王少白 宋璐

摘 要：【目的】為了解決單純紅外探測無法直接獲取距離信息的問題，對紅外雙波段被動測距技術(shù)展開研究?！痉椒ā坷媚繕说募t外雙波段輻射強度比值隨大氣衰減變化情況不同的原理，通過解算可獲得目標距離信息?！窘Y(jié)果】本研究對國內(nèi)外紅外雙波段被動測距的相關(guān)研究成果進行總結(jié)，并對其關(guān)鍵技術(shù)和后續(xù)應(yīng)用進行分析。【結(jié)論】紅外雙波段被動測距技術(shù)可實現(xiàn)空中目標的單站測距定位，具有一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：紅外；雙波段；被動測距

中圖分類號：TN219? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.002

Research on the Technology of Infrared Dual-Band Passive Ranging

WANG Shaobai1 SONG Lu2

（1.Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China; 2.School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problem that the distance information cannot be obtained directly by infrared detection alone， studies the infrared dual-band passive ranging technology. [Methods] Based on the principle that the ratio of infrared dual-band radiation intensity of the target varies with atmospheric attenuation， the target distance information can be obtained by calculation. [Findings] This study summarizes the relevant research results of infrared dual-band passive ranging at home and abroad， and analyzes its key technologies and subsequent applications. [Conclusions] The infrared dual-band passive ranging technology can realize the single-station ranging and positioning of aerial targets， which has certain research significance.

Keywords：infrared; dual-band; passive ranging

0 引言

紅外系統(tǒng)是利用背景和目標在紅外波段輻射量上的差異來實現(xiàn)對目標的探測，其具有分辨率高、隱蔽探測、不受傳統(tǒng)電磁干擾影響等優(yōu)勢。但紅外探測的二維成像探測原理決定其不能直接用于獲取目標的距離信息，還要結(jié)合雷達、激光等主動輻射系統(tǒng)才能實現(xiàn)對目標的測距［1］。而雷達、激光等主動測距系統(tǒng)一旦主動輻射雷達波或激光光束，很容易被敵方探測并定位，并有可能遭受敵方的打擊。因此，只依靠紅外被動探測技術(shù)來實現(xiàn)對目標的測距定位具有重要意義，世界各國均開展了被動測距技術(shù)的相關(guān)研究。

雙波段被動測距是利用目標不同紅外波段的輻射經(jīng)大氣傳輸衰減后輻射強度之比不同的原理，通過對輻射量測量和數(shù)據(jù)的處理，得到目標的相對距離?？罩心繕耍ㄈ鐚?dǎo)彈、飛機等）在蒙皮與大氣摩擦生熱或發(fā)動機尾焰噴射過程中，會不斷向外輻射寬譜紅外能量，而不同波段的輻射經(jīng)大氣衰減的程度不同。因此，紅外系統(tǒng)探測到的輻射強度比值也會隨距離的變化而有所不同，通過不同波段的輻射量比值就能計算出距離的遠近。通過特定的數(shù)據(jù)測量和處理手段，就能得到相應(yīng)的距離信息，從而完成對目標的紅外被動定位［2］。

1 國外研究進展

1.1 美國國防部研究所

1994年，Jeffrey等［3］基于目標在雙波段的不同照度信息提出一種被動測距的方法，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈被動段測距系統(tǒng)中。其紅外系統(tǒng)共有兩個波段，通過對比不同波段的紅外輻射量來完成對目標的測距。目標距離的計算公式見式（1）。

式中：[L0]為初始迭代距離。

[L']的計算公式見式（2）。

式中：C為目標雙波段輻射量之比；B為紅外系統(tǒng)探測到的不同波段輻射量之比；[T1]、[T2]分別為相應(yīng)波段的大氣衰減因子；h、[H]分別為大氣模型中相關(guān)常數(shù)。在上述變量中，輻射量之比、大氣衰減等因素的精度會影響到測量結(jié)果的準確程度。

1999年，美國國防工業(yè)科研機構(gòu)使用上述方法對其測距進行研究和試驗，見式（3）［4］。

式中：[C=Sλ2Sλ1]，[Sλi]為目標在相應(yīng)波段的輻射強度；[Δταλi，h，R=exp [-（αλ2-αλ1）ρ0hMhTe-h/HcosφdR]]為大氣透過率，其中[αλi]、[ρ0]、h、H均為大氣模型參數(shù)，hT和hM分別為目標的高度和載機的高度；[Aλi=SλiΔ?R2Δτ（αλi，h，R）]，其中[Δ?]為傳感器的瞬時視場角，R為目標距離。

