防空导弹攻击目标的红外成像特性分析_论文


第 21 卷 第 1 期 2006 年 I 月 海 军航 空工程 学院 学报 JO U R N A L O F N AVA L A ER O NA U T IC A L E N G I NE ER IN G IN STIT U T E Vo l . 2 1 No.I J an . 2 0 0 6 防空导弹攻击 目标的红外成像特性分析 赵 强’ 刘隆和2, 哲3 , 金 ( 1. 海军航空工程学院研究生管理大队; 2. 海军航空工程学院电子信息工程系; 264001) 3. 海军航空工程学院科研部,山东烟台, 摘 要: 通过结合对目 标的红外成像特性研究,首先阐述了在复杂背景条件下防空导弹对目 标的红外成像寻的 制导的组成和原理。然后详细分析了地面杂散背景的辐射和散射特征, 综合分析了军用飞机被防空导弹攻击 目 标的红外辐射特性。在对复杂背景辐射特征和目 标红外特性分析的基础上,给出了一组典型地表光谱辐射亮度 曲 线和太阳 对地表的全波段辐射能流 ( 辐照度) 随时间的变化曲 绘制出了 线; 红外成像导引头在整个红外波段 内的探测效能曲线。分析结果对研究防空导弹红外成像导引头如何从复杂背景中将目 标的典型特征信息提取出 来并进行有效识别和跟踪奠定了基础。 关健词: 防空导弹; 红外成像寻的制导; 背景辐射特征; 目 标红外特性 中图分类号: TN 219; TP 75 文献标识码: A 现代防空导弹寻的导引头多数采用连续波或间 断照射半主动雷达制导体制。这种制导体制的最大 优点是成本低 、导引精度较高、作用距离远。但是 成[1 2 。如图 1所示。 , 1 图像信号处理 监视器 这种寻的体制也存在明显弱点,即照射雷达容易受 反辐射导弹的攻击; 攻击低空、超低空 目 标时,受 多路径效应干扰严重; 存在大 目标效应引起的目标 角闪烁现象。因此,防空导弹在攻击低空、超低空 目 标,尤其是在拦截掠海飞行 ( 7m 以下 ) 的反舰 导弹的作战效果较差。从抗干扰、目标识别和攻击 精度出发,防空导弹寻的导引头采用红外成像寻的 制导体制是可取的方案之一。若考虑红外成像寻的 制导受气象影响或作用距离问题 ,可以考虑采用半 主动雷达导引与红外成像导引的复合导引 ( 即双模 寻的导引 ) 体制。本文主要研究和分析防空导弹红 外成像导引头在探测和跟踪 目标过程中的 目标及其 周围背景 的红外特性 。 摄像头 预处理器 W _ E 器 特征提取与选择 跟踪 处理器 图I 红外成像制导系统原理框图 ( 1 ) 摄像头是对 目标进行摄像的装置。 ( 2 ) 图像监视器用于显示 目 标和背景的图像 以供观察。 ( 3 ) 图像信号处理器由预处理器、 特征提取与 选择和目 标识别三个部分构成。①预处理器是用来 对目 标图像进行预先处理,包括去噪处理、图像校 正、数据压缩、图像增强及补偿等方面,以改善图 1 红外成像制导系统的组成及原理 1.1 红外成像制导系统的组成 红外成像制导系统一般由红外摄像头、图像监 视器 、图像信号处理器 ( 包括预处理器 、目 标识别 电路、特征提取与选择 ) 和跟踪伺服系统等部分组 像质量或减少运算量。②特征提取与选择是从 目 标 原始灰度图像中提取图像的扫绘特征 ,得到 目 标的 形状特征及目 标灰度矩,然后按图像识别与跟踪要 求,依据特征选取原则选取有用的特征进行运算 , 以达到压缩特征维数,简化运算之目的。③目 标识 别是根据所选择的目标特征, 标进行分类识别。 对目 ( 4 )跟踪伺服系统由跟踪处理器和伺服机构两 收稿日 期: 2005-07-20 作者简介: 赵 强 门965- ), 男 程师, 硕士生; 刘隆和 ( 1936- ), 男, 教授, 博导, 大学. 海 军航 空工程 学 院 学报 2006 年 第 1 期 个部分组成。 ①跟踪处理器是跟踪系统的关键部分, 它包括确定跟踪模式、跟踪状态、滤波与预测等方 面。②伺服机构是跟踪系统的执行机构,由跟踪处 理器送来的目 标误差信号,经伺服机构的控制处理 器处理 , 控制整个跟踪系统的工作状态, 利用误差 , 消除误差,使跟踪机构快速跟踪 目标。 时,在弹上摄像头生成像素点图像,而且随着弹目 交会角的改变和距离的接近,目标成像尺寸和辐射 单元的变化剧烈, 此时需要高速数字帧图像处理器 的运算, 以满足红外成像寻的制导时的视线角速度、 前向偏移信号和预定飞行轨迹的要求。 1.2 红外成像制导系统原理 发射导弹前, 首先由发射控制站 ( 如在地面和 舰艇上 ) 搜索、捕获要攻击的目标,一旦 目 标的位 置被确定,立即引导导弹上的寻的器跟踪并锁定此 目标。导弹被发射后,弹上摄像头摄取 目 标及背景 的红外图像并进行预处理,得到数字化 目 标图像。 经图像处理和图像识别,区分出目 标、背景信息, 识别出要攻击的目标并抑制噪声信号。跟踪处理器 形成的跟踪窗口的中心按预定的跟踪方式跟踪 目标 图像,并把误差信号送到摄像头跟踪系统,控制摄 像头继续瞄准 目标。同时向导弹的控制系统发出导 引指令信息,控制导弹的飞行姿态,使导弹飞向选 定的目标。因此是一种“ 发射后不管” 的制导方式。 随着导弹与目 标之间距离的缩小 ,目标在图像平面 上的投影将扩大,且变得越来越清晰。此时,寻的 器根据 目标的形状识别出它的要害部位,并选 目 标 要害部位的中心作为攻击点。红外成像系统的作用 对于红外成像制导系统而言,影响防空导弹命 中精度的主要性能指标是信噪比、空间分辨率、数 字图像帧频和大气透过率因子等因素。 由红外成像制导的防空导弹在攻击目标时,目 标和背景的反差是由温差 △ 来确定的,系统噪声 T 常被近似为噪声等效温差 ( NETD ), 这种近似只适 用于那些 目标的角视距与预测作用距离处的系统分 辨率相比较大的情况。系统的灵敏度即最小可探测 信号,通常定义为系统输出端的单位信噪比。灵敏 度与光学系统的采

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