紅外特徵

紅外製導和紅外地面跟蹤近10 年來得到了越來越廣泛的套用, 如各種紅外製導武器和紅外地面跟蹤設備等, 它們的一個共同特點就是要從複雜的背景和干擾中把目標識別出來。而目標識別的基礎是目標“ 固有” 的特徵，也就是紅外特徵。

基本介紹

• 中文名：紅外特徵
• 外文名：infrared signature
• 特徵量：複雜度、長寬比、最大亮度等
• 紅外：一種電磁波，可實現數據無線傳輸
• 紅外輻射規律：發射率、基爾霍夫定律
• 套用學科：物理學、化學、兵器科學

特徵定義

紅外目標的特徵是基於它的輻射特性和目標與背景間的關係來確定的，據此提出如下的特徵量:

1)複雜度(Complexity):邊界像素點數與總目標像素點數的比值。

2)長寬比(Length/Width):目標最小外接矩形的長度與寬度之比值。

3)均值對比度(MeanContrast):目標灰度均值與背景灰度均值的比值。

4)最大亮度(MaximumBirghtness):目標像素點的最大灰度值，即目標最亮點灰度值。

5)對比度(ContasrtRatio):目標最亮像素點灰度值與目標最暗像素灰度值之比值。

6)均值差(DifferenceofMaens):目標灰度均值與局部背景灰值之間的差值。

7)標準偏差(SatndadrDeviation):目標像素點灰度值的標準偏差。

8)部分最亮像素點數/目標總像素數的比值(RaitoBirghtPixels/TotalPixels):比目標最亮點亮度小10%以內的像素點個數與目標總像素個數之間的比值。

9)緊湊度(Compactness):目標像素數與包圍目標的矩形內的像素數之間的比值。

上述9個特徵量反映了目標的幾何、物理特性及目標與背景的關係，如果把它們綜合考慮，就可以獲得目標紅外特徵的一個比較全面的描述，以目標特徵向量的形式獲得這一描述。

設目標I的特徵量F_i(i=1，2，…，9)，依次是我們定義的9個特徵量，用它們組成目標的特徵向量F_I，組成形式為

F_I=[F₁，F₂。。。F₉]^T

F_I是維數為9的向量，以它為依據來進行目標的分類識別。

紅外目標特徵分析流程

為了自動地實現紅外目標的特徵分析，提出了圖所示的特徵分析流程圖。

紅外目標特徵分析流程

由圖可以看出，它是由圖像分割、抽取目標和特徵分析3部分組成的。圖像分割的目的是為了將紅外圖像中的目標和背景分割開來，從而知道目標的大致位置;抽取目標則是根據目標的大致位置開設一個合適的視窗，以便計算目標的特徵及目標與背景間的關係特徵;特徵分析是根據定義的特徵量用實驗驗證其有效性。

分類識別

設圖像有M類，每類有L_i個樣本，i=1，2，…，M，圖像集合可表示為:

為進行分類，從各樣本中隨機抽取一定數目的樣本形成訓練樣本集，並將剩餘的樣本作為檢驗樣本集。即將A_i分為兩部分:

T_i和T_i'分別作為訓練集和檢驗集，且N_i+N_i^'=L_i

構成特徵向量F_i的各種特徵量比較複雜，其中有比例性的量，也有帶有單位的量，因此不能用常用的歐氏距離定義樣本間的距離。注意到兩樣本向量之間對應的分量相似的越多，兩樣本就越相似，因此提出如下方法獲得樣本F，在T_i'中最相似(最相鄰)樣本類別。

記F_i的分量為F_n(n=1，2，…，9)，T_i中樣本F_ij的分量為F_ij，n（i=1，2，。。。M；j=1，2，…，。N’）;

兩樣本分量間距離記為d_ij(n)，即

對F_i中的分量F_n，取

滿足此式的i記為class(n)，它是距分量F_n最近的類別，j是對應的樣本。

對F_i中所有分量分別確定最相近的樣本類別後，把F_i歸於這些類別中最多數的一類。採用這種方法進行分類，實驗步驟如下:

l)以集合T_i'中的樣本為模板，用上述方法對T_i中的所有樣本進行預分類，並計算訓練樣本的正確識別率P_r1

2)刪掉訓練樣本集T_i中被錯誤分類的樣本，並用留下的樣本構成剪輯樣本集T_il

3)把剪輯樣本集T_il作為分類模板集，用同樣方法對檢驗集T_i'中的樣本進行分類，計算識別率P_r2

巡航飛彈紅外特徵

所謂巡航飛彈是指以巡航狀態在大氣層內飛行的有翼飛彈。巡航是飛行器的一種飛行狀態，在這種狀態下其發動機的推力與空氣阻力、飛行器重力相當，飛行器在近似於勻速、等高的狀態下飛行。根據不同的作戰任務，巡航飛彈可以分為海射、陸射和空射三種。巡航飛彈是和平時期核威懾力量的重要組成部分，也是現代戰爭中核攻擊和精確打擊能力的重要體現。

巡航飛彈是進行大縱深、遠距離、高精度、“外科手術”式打擊的武器，已成為美國實施軍事威協和炫耀武力的手段。巡航飛彈能不能抗擊，如何抗擊，已成為加強防空的重大課題。大量的事實證明，巡航飛彈是可以抗擊的，在北約轟炸南聯盟時，就有42枚巡航飛彈被南聯盟軍隊擊落。然而，抗擊巡航飛彈的關鍵是要及早發現並能探測和跟蹤巡航飛彈，只有及早發現，才能調動有效攻擊資源，並採用分層處理的辦法抗擊巡航飛彈。

