 1 个像素,容易被当作噪声被滤掉。实际应用中,这一条件一般能够 满足,即使目标再小,由于光学像差、大气抖动、系统振动、目标的相对运动等 [10] 因素引起的光学弥散 ,也使得目标成像对应的像素数大于 1;其二,在不考虑 背景的条件下,探测器接收到的目标辐射功率满足信号探测处理的最低要求,亦 即目标在探测器靶面上的辐照度满足最低要求,这是基于噪声限的条件,基于噪 声限得出的作用距离是理想值;其三,目标和背景在探测器靶面上的对比度满足 最低要求(基于人眼视觉的判据),可以用于计算红外成像系统的发现距离;其四, 目标像所在像元和背景像所在像元的灰度差值与噪声灰度值的比要大于一定量, 这是基于信噪比的条件,红外成像系统的信号处理过程,一般依据这一条件。这 四个条件,越来越苛刻,一般满足后面的条件,前面的条件肯定能满足。 红外侦察告警设备作用距离等效折算问题,显然应该首先从红外成像系统作 用距离公式出发,进行充分的剖析之后开始研究。不同应用场合的红外成像系统 作用距离公式采用不同的判据。常见的建立红外系统作用距离模型的方法有三种: 1) 基于传递函数[10] [ 11] ;2) 基于对比度[12~14] ;3) 基于信噪比(Vs/Vn) [6~9] 。对第一 3 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 种方法来说,各分系统的传递函数难以准确获取;第二种方法则是用于人眼观察 的成像系统。根据光电对抗设备红外成像系统的特点,一般采用基于信噪比的方 法来建模,红外成像系统作用距离等效折算公式的推导,也要采用基于信噪比的 方法来建模。 [6] [7] 目标为点源的红外成像系统作用距离公式,R.D.小哈德森 、Ekstrand B. 、 [8] [9] 陈玻若 、柴金广 等人在其专著中都有详细的描述,该公式应用的前提是:系 统的噪声仅受探测器噪声的限制。公式还可采用工程近似方法,也就是将与波长 有关的各项用它们在系统光谱通带内的平均值来代替,这一公式形式比较适合于 红外成像系统的设计,用于计算红外成像系统的理想作用距离。 随着红外理论与工程实践日益结合,以及红外成像系统目标提取算法的不断 [15] [16][17] 改进,红外成像系统作用距离公式也一直处于不断修正之中。樊祥 、王兵学 等学者基于改进型信噪比准则来建立红外系统作用距离公式。王兵学在其“凝视型 红外搜索跟踪系统的作用距离模型”等文中,实际上考虑的主要是点目标或准点目 标,并分析了系统跟踪短时随机误差引起的弥散,在其推导的作用距离公式中, 不再以“系统的噪声仅受探测器噪声的限制”为准则,而是考虑实际系统信号处理 的特点,重新定义了信噪比,认为可以检测的信号是目标与背景的辐射强度差。 [18] 王兵学 还在其“凝视型红外搜索跟踪系统探测能力的分析”一文中,讨论了路径 [19] 辐射、光谱匹配等对探测能力影响的方式、程度。邢强林 在“红外成像探测系 统作用距离分析方法研究”一文中,根据视频跟踪测量技术工程实践中可靠跟踪测 量对目标在探测器靶面上的成像尺寸、照度及对比度的要求,综合考虑背景辐射 和目标成像弥散的影响,对原有红外探测系统作用距离计算公式进行了改进,给 出的红外焦平面成像探测系统作用距离公式中,不光分析了背景辐射的影响,还 [20] 包含了光学系统辐射的影响。贾庆莲 考虑了信号和噪声的统计特性,给出了虚 警概率与门限信噪比、探测概率与信噪比的关系,并基于此推导了红外成像系统 [21] 对点源目标的作用距离公式。王兰 在分析外大气层杀伤(EKV )红外导 引头探测距离时指出,红外探测系统的最小捕获信噪比在工程实际中是通过测试 获得的,而不是通过计算得来的,探测概率与信噪比之间存在一定关系。 [22] [23] [24] [25] 刁伟鹤 、王卫华 、Stein C. I. 、Jeffrey S. M. 