高速飞行器多站红外辐射测量数据不一致性分析及解决方案

禄晓飞，谌廷政



高速飞行器多站红外辐射测量数据不一致性分析及解决方案

禄晓飞，谌廷政

（酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750）

高速飞行器在大气层内长时间飞行，与空气摩擦生成几千度高温，研究其红外辐射及热防护效果是当前的热点。然而用多台地基红外辐射测量设备测量飞行目标时，各红外辐射测量设备多波段的结果有着较大差异。首先分析了高速飞行目标红外辐射成像的特点，指出测量结果存在不一致性的原因，主要有飞行目标的方向效应、红外设备本身的滤波效应。然后提出了解决同设备不同波段处理结果不一致的方案，包括标定数据处理、坏像元剔除、杂散能量和反射的星体辐射能量抵消。最后又提出了多站红外辐射测量设备处理结果不一致性分析方案，以及外场试验方案。

红外测量；数据不一致性；高速飞行器

0 引言

目前高速飞行器已成为国防力量的重要组成部分，对其进行红外辐射测温，一方面可考核其热防护设计指标；一方面通过其辐射能量考核突破防御体系的能力。例如美国高超声速飞行器研发过程中遇到的一大技术难题叫“热障”，飞行器高速飞行时，与空气高速摩擦，其周围空气温度急剧升高（达几千摄氏度），形成严酷的气动加热环境，使一般飞行器结构无法承受而造成破坏[1]。

现有红外辐射特性测量设备大都为地基设备，测量条件和测量精度受大气环境、背景因素影响大，在实验中虽然获取了大量数据，但事后处理中发现，反演的辐射特征参数与理论推算结果差异较大，且同一时刻不同站点的测量结果也有很大差异，测量数据难以反映飞行目标的真实特性。究其原因，主要是处理模型、处理方法等问题[2-9]。

1 红外测量数据不一致原因分析

1.1 设备接收能量成分分析

目前红外辐射测量设备大多为地基设备，在执行动态测量时，焦平面探测器除了接收高速飞行器自身辐射能量t外，不可避免的还要接收来自环境的杂散能量，杂散能量包括4部分：大气程辐射a、被目标反射的星体辐射p、红外设备自身热噪声o、地面物体辐射e。再考虑到大气的衰减作用，设备接收能量为：

＝1t＋a＋2p＋e＋o(1)

式中：1为大气对飞行目标红外辐射能量的衰减；2是大气对星体辐射反射能量的衰减[10]。

1.2 飞行目标辐射方向效应

飞行目标为体目标，各部分的温度是不同的。例如飞机，其发动机处的温度最高，外表蒙皮温度相对来讲较低。再比如高速再入大气层的飞行器，其表面与大气摩擦，产生大量热量，造成目标温度急剧升高。在这个过程中，发生非常复杂的化学反应，形成复杂的再入物理现象。空气产生激波、电离，目标产生烧蚀，烧蚀产物与被加热、电离的空气形成尾流等等，扰流、尾流各处的温度也是不同的，其中激波驻点的温度最高。

因此，飞行目标的辐射能量与辐射方向相关。例如从飞机尾部进行测量，其辐射能量要远大于从头部进行测量。

为获取高速飞行的高精度轨迹，各红外辐射测量设备一般布设在其飞行轨迹星下点的两侧，这就使得各红外辐射测量设备往往从不同角度去观测飞行目标，因此其测量源本身是不同的。

1.3 红外设备滤波效应

由于大气的窗口效应，红外设备一般工作在短波（1～3mm）、中波（3～5mm）和长波（8～12mm）3个频带上。具体截止波长各设备是不同的，这与红外设备的工艺及选用的焦平面探测器型号相关。而且在相同波长上设备的响应也不同。

另外，红外设备在进行动态测量时，要选择工作模式，这包括两项内容：积分时间、衰减片档位。当飞行目标在百毫秒量级内的辐射能量平稳变化时，积分时间的影响可看作是线性的；衰减片对设备频带内各波长的衰减是不同的，是典型的非线性影响。这样，即使各设备从相同视向测量飞行目标，由于上述原因，反演出的辐射强度也会有差别。

1.4 亮温计算模型不适用于高速飞行目标

亮温计算模型是通过红外设备输出的灰度反演目标亮度，进而根据辐射理论使用目标本身的发射率计算温度，由于是通过辐射亮度计算得到的，这种温度称为亮温。

对于远程高速飞行目标来讲，通常计算目标亮温的方法无法计算出准确的亮温，目标的能量被分散，红外成像无法反映目标真实大小。这主要由3种因素造成：①光学系统本身模糊成像；②飞行目标与红外辐射测量设备的相对运动（又称为目标拖尾，如图1所示）；③大气抖动。