1.2 加拿大安大略省SPAR航空航天公司

1994年，加拿大安大略省SPAR航空航天公司的Dennis等［5］申請美國專利，其推導(dǎo)出的雙波段被動測距公式見式（4）。

式中：[λi]為相應(yīng)波長；[NT（λ）]為目標輻射亮度；[NBB（λ，Ta）]為背景輻射亮度；[Ta]為背景溫度；[αi，j]、[βi，j]為大氣模型參數(shù)。

1.3 韓國先進科學與技術(shù)協(xié)會

2013年，韓國先進科學與技術(shù)協(xié)會的Cho等［6］對大氣中紅外目標的被動測距技術(shù)進行研究。根據(jù)大氣吸收和散射的特性，并結(jié)合黑體輻射定理，給出距離d和溫度T的計算公式，見式（5）。

式中：[LT（λ）]為探測器接收到的光譜輻照度；[ελLbb（λ，TT）]為目標近似為灰體的輻出射度；[τλ]為透射率；[Lbbλ，TT=c1λ5（1ec2/λT-1）]，c1和c2為普朗克公式中常數(shù)。

由多個波長的測量結(jié)果，通過計算即可得到距離和溫度。該研究團隊進一步分析得到最佳的測試條件，即目標溫度為500 K、距離為2 000 m、輻射標準差為0.02、輻射率為0.7。在此條件下，測距誤差小于10%（95%置信概率）。

2 國內(nèi)研究進展

2.1 西安電子科技大學

西安電子科技大學的付小寧［2］自2002年開始研究紅外被動測距方法。2006年，該團隊提出一種新的測距算法，其認為前后時刻內(nèi)遠距離點源目標的輻射強度不變，在美國海軍大氣模型的基礎(chǔ)上，利用目標輻照度分別得到中波和長波波段的目標距離計算公式［7］，見式（6）。

式中：[E1n]、[E1（n+1）]、[E2n]、[E2（n+1）]均為觀測量；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]為按現(xiàn)場情況選定的海軍紅外輻射傳輸模型參數(shù)；[Rn]、[Rn+1]為連續(xù)兩次測量時的目標距離未知數(shù)。因此，上述方程組可解。經(jīng)研究后認為該方法的可行性要優(yōu)于使用大氣消光系數(shù)的計算方法。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，當輻照度的測量誤差為5%時，在1～22 km的距離，估計誤差要小于5%。

2007年，該研究團隊在原有研究的基礎(chǔ)上，進一步利用不同波段對比度差異，從而進行被動測距［8］。結(jié)合系統(tǒng)瞬時視場，以美國海軍大氣模型為基礎(chǔ)來計算大氣衰減，從而得到中波和長波波段下對比度與目標距離之間的函數(shù)關(guān)系，見式（7）。

式中：[Cmn]為觀測對比度；[α1]、[α2]、[β1]、[β2]為按現(xiàn)場情況選定的海軍紅外輻射傳輸模型參數(shù)；[Ri]為距離。

2.2 電子工程學院

電子工程學院的路遠等［9］自2003年開始研究紅外被動測距方法。2003年，該團隊對紅外輻射雙色比值的大氣傳輸進行研究，基于大氣消光系數(shù)，根據(jù)目標輻射量來計算目標距離，并給出典型空中目標在不同波段比值經(jīng)大氣衰減的變化趨勢圖。研究認為，消光系數(shù)與波長緊密相關(guān)，分別受吸收和散射效應(yīng)的影響。因此，消光系數(shù)[μλ]的計算見式（8）。

式中：[μa]、[μs]分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù)。

由吸收和散射造成的大氣透射比的計算見式（9）。

分別測量得到中波和長波波段的輻射量，即可求解出目標距離，見式（10）。

式中：[?10]為第一波段第一次測量到的輻射通量；[?11]為第一波段第二次測量到的輻射通量；[?20]、[?21與?10]、[?11]類似。根據(jù)公式（10）即可計算得到[R1]、[R2]。

2012—2013年，該團隊使用比色法對空中目標進行測距研究，得到不同波段內(nèi)目標輻射強度之比隨目標溫度、距離、大氣消光系數(shù)等因素變化的理論公式［10-11］。通過研究可知，大氣狀態(tài)在較短的時間間隔內(nèi)的變化可忽略不計，則消光系數(shù)為恒值。通過測量三個不同波段的輻射量之比，進一步計算得到目標距離，見式（11）。