等人在基于图像目标检 测的信噪比模型基础上,考虑到起伏的海空背景或多云背景容易导致远距离红外 目标被淹没,采用了背景概率分布向量或背景起伏系数去修正图像信噪比,估计 出来的作用距离与实测值较接近。但该方法仅仅考虑了背景分布对作用距离的影 响,而未考虑目标辐射分布的影响。 4 万方数据 第一章 绪论 在讨论红外成像系统的作用距离公式时,许多文献还倾向于推荐使用最小可 分辨温差(MRTD )、最小可探测温差(MDTD )或噪声等效温差 (NETD )表达 [26] 的红外作用距离方程。李润顺 确定了温差的概念,综合考虑目标的面形尺寸、 观察等级和探测概率的要求,以最小可分辨温差为基准计算作用距离,他给出的 [27] 只是红外成像系统作用距离的估算公式。姜宏滨 则是从红外系统作用距离的普 遍方程和噪声等效温差的定义出发,推导出用噪声等效温差NETD 表达的红外作 [28] 用距离方程。刘杰 在其“红外热成像跟踪系统作用距离的评价”一文中,则是分 析了噪声等效温差的两个表达式的实际使用意义,求出成像系统对点源探测的信 噪比方程,找出它与作用距离的联系,得出热成像跟踪系统用于探测点源目标时 作用距离的评价方法,通过测试其NETD ,来验证热成像跟踪系统在研制完成后 是否满足主要技术指标对作用距离的要求。文中值得参考的是,它讨论了目标不 能充满传感器瞬时视场的情况。但是,MRTD 和NETD 一般需要在实验室通过对 标准温差下的标准目标测试获得,可用于预测红外成像系统的设计性能。而实验 针对的是实际目标,由标准目标如何等效到实际目标也是一个尚待解决的问题, 并且由于难以知道实际目标的具体温度(即使可以利用红外辐射测量系统测量飞 机的红外辐射亮度,但是由于不知道精确的飞机表面发射率分布,故而难以推算 其实际温度分布情况,只能推算其表观温度),因此,在本论文应用背景下,这类 方法并不是很适用。 关于红外成像系统性能评估和作用距离公式的研究,还有许多有价值的文献 [29] [30] [31] 可供参阅,如Gil Tidhar 、王晓蕊 、王娟 等人的文献等。在国外,对于红 外成像系统作用距离的评估,已经建立了先进的红外静态性能模型如FLIR92[32] 、 NVTherm[33] 、TOD[34]等进行预测,但直接进行作用距离等效折算研究的公开文献 很少。 [35] 根据红外成像系统作用距离公式,可以推导出等效折算公式。易亚星 、郝 [36] [37] 继平 、吴晗平 对此进行了深入的研究,强调了要采用改进型信噪比,并给出 了简易的作用距离等效折算公式。易亚星还首次提出了空中目标红外可测度的概 念,希望在等效折算过程中,将红外成像系统设备本身与目标特性、气象参数等 [38] 折算因素剥离开来。余常斌研究了两种气象条件下的大气衰减系数 ,以用于对 相同目标不同气象条件下红外成像系统作用距离的等效折算。 基于红外成像设备理论和数学计算方法的作用距离评估和折算方法存在以下 问题:一是作用距离处测度参数的判定准则,目前大部分研究采用信噪比或改进 型信噪比准则,但测度参数的确定与图像处理算法有关,对于一些非线 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 处理算法,测度参数的值是可变的;同时测度参数还与目标、背景、噪声的概率 分布相关,即必须依据不同的目标信号、噪声信号的概率分布特性来确定,从而 导致在两种气象条件下,可能得不到一个可作为参数进行折算的测度参数;其二, 基于红外成像设备理论进行折算时,一个基本的前提是设备的状态不发生改变, 但实际情况是设备参数如响应率等可能随不同的气象条件发生改变;其三,大部 分的作用距离公式均采用理论计算的或等效的目标红外辐射亮度,对于不同气象 条件下的作用距离折算,实际上可以利用特定气象条件下目标红外辐射特性已知 等先验信息。为此,采用数字图像注入式仿真方法,直接对实测的图像进行折算 处理后,注入到设备进行作用距离的考核评估,可以解决以上问题。 