图1 高速飞行目标成像的拖尾现象

在对高速再入红外辐射特性的测量中，设备拍摄到的目标像从几十到几百个像元不等。而从纯光学成像的角度考虑，目标的成像大小小于一个像元。这说明设备测量到的内容不仅仅是飞行目标的辐射，还包含有太多复杂的成分。

2 同设备不同波段不一致解决方案

同一设备不同波段的红外辐射测量具有如下特性：除了测量波段和工作模式不同外，其测量环境是相同的。由于测量波段不同，辐射强度、亮度并不能作为比较的依据，只有将各波段测量结果转换成温度才能进行比较。红外设备与飞行目标相距较远，目标成像模糊；而且飞行目标各处的温度不同，有些相差还较大，因此无法精确地对目标某一部位多波段测量结果进行比较，只能对平均辐射温度进行比较。

2.1 标定数据处理技术

红外标定数据处理是红外辐射特性数据反演的关键，目前通常采用实验室标定方式，然后用实验室标定参数处理近距离视在静态测量数据。然而对于外场试验来讲，实验室标定数据处理方式并不适用，这是由两方面造成的：1）外场拍摄目标为高速飞行器，背景为天空，红外辐射测量受到太阳、地面辐射、大气的影响，环境十分复杂，与实验室标定环境大不相同；2）外场红外辐射测量设备大多为机动设备，经纬仪方舱较小，一般无法采用实验室适用的平行光管标定方式；外场固定式红外辐射测量设备可采用通用的平行光管标定方式，然而实验室的工作环境是可以精确控制的，外场平行光管的工作环境很难精确控制。这就要求研究以下内容：

①分析标定方法的光路，即从黑体到探测器的能量传递过程，同时考虑标定试验的热环境，建立黑体亮度和红外系统输出灰度的数学关系；

②分析标定过程环境和飞行环境能量构成；

③标定参数的物理意义。

进而解决如何把外场标定数据处理结果应用于飞行试验测量数据中。

2.2 坏像元剔除及热噪声统计分析

由于红外探测器的各个像元输出具有非均匀性，在标定时为每个像元建立定标关系，在执行红外特征反演时将目标按像素进行处理。部分探测器器件，坏像元较多，且有连通。当目标较小时，若成像在连通坏像元处，会造成计算结果较大误差，因此需要在标定时建立坏像元判断准则，标识出图像坏像元位置。在处理测量图像时，用坏像元附近像元的灰度及标定参数对坏像元进行估计，并作为飞行目标的输出。

热噪声是设备和焦平面探测电路的固有输出，具体含义为：当外界没有能量输入时，红外设备的输出。通过数据分析，对热噪声进行统计分析，将其作为误差来源，进行精度估计。

2.3 杂散能量抵消技术

由于飞行动态测量热环境和外场标定热环境是不同的，大气程辐射a、地面物体辐射e这些杂散能量无法通过标定进行计算。

大气程辐射a指红外设备和飞行目标之间的大气辐射，目前通过大气透过率软件进行计算。但通过实际验证，其计算精度不高；而且地面物体热辐射无法直接测量。

因此需要通过背景抵消技术从飞行目标中扣除这部分能量。对于高速飞行目标红外测量图像，目标成像面积一般较小，可把红外测量图像分为背景区域（B）和目标区域（A）。根据上述分析，红外图像上飞行目标区域的能量除了飞行器本身热辐射，还包括大气程辐射、红外测量设备本身热辐射，地面杂散辐射等，这些杂散辐射也在背景区域中体现，因此为了计算高精度的目标红外辐射强度，需要利用背景区域的灰度把杂散辐射从目标灰度中扣除。

1）单帧图像背景抵消

由于目标距离红外辐射测量设备较远，目标区域占整幅图像的比例较小，而且天空背景辐射并不均匀，因此在进行飞行目标提取之后，选择紧邻飞行目标的像元当作背景。令M(,)表示动态跟踪测量图像(,)处的灰度，记(,)为红外系统(,)像元的响应度。

对目标像元(y,x)，Î，其灰度为：

M(y,x)＝[1(y,x)＋2(y,x)](y,x)＋(y,x) (2)

式中：1(y,x)表示目标在像元(y,x)上的辐照度；2(y,x)表示背景能量（大气程辐射、环境杂散）在像元(y,x)上的辐照度；(y,x)表示像元(y,x)产生的固定输出。

对背景像元(y,x)，Î，其灰度为：

M(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (3)

