应用红外热成像MRTD技术对海空目标跟踪研究

摘 要：本文对于红外热成像系统对海空目标跟踪距离进行研究，提出了相关的修正的MRTD视距估算模型，通过验证，本模型考虑了目标的尺寸和探测概率对视距的影响，具有一定的可行性。

关键词：目标跟踪距离 红外热成像系统 MRTD模型

中图分类号：TN212 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0014-01

分析热成像系统视距，其外在影响因素则是大气条件、目标辐射特性，其内外因素则是热成像系统本身的性能。目前，在军事领域中，热成像系统应用领域极为广泛，其中，热成像系统的重要战术指标之一就是视距，尽可能大的视距都在热成像设计中提出。所以，应该进行良好预测热成像系统的视距，这样能够避免与热成像系统作用距离的实测误差，能够降低生产成本，提高系统设计水平[1～2]。在已知的热成像系统的基本性能基础上，要想实现系统视距估算，通过相关仿真和理论分析，能够对于各种观测条件下的热成像系统的视距进行估算。为更好能够对于点辐射源目标和扩展源目标的视距进行有效的估算，本文提出的热成像系统静态性能的MRTD模型。

1 分析观察等级和探测概率对目标探测的影响

在军事方面的探测目标过程中，知道目标的方位还远远不够，还应该对于目标的类型和型号等进行更为详细的掌握。所以，红外热成像系统的目标探测还应该考虑目标的大小和形状对探测距离的影响[2]。这里提出的Johnson准则，一般为国际上公认的方法，实际中存在的目标通过把目标分成若干对等效条带图案而进行有效的等效条带表示。相同的总宽度与目标临界尺寸，一组黑白间隔相等的条带状图案则表示目标的等效条带图案，另外，实际目标的温差，也用于目标相同的线条图案来代替。其中，“周/临界尺寸”能够表示响应的目标临界尺寸中所包含的可分辨的条带数。通过Johnson准则，能够对于目标的探测和识别的预测进行有效的处理。这里所谓的观察等级，则是在考虑结合人眼视觉的基础上，结合红外热成像系统的性能的一种评价方法。在Johnson准则中，目标的不同的等效条带对数代表不同的观察等级。等级的划分往往是通过视觉心理实验来进行完成，相关的大量的分析和视觉试验工作都已经完成，公认的比较适用的就是上述指出的Johnson准则，能够把红外热成像系统对目标的识别能力通过目标等效条带图案方式进行表达，发现、定向、识别和辨别4个等级则是人眼观察的等级划分，这就是所谓的Johnson准则。

2 关于红外热成像系统的视距估算模型探讨

红外热成像系统的最大作用距离对于热成像系统的设计非常重要，另外，这也是红外热成像系统性能的一个重要指标。在热成像系统中，根据辐射源的成像大小，点源和扩展源两种则是其两种分类方法。点源顾名思义就是忽略不计目标的物理尺寸，而目标看作为一个点的辐射源。但是，需要注意，在实际中并不存在点源。只有充分考虑到了辐射源相对于观测仪器所张的立体角度，而不仅仅是辐射源的真实物理尺寸，这样才能判断能否应用为点源。例如，观测对象为地面非常遥远的一颗星体，观察者的真实物理尺寸尽管很大，但是，相比于观测仪器的张角，则可以忽略不计，这样，就可以认为观测者为一点源。另外，在不同的观测场合，尽管对于同一个目标，也可能为点源，可也能为扩展源。例如，这里按照喷气式飞机的尾喷口为例进行说明，扩展源则是在5 m处观测的情况下较为合理，而点源处理则是在2 km以外处观测较为合理。

总体上说，光学系统一般都在热成像系统中具备，要能够正确判断目标是点源还是扩展源，应该充分考虑的则是目标在探测器中所成像的尺寸以及探测器的尺寸的关系，点源的情况则是在像的尺寸比探测器尺寸小的情况下，反之，扩展源为辐射源就比较合理。

图像细节的保持应该在探测目标过程中比较清晰，成像则是典型的特征，所以，点辐射源并没有太大的实际意义。在对于军事方面，特别是海空目标跟踪的热成像技术中，其发现、定向、识别和辨别的过程都是可以看作辐射源基本都是扩展源。所以，在这样的情况下，应该充分考虑目标辐射的能量情况，还应该对于相关的辐射特性、人眼探测概率、几何尺寸大小、形状、观察等级等方面的影响进行充分考虑，这样才能得出比较合理的系统视距。这里提出的表征红外热成像系统静态性能的MRTD模型，其中能够一方面包括观察者的主观因素，另外，还具备相关的热成像系统的性能和目标的辐射特性，能够具备比较综合的评价热成像系统性能。

首先分析MRTD预测红外热成像系统视距，其基本原理如下，ΔT为背景的实际等效温差，f则为目标的空间频率，在相关的大气衰减以后，热成像系统对应频率的MRTD应该小于或者等于红外热成像系统的温差，同时，观察等级所要求的最小视角则应该小于或等于辐射源对热成像系统的张角，即：

式中，H为目标的高度。

为了对于典型扫描型红外热成像系统进行分析并验证，利用MATLAB软件进行模型的计算，通过计算不同条件下，包括不同的大气气象条件和探测概率，对于海空目标的发现、识别和辨别距离。此海空目标的尺寸则为5.25×2.7 m2，其中与背景之间的温差是6.14 K。

通过计算结果分析可以知道，红外热成像系统作用距离能够收到相关的探测概率和观察等级的影响，从具体情况进行分析，一般来说，观察等级的提高导致热成像系统的视距的减少，另外，增大的探测概率则也导致热成像系统的视距的减小，这里分析的结果与2001年的NVTherm模型的分析结果的变化趋势具有一致性，同时，经过对于实验数据的对比，此视距模型也较为接近实验数据，这样就能够说明本文所提出的MRTD模型预测值的合理性，在实际的应用过程中，能够合理选择并应用此视距模型。

3 结语

在使用MRTD模型过程中，为了使得估算结果更加接近实测值，应该尽可能多的综合考虑相关的背景的辐射特性、辐射特性以及目标尺寸的影响，还应该了解相关的人眼视觉系统的感知特性等，这样就能使得红外热成像系统的作用距离的估算问题能够有效的解决。

参考文献

[1]邵晓鹏，张建奇，杨威.热成像系统作用距离计算[A].昆明，1999

[2]肖甫，吴慧中，肖亮，等.地面坦克目标红外热成像物理模型研究[J].系统仿真学报，2005，17（11）.

[3]李凡，刘上乾，张峰，等.点源目标的红外搜索与跟踪系统的作用距离估算[J].红外技术，2008（9）.