1.3.2 红外数字图像注入式仿真实验方法的研究现状 目前,针对红外侦察告警设备战技指标考核,国内常采用动态飞行实验手段, 即在野外环境下,用真实或者模拟的飞行器实际飞行来构造目标威胁态势,红外 侦察告警设备对飞行器进行侦察告警来进行实验。 伴随着红外侦察告警设备的发展,红外侦察告警设备实验手段和技术也相应 发展,由早期的完全靠动态实验逐步过度到动态实验为主、仿真实验为辅,乃至 二者并重的一体化实验评估模式,仿真实验的优势和作用逐步显现。 目前红外侦察告警的仿真实验手段包括数学仿真、红外场景辐射式仿真及红 外数字图像注入式仿真等方法。数学仿真是指首先建立红外系统的数学模型,并 将数学模型转化为仿真计算模型,通过仿真模型的运行达到红外系统评估的目的。 注入式仿真和辐射式仿真均为硬件(设备)在回路中仿真。其中,注入式仿真利 用高性能图形工作站来实时生成红外场景数字图像,越过红外成像设备的传感器 直接把图像注入到信号处理系统;辐射式仿真是指利用物理场景投影仪器(如 DMD 阵列,电阻阵列等)为红外成像设备提供场景。 对于辐射式方法,由于红外侦察告警设备工作视场范围较大,方位视场范围 为360 度,高低视场范围为几度至几十度,采用辐射式仿真手段,生成如此大视 场的辐射式红外场景较困难。此外,红外场景产生器的价格十分昂贵且技术与国 [39] 外还有差距 。 相比之下,注入式方法绕过了红外场景产生器这一关键器件,易于实现大场 景的图像仿真,且实验系统建设费用低廉。在国外,注入式方法常用于成像系统 的开发与评估。他们认为辐射式方法要依赖于场景投影仪器,涉及仪器的成本、 6 万方数据 第一章 绪论 维护等问题,而信号注入法则简便易行,效率更高。有限条件下,注入式成为现 [40] 时较为可行的仿真实验手段 。 注入式实验方法的缺点在于:图像直接注入到设备信息处理器,因而越过了 红外侦察告警设备的成像传感器系统。一般认为,对于红外侦察告警设备,当其 红外成像系统性能参数确定之后,其主要战技指标,如作用距离、告警概率、虚 警率、威胁识别能力、多目标处理能力、反应时间和抗干扰能力等,主要取决于 [41] 设备图像信息处理器的信号处理和目标提取、识别和跟踪算法水平 。采用注入 式仿真实验手段,可以灵活构造场景图像的诸要素组成,对考核红外侦察告警设 备与图像信息处理能力密切相关的战技性能指标非常有利。对于红外侦察告警设 [42] 备的传感器系统则以精确数学模型方式介入红外数字图像仿真生成系统中 。 国外如美国、法国、以色列等国家,特别重视通过仿真手段构造未来作战环 境[43] [44] ,用来对设备的战技性能进行实验评估、作战推演及训练。如美国Eglin 空军基地空军研究实验室开发了FIRE (Fast Image Rendering Environment )软件, 可实时提供复杂目标和背景的红外图像,可直接注入到红外设备信号处理系统进 [45] 行注入式实验,或驱动红外场景投影仪器进行辐射式实验 ;美国陆军高级仿真 中心研制的红外成像制导仿真系统,集成了带数字视频端口的SGI Onyx2 高档图 形工作站,拥有512×512 元的电阻阵列和激光点源投影器,构建了红外辐射式和 [46] 红外注入式仿真实验系统 。 受红外器件等关键技术的制约,我国红外侦察告警技术发展较晚,相应的红 外侦察告警仿真实验技术研究也起步较晚,截至目前,如中科院上海技术物理研 究所等红外侦察告警设备及图像信息处理机研发单位,为了测试设备性能,尤其 在红外侦察告警设备图像信息处理机软件调试阶段,也采取了数字图像注入等类 似仿线] 。由于这些单位进行仿真的目的仅仅是设备的调试或者简 单测试,而不是用于准确、客观、全面地对设备战技指标进行严格考核,在目标、 背景红外辐射特性等效折算方面还没有进行过更深入的研究和实践。 1.4 项目目标及论文内容 项目的研究目标为:针对长波线列扫描红外侦察告警设备,初步建立典型空 中目标、天空背景红外辐射特性折算方法及作用距离等效折算数字图像注入式仿 真实验方法,初步实现针对相同目标、相同飞行航线、不同典型气象条件下长波 红外侦察告警设备作用距离的等效折算。 