基于RGB色彩模式的彩色烟幕遮蔽效果测量方法

柴国庆,李武周,周 哲

(中国洛阳电子装备试验中心 光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003)

引言

烟幕遮蔽干扰是以改变光电信号的传输介质特性，实现对光电观瞄、制导等设备进行干扰的一种无源对抗方式[1]。烟幕作为一种主动式无源干扰器材，具有速度快、易实施、效率高等优点，但不足是受气象因素影响明显。烟幕一般而言是用于对抗重要军事威胁的最后防御手段，按照防御系统层次划分，烟幕的作用距离约为4 km～7 km。烟幕遮蔽效果因发烟器材和防御方式存在差异。根据烟幕作战使用方式，可分为喷撒、爆炸和喷射等烟幕；根据烟幕成烟材料，可分为化学合成、高温燃烧和粉尘等烟幕；根据烟幕防护地域环境，可分为白色、黑/白组合和彩色等烟幕。目前，国内外关于烟幕遮蔽干扰测量方法已开展了大量的研究，主要有烟幕采样分析法、数值推算模拟法、烟雾实验箱分析法和烟幕衰减率数据阵列法等，不同的测量方法用于不同的测量对象和环境。本文针对地面烟幕罐喷射彩色烟幕遮蔽干扰的特点，提出一种基于RGB色彩模式的彩色烟幕遮蔽效果的测量方法。

1 喷射式彩色烟幕的遮蔽原理

根据对抗防护需要、地形特点和气象条件等因素，统筹设计地面烟幕罐布设位置和喷射方向，地面烟幕罐通过其内外大气压力差的相互作用，喷射形成具有大面积遮蔽干扰效果的彩色粉尘烟幕。一是烟幕对目标的红外辐射强度产生吸收、反射和散射等衰减作用，降低目标与周围背景的对比度，消减光学探测和目标反射的信号传输能力；二是彩色烟幕遮蔽目标后能够消除目标的光学特征，使目标图像被有效遮蔽而不能分辨，使侦察设备难以从侦察区域背景中发现和识别预定目标。

2 RGB色彩模式的颜色空间模型

三基色原理：选取3种基色(红、绿、蓝)，按不同的比例进行合成，可以产生丰富的颜色，合成彩色光的亮度由3个基色的亮度之和决定，色度由三基色分量的比例决定[2-4]。国际照明委员会(CIE)推荐使用波长分别为700 nm(红)、546.1 nm(绿)、435.8 nm(蓝)的光谱色为三基色，并用(R)、(G)、(B)表示。每一种颜色按其亮度的不同分为256个等级。当三基色重叠时，由不同的混色比例能产生各种中间色，所以，RGB模式常用于视频和多媒体设计。RGB颜色空间[5-9]是用一个单位长度的立方体表示颜色，黑蓝绿青红紫黄白8种常见颜色分别为立方体的8个顶点，如图1所示。

RGB颜色空间模型图中各参数的取值范围为0～255，红绿蓝分量组合83×83×83=16 777 216种不同的颜色。数码图像处理设备的颜色系统就是采用RGB色彩模式，可显示任何采集物体的彩色图像。

图1 RGB颜色空间模型图Fig.1 RGB color space model diagram

3 采用RGB色彩模式评估彩色烟幕遮蔽性能的方法

3.1 采用RGB色彩模式评估彩色烟幕色度

通过查阅资料，目前尚无对彩色烟幕色度进行测量的方法，针对彩色烟幕的遮蔽效果使目标光学特征消减这一特点，提出按照主观判断和客观测量相结合的方法评估彩色烟幕色度。

主观判断法：用高清数码摄像机拍摄彩色烟幕的视频，4名视力、色觉正常的人员独立观察烟幕视频，对烟幕颜色作出主观判断。

客观测量法：用高清数码照相机拍摄彩色烟幕的照片，编写MATLAB程序，采集彩色烟幕数码照片彩色烟幕区域中各像素点的RGB色彩模式数据，一组RGB色彩模式数据值对应唯一的彩色烟幕色度。采集数码照片中像素点RGB数据的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

imshow(img)

图2 彩色数码照片像素点的RGB色彩模式值Fig.2 RGB color mode of color digital photos point

如图2所示，统计烟幕遮蔽区域内各像素点出现概率较大的RGB色彩模式数据值，用于定量表示彩色烟幕的色度。目前，通过主观判断和客观测量相结合的方法提高了彩色烟幕色度的评估措施。

3.2 烟幕形成时间的测量方法

烟幕设备的形成时间是指接到成烟指令至形成规定有效遮蔽烟幕面积的时间。一般情况下根据被保护目标地域的综合情况，选择设计配置烟幕设备的烟幕形成方式、成烟材料和烟幕颜色等。

烟幕弹爆炸后在短时间内形成以爆点为中心近似球体状的烟幕，此时在距离爆点中心处烟幕浓度大、距中心越远烟幕浓度越小，在爆炸初期的烟幕有效遮蔽面积受大气条件的影响较小。而地面烟幕罐喷射初期时形成多个近似柱状的彩色粉尘烟幕，此时在内外压力作用下喷射的烟幕浓度很高，形成有效遮蔽面积的扩散效果会受烟幕罐喷射动力和大气条件的影响。