由于选择目标近邻的像元作为背景像元，可认为在像元(y,x)和(y,x)上背景辐照度是相等的，即2(y,x)＝2(y,x)。选择多个背景像素，计算平均背景辐照度：

目标辐照度：

2）额外背景图像抵消方法

标定环境和外场动态跟踪测量环境是不同的，这样通过标定计算得到的参数(,)并不能直接应用到动态跟踪测量图像中，即通过式(5)计算的目标辐照度具有一定的误差。因此，本节提出了一种利用外场跟踪测量前的背景图像进行背景抵消的方法。

在动态跟踪测量之前，拍摄天空红外图像作为背景图像，令0(,)表示背景图像(,)处的灰度，跟踪测量图像灰度仍记为M(,)。

1）目标像元

对于属于目标的像元(y,x)，Î，在背景图像和跟踪测量图像中的输出为：

0(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (6)

M(y,x)＝(y,x)＋[2(y,x)＋D2(y,x)＋

1(y,x)](y,x) (7)

式中：D2(y,x)表示跟踪测量图像相对于背景图像背景能量的变化量。且(y,x)是跟踪测量时的固定输出，与通过标定参数计算得到固定输出是不同的，通过式(7)－式(6)可把(y,x)扣除：

M(y,x)－0(y,x)＝[D2(y,x)＋1(y,x)](y,x) (8)

(y,x)处飞行目标的能量1(y,x)为：

2）背景像元

对于属于背景的像元(y,x)，Î，，在背景图像和跟踪测量图像中的输出为：

M(y,x)＝(y,x)＋[2(y,x)＋D2(y,x)](y,x) (10)

0(y,x)＝2(y,x)(y,x)＋(y,x) (11)

式(10)－式(11)，可得：

M(y,x)－0(y,x)＝D2(y,x)(y,x) (12)

通过(12)可计算(y,x)处背景能量的变化量：

由于选择目标近邻的像元作为背景像元，可认为在像元(y,x)和(y,x)上背景辐照度的增量是相等的，即D2(y,x)＝D2(y,x)。选择多个背景像素，计算平均背景辐照度增量：

把式(14)带入到式(9)中，计算目标辐照度：

2.4 星体辐射反射能量计算

被飞行目标反射的星体辐射p主要来源于两部分：太阳辐射和地球辐射，为精确计算经飞行目标反射的能量，除了要计算太阳、地球的辐射能量外，还要已知飞行目标的双向反射分布函数（BRDF），其表示了不同入射角条件下物体表面在任意观测角的反射特性，是光辐射的反射辐亮度和入射辐照度的比值，其数学表达式为：

式中：i，i为入射光的入射角和方位角；r，r为反射光的反射角和方位角；r是面元d经照射后在r，r方向上的辐射亮度；i是i，i方向上入射光产生的表面辐射度。通过对飞行目标表面积、测量设备接收频带积分可得到测量设备接收的反射能量：

式中：为目标微面元d的法线与太阳光方向的夹角；¢为目标微面元d的法线与地球及大气反射的太阳光夹角；为目标微面元d的法线与测量方向的夹角；sun()为对应波长太阳光谱辐照度；1为飞行目标面元d相对于太阳的双向反射分布函数；2为飞行目标面元d相对于地球的双向反射分布函数；为地球及其大气系统对太阳光的反照率；为太阳与飞行目标的距离。

对于白天中段大气层外的目标，太阳辐射是主要的加热方式，飞行目标很快达到较低的平衡温度，星体反射能量不能忽略不计，而且大气层外飞行目标仍能保持外形，可用双向反射分布函数计算反射的能量。由于飞行目标再入时，外形及摩擦使得双向反射分布函数不再适用，但由于再入段最主要红外辐射来自于气动加热，反射能量可忽略。

2.5 飞行目标辐射温度反演技术

由于光学系统本身模糊成像、飞行目标与红外辐射测量设备的相对运动和大气抖动使得目标的能量被分散，红外成像无法反映目标真实大小，因此可采用以下方法计算飞行目标的平均辐射温度：

1）获取目标的姿态角，通过太阳位置、飞行目标的双向反射分布函数及表面形式计算目标反射亮度r。

2）提取目标，计算目标辐射亮度。得到目标的像素序列，像素数目为，根据公式(18)计算目标的辐射亮度：

式中：DN为第个像素的响应；K和B是第个像素的标定参数。

3）计算背景辐射亮度

4）计算目标辐射强度

令表示红外辐射测量设备与飞行目标的距离，由下式计算目标辐射强度：

5）计算目标辐射亮度

令fly表示飞行目标对于红外设备的视在面积，由下式计算目标等效黑体辐射亮度：

BB＝fly/(fly) (21)