7 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 论文总结了 “红外侦察告警设备作用距离等效折算方法”研究所得和结论, 主要研究内容包括:目标提取算法及其红外辐射特性预处理还原方法;目标在不 同气象条件、相同飞行航线情况下红外辐射特性折算方法;不同气象条件、不同 仰角天空背景红外辐射特性折算方法;作用距离等效折算注入式仿真实验方法及 其应用。论文章节安排如下: 第一章 绪论。介绍了论文的研究背景、工程价值和国内外现状。 第二章 目标及背景红外特性预处理还原方法。首先对红外侦察告警系统实测 红外图像数据进行分析,采用图像去噪及去卷积算法,并将九模版算法判别准则 加以改进,用于红外侦察告警系统弱小目标图像分割,不仅能确保有效地分割提 取目标,而且能保护提取出来目标的边缘细节。根据红外辐射特性测量原理,采 用实时定标方法获取红外侦察告警设备定标系数,并将实测的红外灰度图像数据 转换为目标、背景表观辐射亮度数据,完成目标、背景红外辐射参量处理。 第三章 目标红外辐射特性在不同气象条件下等效折算方法。从红外侦察告警 设备波段辐射特性测量方程出发,考虑大气衰减、大气路径辐射、点目标情况下 像元中背景辐射以及目标真实辐射亮度的修正等,在全面理论分析基础上,得到 目标表观辐射亮度以及目标背景表观辐射亮度差折算方法。 第四章 天空背景红外辐射特性在不同气象条件下等效折算方法。理论计算了 不同温度、湿度、能见度、大气压强以及方位角和俯仰角对天空背景红外辐射亮 度和透过率的影响,给出了不同气象条件下天空背景红外辐射亮度等效折算公式, 并通过拍摄不同气象条件下实际天空背景红外图像对模型进行了验证。 第五章 作用距离等效折算数字图像注入式仿真实验方法。根据所建立的目 标、背景红外辐射特性等效折算方法,编写了红外侦察告警设备数字图像等效折 算程序,对动态飞行实验图像进行了等效折算;给出了电影回放式的作用距离等 效折算数字图像注入式仿真实验模式,介绍了注入式仿真实验系统软硬件设计。 并采用作用距离等效折算数字图像注入式仿真实验方法,将等效折算到不同气象 条件下的红外数字图像序列通过红外数字图像注入接口设备注入到实际红外侦察 告警设备,判读作用距离并与飞行实验结果进行比对,初步实现了针对相同目标 及其飞行航线、不同典型气象条件下长波红外侦察告警设备作用距离的等效折算 评估。 第六章 总结。总结了论文完成的主要工作,主要成果和不足以及下一步的研 究方向。 8 万方数据 第二章 目标及背景红外辐射特性预处理还原方法 第二章 目标及背景红外辐射特性预处理还原方法 采用数字图像注入式仿真实验方法进行红外侦察告警设备作用距离等效折 算,所采用的数字图像来源于大量动态飞行实拍红外图像数据,为对目标和背景 红外特性进行等效折算,首先需要从实测图像中处理获得目标与背景的原始红外 特性分布。 由于红外侦察告警设备传感器光学系统效应 (衍射、像差、离焦)以及噪声 效应的影响,实测红外图像为弥散场景 (包括目标和背景)辐射和探测器件自身 非均匀性等噪声的叠加,若不预先抑制或消除这些效应,将影响目标背景分割提 取及其红外辐射特性的处理精度(在目标与背景分割处理时,影响目标区域像素 的确定;在红外辐射特性计算时,影响灰度的取值精度,从而直接影响目标背景 辐射特性处理精度)。在红外侦察告警设备作用距离处,由于目标较远,辐射较弱, 其空间尺度较小且辐射与背景接近,往往容易淹没于背景及传感器噪声之中,导 致拍摄到的红外图像对比度减小,为此需针对弱小目标进行目标提取和图像分割 算法研究。本章即针对上述问题开展研究,建立实用的目标及背景红外特性预处 理还原方法。 2.1 传感器噪声去除 红外侦察告警设备实测红外图像为场景 (包括目标和背景)红外辐射和传感 器噪声的叠加,可用公式(2-1)描述。 