不同烟幕设备的工作方式对烟幕形成时间测量的要求和方法也存在差异。

1) 衰减率数据矩阵插值法

目前对烟幕形成时间的野外测量方法是依据GJB6092.1-2007[10]的主要方法：在各采样时刻红外成像设备分别测量录取多个红外源阵列点的衰减率数据，按红外成像设备的焦平面阵列插值，得到焦平面阵列所有像元对应的衰减率数据矩阵，如图3和图4所示，Apq代表红外源阵列遮蔽率数据，X代表插值计算得出的衰减率数据；将各采样时刻对应的衰减率数据与规定的衰减率阈值进行比对，衰减率大于阈值的像元为有效遮蔽像元，取值为1，反之为0。

图3 衰减率数据矩阵插值示意图Fig.3 Diagram of attenuation rate data matrix interpolation

图4 衰减率数据矩阵与阈值比对示意图Fig.4 Diagram of attenuation data matrix compared with threshold value

统计各采样时刻衰减率数据矩阵为1的像元个数ni、像元面积s、烟幕与测量设备距离L、红外成像设备光学系统焦距f、第i个采样时刻烟幕有效遮蔽面积Si，根据光学系统物、像投影关系得：

(1)

上述方法主要用于测量烟幕弹爆炸后在短时间内形成以爆点为中心近似球状烟幕的形成时间，因为烟幕弹爆炸初期的球状烟幕能够覆盖较多红外源，采集的烟幕衰减率值满足数据采集处理需要。但是采用该方法测量地面烟幕罐喷射烟幕的形成时间时，会产生较大的误差。因为地面烟幕罐喷射烟幕初期形成多个柱状彩色烟幕，如图5所示，若某个柱状烟幕形成在2列红外源之间，测试有效烟幕遮蔽面积变小、形成时间变大；若某个柱状烟幕正好将一列红外源遮蔽，测试有效烟幕遮蔽面积变大、形成时间变小；统计数据表明该方法用于测量喷射烟幕形成时间时测量误差约为30%～50%。

图5 彩色烟幕喷射初期遮蔽示意图Fig.5 Color smokescreen obscured diagram in early jet

2) 彩色烟幕RGB数据矩阵法

地面烟幕罐喷射初期时形成的彩色烟幕浓度很大，衰减率接近100%，彩色烟幕与地面背景区域的图像界限泾渭分明，可以采用RGB色彩模式测量彩色烟幕形成时间。主要方法是：各采样时刻连续拍摄彩色烟幕数码照片，采集各像素点的RGB色彩模式数据，统计数码照片中彩色烟幕及附近区域所有像素点对应的RGB数据矩阵，如图6和图7所示，将各采样时刻的彩色烟幕RGB数据矩阵与规定背景彩色色度进行比对，彩色烟幕RGB数据的彩色色度满足规定色度的像素点为有效像素点，取值为1，反之为0。采集彩色数码照片中任意像素点RGB数据矩阵的MATLAB程序如下：

img=imread([pathname filename]);

h=imshow(img);

[X,Y,I,rect] = imcrop(h)

图6 彩色烟幕RGB数据矩阵示意图Fig.6 Diagram of color smokescreen RGB data matrix

图7 彩色烟幕RGB数据矩阵与规定背景比对示意图Fig.7 Diagram of color smokescreen RGB data matrix compared with provided background

统计各采样时刻RGB数据矩阵有效遮蔽像素点个数n，采用公式(1)计算不同采样时刻的彩色烟幕有效遮蔽面积，得出从接到指令至形成规定有效遮蔽烟幕面积时间即为形成时间。

采用RGB数据矩阵法测量喷射烟幕遮蔽面积的仿真结果如图8和图9所示。

烟幕在逐渐形成过程中，由于烟幕浓度高、衰减率大，其有效遮蔽面积逐渐增大，对预定区域的遮蔽效果明显，产生的烟幕能够遮蔽区域内目标和背景的主要光电辐射特性，干扰光电观瞄和精确制导武器系统的威胁，从而达到防护遮蔽的效果。

图8 喷射初期的有效烟幕遮蔽面积Fig.8 Effective smokescreen shield area in early jet

图9 喷射形成规定的有效烟幕遮蔽面积Fig.9 Prescribed effective smokescreen shield area formed by jet

采用彩色烟幕RGB数据矩阵法成功测量彩色烟幕形成时间，重点在于数码照相机的像素数明显多于红外成像设备像元数，采样的有效数据量大。解决了由烟幕的形状及形成方式、红外源阵列的数量及布设方式等因素引起的系统误差，经分析该方法对喷射烟幕形成时间的测量精度提高到了90%以上。所以采用RGB数据矩阵法测量彩色烟幕形成时间具有测量精度高、便于数据处理的优点。

4 结论

彩色烟幕随着时间和气象条件的变化从无到有、持续扩散，形成有效遮蔽烟幕，保护重要目标免于精确制导武器的攻击。但是彩色烟幕的遮蔽效果受条件影响因素较多，所以能够准确评估彩色烟幕的性能具有重要意义，本文采用RGB色彩模式的彩色烟幕遮蔽效果测量方法，可用于解决评估彩色烟幕遮蔽效果中的烟幕色度和烟幕形成时间难题，具有高精度和高适用性。

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