空中目標既有發動機的紅外輻射，又有蒙皮的紅外輻射，總的輻射角分布應該是這兩種輻射在某角度上的線性疊加，巡航飛彈和其它飛彈的總輻射角分布，不論是助推段還是慣性段都可以使用上述原則處理。巡航飛彈和其它飛彈的紅外輻射由四部分組成:

1)巡航飛彈發動機及尾噴管紅外輻射溫度；

尾噴管或發動機外罩輻射，它們長時間受到熱氣流和加熱，使這部分金屬在高溫下氧化後形成氧化膜，金屬氧化膜的輻射率一般都高於金屬本身的輻射率，因此在各種軍事目標中，這部分紅外輻射往往大於其它部分的紅外輻射。

2)尾焰輻射。

尾焰是指發動機噴管的熾熱的“火球”，飛彈的速度越大，尾焰的“火球”也越大，溫度也越高。在海平面上射程為600～1000km的飛彈，可認為其尾焰長度在20m以上。飛彈尾焰隨著飛行高度的增加而增大。在真空時紅外尾焰能達到300m以上，洲際飛彈的紅外尾焰長度在高真空可達900m以上。飛彈尾焰的輻射強度與發動機推力、燃料種類等直接相關。飛彈尾焰是紅外輻射源，不論液體燃料、還是固體燃料的飛彈，在最大輻射亮度區2。7μm和4。4μm帶的峰值光譜輻射亮度基本保持不變，有一個峰值。

3)蒙皮輻射。

隨著探測技術的不斷發展，探測巡航飛彈以及其它飛行器蒙皮的紅外輻射手段及設備不斷增加，巡航飛彈以及其它飛行器目前已成為全方位告警的紅外源。隨著飛彈速度的增加，其溫度呈指數曲線上升，因而紅外輻射能量急劇增加(與溫度成四次方關係)，例如，一枚在1km高空以Ma=2。5飛行的飛彈，10s後蒙皮溫度可高達700K。

4)尾後羽狀廢氣氣柱的紅外輻射。

巡航飛彈以及其它飛彈尾後羽狀廢氣氣柱也是一種紅外輻射源。廢氣氣柱的主要成分是二氧化碳和微小固體炭微粒。高溫的，運動的廢氣氣柱主要輻射波段在3～5μm和8～14μm，隨著廢氣團在空氣中不斷擴散，溫度急劇下降，不但輻射能量很快下降，而且輻射曲線的峰值波長也迅速向長波方向移動。

地面目標紅外特徵模擬

目標紅外輻射特徵的模擬技術，以其重要的軍事意義，日益成為國內外各大研究機構爭相研究的技術領域之一。在國外，以美國為主的許多國家的研究機構在這方面做了大量的工作，已經成功地建立了坦克、軍艦、飛機等目標的紅外特徵理論模型。在國內，部分單位對軍事目標紅外輻射理論建模等開展了研究，取得了一系列研究成果，但大多研究都針對的是目標的穩態紅外輻射特徵，而對目標的瞬態紅外輻射特徵的研究則開展的比較少，也不夠系統，不能達到對目標進行實時動態模擬的要求。

地面目標，尤其是重要的軍事目標，由於其機動性差、隱蔽困難，而軍事意義又極為重要，極易成為敵方紅外製導武器的打擊目標。所以對目標在各氣象條件、作戰環境下瞬態紅外輻射特徵進行研究與分析，從而為其紅外偽裝與紅外對抗提出合理可靠的建議是十分重要和有意義的。

計算模型

地面目標具有複雜的幾何形狀，且內外表面均為複雜的對流和輻射耦合換熱，所以是一個非線性輻射、對流邊界條件下的複雜形狀的三維瞬態導熱問題。為了使動態模擬順利進行，可以做如下假定：1)由於目標圍護結構(牆壁或屋頂)長，寬尺寸遠大於厚度尺寸(如圖1所示)，這樣可把三維導熱問題簡化為一維問題。2)目標圍護結構為均勻連續、各向同性的常物性結構。3)室內對流換熱係數和室內空氣溫度恆定。4)由於目標內壁間溫差很小，所以只考慮內壁面與室內空氣之間的對流換熱，忽略各內壁面之間的輻射換熱。

1。控制方程

基於以上假定，目標結構的導熱微分方程為

其中T(x，t)為t時刻x位置處的溫度(K)；a為該處材料的導溫係數(m²/s)。

2。邊界條件

根據假定，內表面邊界條件為

其中q_ci為內表面與室內空氣對流換熱量(W/m²)。

採用數值傳熱學的方法[8]，可計算出地面目標維護結構外表面的溫度場與輻射強度場隨時間的變化規律。其瞬態熱平衡過程可表達為其中K為傳導矩陣；C為比熱矩陣；T為節點溫度向量；T􀀅為溫度對時間導數；Q為節點熱流率向量。

結論

1)利用該模型能夠模擬出地面目標的瞬時紅外輻射特徵。

2)目標的紅外輻射主要集中在8∼12μm波段，從紅外隱身與對抗的角度分析該波段應成為考慮的重點。

3)輻射場和紅外探測系統對目標的作用距離的模擬結果所選取的時刻為上午5:00與下午3:00，其它時刻的模擬值大體上介於這兩時刻模擬值之間。當然其具體值還與季節、氣象條件、目標結構和材料等因素有關。

4)隱身塗料對作用距離的影響十分明顯，無論是3∼5μm波段還是8∼12μm都在一定程度上降低了紅外成像探測系統對目標在各方向上的最大作用距離。