g (i, j ,k ) t (i, j ,k ) b(i, j,k ) n(i, j,k ) (2-1) 式中,g(i,j,k)为红外图像序列第k 帧第i 行第j 列像素灰度值,t(i,j,k)为目标灰度 值,b(i,j,k)为背景灰度值,n(i,j,k)为传感器噪声灰度值。 目标一般在图像中占据一个或多个像素,占据图像的高频部分,但其灰度、 尺寸和航迹在帧间具备相关性。 背景表现为空间分布上的平缓变化和随时间的缓慢变化,对空告警时主要为 天空背景,其空间分布在行方向上较为均匀,在列方向上有一定起伏,时间上在 帧间具备相关性,特别当红外侦察告警设备光轴指向不变时,其灰度分布一般变 9 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 化不大,总的来说占据了图像的低频部分。 传感器噪声主要包括空间噪声和时间噪声。线扫型红外侦察告警设备传感器 的空间噪声主要为器件非均匀性校正残差,表现为一段时间内(背景辐射变化不 大)基本恒定,占据图像的低频部分;时间噪声主要由器件随机噪声、系统干扰 等造成,主要表现为时间过程的随机性,占据图像的高频部分(独立1~2 个像素)。 传感器噪声去除的目的即是在保留目标和背景红外辐射特性分布的基础上, 最大限度的去除空间和时间噪声的影响。采用传统的图像去噪或称滤波算法如空 域的均值、中值、形态滤波以及频域的高通、低通、小波变换、卡曼滤波等算法, 有可能会改变目标及背景的红外辐射特性分布。因此本文采用三维噪声模型的分 析方法,通过噪声测量,提取实际红外侦察告警设备噪声数据,用于去除传感器 噪声,保证红外辐射特性计算的准确性。 2.1.1 3D 噪声模型 [51] D´Agostino 和Webb 共同提出了 3D 噪声模型 ,用于从红外图像数据集中 提取噪声,用三维噪声模型坐标系统表示的图像数据集 g(i,j,k)如图2-1 所示:T 轴是时间轴,表示帧序列;H 轴和V 轴提供空间信息,分别表示水平方向和垂直 方向。 T L H 2 1 M V N 2-1 g(i,j,k) 图 三维噪声模型坐标系统表示的数据集 如果一帧图像中共有M ×N 个象素,数据库中包含L 帧图像,则有: 10 万方数据 第二章 目标及背景红外辐射特性预处理还原方法 0  i  M 1 0  j N 1 (2-2) 0  k  L 1 D´Agostino 和Webb 首创了一种方向平均算子D ,用于对其所作用方向数据 i 进行简单的平均,例如,DT 表示在T 方向上对数据做平均的过程: 1 L 1 DT g (i , j ,k ) (2-3) L k 0 同理,对于每一列,平均值为: 1 M 1 DV g (i , j ,k ) (2-4) M i 0 对于每一行,平均值为: 1 N 1 DH g (i , j ,k ) (2-5) N j 0 [52] 当方向因子作用于图像数据时,即意味着去除该方向的噪声 。因此,为求 出该方向上的噪声,引入反操作因子(1-D ) ,则求取三维噪声的公式为: i N (1D )(1D )(1D )g (i, j ,k ) (2-6) TVH T V H N D (1D )(1D )g (i, j ,k ) (2-7) VH T V H N D (1D )(1D )g (i, j ,k ) (2-8) TV H T V N D (1D )(1D )g (i, j ,k ) (2-9) TH V T H N D D (1D )g (i, j ,k ) (2-10) T V H T N D D (1D )g (i, j ,k ) (2-11) V T H V N D D (1D )g (i, j ,k ) (2-12) H T V H S D D D g (i, j,k ) (2-13) T V H 公式(2-6) ~(2-13)中,NTVH 为M ×N ×L 