扣除飞行目标反射亮度r，得到飞行目标自身辐射亮度＝BB－r：

＝fly/(fly)－r(22)

6）根据等效黑体辐射亮度寻找温度。

2.6 地面静态试验对比分析

因此在知道目标辐射源的温度、发射率等条件下，可以通过对辐射理论的深入研究，建立同一设备不同波段间数据比对分析模型。

3 不同设备同一波段测量不一致解决方案

不同设备同一波段的红外辐射测量则相对复杂，除了波段相同以外，其他的外部测量影响因素均不相同。所以在理论建模时，需要考虑到目标的形状、姿态、环境以及处理方法等多种因素。

3.1 处理方法统一化

不同的红外辐射测量设备来自不同研制单位，标定数据处理方法和动态测量图像处理方法均不同，甚至处理结果的量纲也不都相同。因此为使得处理结果有可比性，需要统一多种红外设备的处理方法。而对于红外辐射测量设备来说，其测量结果为不同类型参数，之间的数据一致性分析需要建立统一的量纲。

3.2 多设备测量结果不一致统计分析

为消除飞行目标辐射能量的方向性，对不同设备的不一致性进行统计分析，需要把外场活动红外测量设备布设在固定设备处，用相同视向角对飞行目标进行测量，消除飞行目标辐射方向性的影响。

3.3 多设备不同站址不一致性统计分析

由于飞行目标辐射的方向性，在开展多台设备红外辐射测量数据一致性分析时，要计算测量设备与飞行目标轴线的视向角，建立时间、视向角、辐射强度的关系，即＝(,)。可根据遥测数据获取弹头目标的姿态，从中计算出目标矢量，联合红外设备方位角和俯仰角计算视向角。与此同时，预先测量目标的辐射量或者对其进行理论计算，找出实际动态测量中保持平稳的时段，用实测数据进行比对分析，对不一致性进行统计分析。

4 外场试验

为进行验证，可考虑3种类型外场实验：

1）一是不同温度的同一热源的多设备远距离静态标校实验。

2）二是测量飞行试验主动段尾焰辐射。飞行主动段，尾焰成像大，且其温度场数据动静态差异小，可作为参考对象，验证红外辐射测量设备测量数据的不一致性[11]。

3）三是测量天体辐射。根据各辐射测量仪器性能和波段特性，选择同一天体（例如月球）进行辐射测量，对其测量结果进行不一致性比对分析。针对不同红外辐射特性测量设备一致性修正问题，开展多设备联合跟星或跟踪同一目标实验。通过同场地观测实验、异地观测实验、不同角度观测实验，摸索差异形成的主要因素，验证相关修正模型。

而对于飞行主动段，尾焰辐射面积大，有较准确的温度场数据。尾焰辐射可作为标准来验证测量数据。通过近距离布站，可以获取清晰的目标像。开展多台红外辐射测量设备主动段跟踪测量实验，测量飞行主动段本体及尾焰辐射，可以获取满足多设备红外辐射测量数据一致性分析条件的测量数据。再对获取的多设备红外辐射测量数据进行一致性分析。

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Method of Analyzing and Solving Inconsistency of Infrared Data Measured by Devices at Different Locations for High-speed Aircraft

LU Xiao-fei，SHEN Ting-zheng

(,732750,)

The high-speed aircraft flies in atmosphere for a long time and the friction between aircraft and air makes huge thermal energy. Measuring the infrared energy of high-speed flying aircraft to verify the design of heat protection system is the hot topic. Generally many infrared optic systems at different locations are applied to measure infrared energy of the same flying aircraft, but the results of these infrared optic systems are not consistent. This paper firstly analyzes the characteristics of high-speed flying targets imaging, then points out the reasons which make the inconsistent results, such as infrared energy of targets is relevant with the direction of infrared emission and the optical system can only receive infrared energy within specific bandwidth. Then the methods dealing with inconsistent results of different bands of one infrared optical system are proposed, which includes computing calibration data, finding dead pixels, delimiting stray energy of background and reflected energy of sun and earth by the aircraft. Finally, the methods of analyzing the inconsistent results of different infrared systems and field experiments for verification are proposed.

infrared measurement，inconsistency of data，high-speed aircraft

O434.31-34

A

1001-8891(2015)05-0435-06

2014-12-04；

2015-02-10.

禄晓飞（1981-），男，博士，工程师，主要从事红外辐射测量、红外图像、红外设备等方面的研究工作。E-mail：luxf08@163.com。