式中：[?為]接收到的輻射通量；[λ]為波長；[T]為物體的開氏溫度；[C2]為普朗克公式中第二輻射常數(shù)；[μ]為消光系數(shù)；R為目標距離。

對公式（11）中的方程組進行求解，得到目標的距離和溫度。由于該方程組較為復(fù)雜，難以獲得相應(yīng)的解析解。因此，可對其進行轉(zhuǎn)化，將R寫為[T]的函數(shù)，見式（12）。

用公式（12）中的方程組作兩條距離R關(guān)于T的曲線，則曲線交點處的橫縱坐標即為目標溫度和目標距離。

2.3 國防科技大學

2007年，國防科技大學的白學福等［12］對紅外雙波段被動測距技術(shù)進行研究。該研究團隊利用3～5 μm和8～12 μm兩個大氣窗口進行紅外被動測距研究。設(shè)3～5 μm的波段為1波段，8～12 μm的波段為2波段，則二者之間的計算公式見式（13）。

式中：[pn（i）]為第n波段第i時刻測量的目標光譜輻射功率；[R（i）]為第i時刻目標距離。

進一步求解即可得到目標距離，見式（14）。

只用測量出前后兩組輻射的功率之比，就可得到目標距離，不用計算具體的輻射量值。

2010年，國防科技大學楊德貴等［13］利用紅外面目標在不同波段的圖像，對目標距離和溫度的表達式進行研究。假設(shè)對目標區(qū)域內(nèi)的同一位置A，其表觀溫度相同（設(shè)為[TA]），目標區(qū)域距離探測器的距離記為[rA]，在中波和長波紅外傳感器圖像中此區(qū)域的輻亮度分別為[LM]和[LL]，大氣溫度為[Tα]，中波和長波波段的大氣消光系數(shù)分別為[μM]和[μL]，相關(guān)計算公式見式（15）。

由此可求得目標區(qū)域與探測器的距離和表觀溫度，見式（16）。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

雙波段測距的關(guān)鍵包括建立測距模型、測距誤差控制。

3.1 建立測距模型

經(jīng)過大氣傳輸后到達觀測系統(tǒng)的目標紅外輻射，其衰減效應(yīng)可用目標相對距離的函數(shù)來表示。在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，可通過輻射測量來實現(xiàn)對目標距離的定位。研究人員據(jù)此推導(dǎo)出不同的計算公式，包括基于強度的被動測距算法、基于對比度的被動測距算法、基于初始距離已知的被動測距算法，而每種算法所使用的大氣傳輸模型可能是基于比爾-朗伯定律，也可能是基于美國海軍R400數(shù)據(jù)庫的實測結(jié)果。根據(jù)選擇的計算公式和大氣模型的不同，得到的測距結(jié)果也有所差異。因此，測距模型的選取和優(yōu)化是雙波段測距的關(guān)鍵，應(yīng)對其進行擇優(yōu)選擇，從而提高測距精度。

3.2 測距誤差控制

在紅外雙波段被動測距公式中，主要涉及大氣消光系數(shù)、由傳感器測量得到的紅外光強度。大氣消光系數(shù)與實時的大氣狀態(tài)密切相關(guān)，各種氣象條件（如陰、晴、霧、雨、雪、霾等）的變化，都會導(dǎo)致消光系數(shù)發(fā)生變化。對于固定的氣象條件，大氣透過率也會因時間或地點的不同而發(fā)生很大變化，對于惡化的環(huán)境條件和超長的傳輸途徑，大氣透過率的差異會更大。因此，大氣消光系數(shù)是一個非常重要的誤差源。紅外傳感器的輸出受其靈敏度、非均勻性、暗電流的影響，從而產(chǎn)生不同程度的噪聲，即傳感器的測量結(jié)果同樣存在誤差，最終影響測量精度。

4 結(jié)語

根據(jù)文獻報道分析，目前對紅外雙波段被動測距技術(shù)的研究仍處于實驗室階段（含外場試驗），未發(fā)現(xiàn)實際地基、機載或艦載裝備的真實應(yīng)用案例。對機載應(yīng)用而言，若能將二者結(jié)合，可得到態(tài)勢預(yù)警信息，通過雙波段紅外被動測距和被動測角的定位來估算出態(tài)勢級的距離，距離誤差即使在5～10 km量級，對輔助飛行員進行態(tài)勢判斷和戰(zhàn)術(shù)選取也有著一定的實際意義。對受裝機條件限制而無法實現(xiàn)雙波段系統(tǒng)的產(chǎn)品，可考慮將單波段紅外輻射特性測量和單機被動測角定位的算法進行結(jié)合，從而實現(xiàn)粗態(tài)勢級的距離估計，但還要進一步開展理論分析和試驗試飛的相關(guān)工作。

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