数组,NVH 为L 帧平均后M ×N 数组, NTV 为N 像元平均后M ×L 数组,NTH 为M 像元平均后N ×L 数组,NT 为M ×N 像元平均后L ×1 数组,NV 为N 像元和L 帧平均后M ×1 数组,NH 为M 像元和 11 万方数据 电子科技大学硕士学位论文 L 帧平均后N ×1 数组,S 为M ×N 像元和L 帧平均后的全局常数,则红外图像 数据集可表示为全局常数S 和七种噪声成分的和: g (i, j ,k ) S NTVH NVH NTV NTH NT NV N H (2-14) 分别求取七种噪声成分数组N 的标准差可得表征各成分大小的噪声因子 , i i 计算公式为: 2 N N e 2  e  N       e i i i 1  i 1  i (2-15) N N 1 e  e  式中,ν、N 分别为各噪声成分数组中的数据元素及其个数,由公式(2-15) i e 可求出与七种噪声成分数组对应的噪声因子,分别为: 是指帧与帧之间强度变  T 化引起的噪声, 是指与帧无关的列间噪声差异, 是指与帧无关的行间噪声   H V 差异, 表示帧变化引起的列平均变化, 表示帧变化引起的行平均变化,    TH TV VH [53] 表示与帧无关的空间噪声,TVH 表示不同帧、行、列随机噪声 ,则系统总噪声 因子为: 2 2 2 2 2 2 2         (2-16) SYS TVH TV TH VH T V H 上述七种噪声成分在不同红外成像设备中所占比例是不同的,在并行扫描系 统中,最常见的噪声成分为TVH 和V [51] ,由于红外侦察告警设备一般为并行扫 描系统,因此,图像去噪将主要针对上述两种噪声成分进行测量、提取和去除。 2.1.2 噪声的测量 采用三维噪声模型进行传感器噪声去除,首先需要测量红外侦察告警设备传 感器的噪声,图2-2 给出了测量装置示意图。 充 的 满 红外侦察 红外侦察 黑 传 体 感 告警设备 告警设备 辐 器 射 视 传感器 显控设备 源 场 数据采集与分析 2-2 图 传感器噪声测量装置 12 万方数据 第二章 目标及背景红外辐射特性预处理还原方法 测量一般采用在传感器视场内放置一个大面积黑体辐射源的方法,以实现对 传感器的均匀辐照。黑体辐射源必须覆盖整个传感器视场,当没有足够大面积的 黑体辐射源时,也可采用在传感器上加一个均匀的、无反射、不透明外罩的办法 进行测量。噪声测量一般在传感器非均匀性校正后,为保证看到的非均匀性不是 由于辐射源引起的,可使辐射源在视场内移动,观察图像是否变化,如果变化则 表明辐射源存在不均匀性。此外,噪声测量环境 (如环境温度、背景辐射)等必 须与红外侦察告警设备实际工作环境一致,并且红外侦察告警设备工作参数 (如 积分时间、焦距、增益等)也必须保持一致。测量过程中,最好取传感器的数字 输出口的数据,或是视频输出口经过模数转换后的数据。要测量所有七种噪声成 分必须采集许多帧数据,这还要求较大的图像存储能力。 2.1.3 噪声的去除 通过测量,获取了足够的红外图像数据集后,利用公式(2-6) ~(2-13)可提取出 不同成分的噪声。如前文所述,对于并行线扫方式的红外侦察告警设备,主要噪 声成分包括时间性的随机噪声NTVH 以及空间上的行间不均匀性噪声NV 。 对于时间性的随机噪声,主要表现为时间过程的随机性,帧间没有相关性, 各噪声源可认为是统计独立的,通常又满足概率论的中心极限定理,所以可认为 [54] 随机噪声符合均值为 0,标准差为 的高斯分布 ,因此可以采用将多帧相同场  景下红外图像累加平均的方法来减弱其影响。图2-3~ 图2-8 分别给出了某一帧实 测原始红外图像及其灰度分布曲线、提取得到的时间噪声图像及其灰度分布曲线 以及采用多帧平均方法去除时间噪声后的红外图像及其灰度分布曲线。

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