本發(fā)明屬于光電檢測與光電對(duì)抗技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種紅外目標(biāo)被動(dòng)測距方法，可用于對(duì)空中和地面紅外目標(biāo)的被動(dòng)定位。

背景技術(shù)：

在電子對(duì)抗環(huán)境中，與主動(dòng)測距的雷達(dá)系統(tǒng)相比，被動(dòng)測距方法因其隱蔽性好和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受追捧。紅外探測系統(tǒng)是典型的被動(dòng)探測系統(tǒng)，由于它不會(huì)向?qū)Ψ侥繕?biāo)輻射任何能量，只是通過接收目標(biāo)輻射的熱能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤，因而不易被對(duì)方目標(biāo)偵察或定位，具有極大的生存能力；與此同時(shí)，紅外探測系統(tǒng)還具有很強(qiáng)的辨?zhèn)文芰?，因此，紅外探測系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。資料顯示，國內(nèi)外基于大氣吸收特性的紅外被動(dòng)測距根據(jù)波段選取可分為三大類：紅外單波段被動(dòng)測距，紅外雙波段被動(dòng)測距和紅外三波段被動(dòng)測距。目前，美國空軍技術(shù)研究所已經(jīng)研究的“基于紅外及可見波段氧氣傳輸衰減的火箭羽流被動(dòng)測距方法”(見文獻(xiàn)[1]:Vincent R A,Hawks M.R..Passive Ranging of Dynamic Rocket Plumes using Infrared and Visible Oxygen Attenuation[C]，Proc.Of SPIE Acquisition,Tracking,Pointing,and Laser Systems Technologies XXV，2010(8052):80520D-1.)，屬于紅外單波段被動(dòng)測距的范疇，詳細(xì)地說明了O₂、CO₂的大氣傳輸特性，并證明了762nm附近波段只有氧氣吸收帶，不受天氣影響，其采用的逐線積分方法，雖然可以給出精確地帶平均吸收系數(shù)，但計(jì)算量過大，對(duì)系統(tǒng)資源占用過多，實(shí)時(shí)性差。在國內(nèi)，喬亞等人研究的“紅外雙色單站被動(dòng)定位方法”(見文獻(xiàn)[2]:喬亞,路遠(yuǎn),楊華.紅外雙色單站被動(dòng)定位方法[J].半導(dǎo)體光電,2014,35(1):100-103.)，屬于紅外雙波段被動(dòng)測距的范疇，選擇0.75～3/3～5μm兩個(gè)大氣窗口作為工作波段，設(shè)計(jì)了合作目標(biāo)與非合作目標(biāo)的紅外雙色單站被動(dòng)定位算法，通過實(shí)例計(jì)算的方式證明了該方法的正確性和有效性，分析了雙色消光系數(shù)差異大小以及目標(biāo)溫度高低對(duì)測距定位性能的影響，得出了雙色消光系數(shù)差異越小、目標(biāo)溫度越高，越有利于測距定位的結(jié)論，但該定位算法僅對(duì)1000K以上的空中目標(biāo)在20km的測距范圍內(nèi)才有較好的測距精度，對(duì)低溫目標(biāo)，如500K以下的物體，即使在5km的范圍內(nèi)，測距效果也很差，由此可知該定位算法對(duì)目標(biāo)的適用范圍較窄。路遠(yuǎn)等人研究的“紅外三色被動(dòng)測距”(見文獻(xiàn)[3]:路遠(yuǎn),馮云松,凌永順,等.紅外三色被動(dòng)測距[J].光學(xué)精密工程,2012,20(12):2680-2685.)，屬于紅外三波段被動(dòng)測距的范疇，選擇8.5μm、9.0μm和9.5μm三個(gè)波長作為色比波段，推導(dǎo)了目標(biāo)輻射強(qiáng)度色比與目標(biāo)溫度、輻射傳輸距離、大氣消光系數(shù)之間的關(guān)系，在大氣消光系數(shù)相對(duì)固定時(shí)，通過測量不同波長的輻射強(qiáng)度比值對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了測距，推導(dǎo)出了紅外三色比距離方程，但是該測距公式的探測精度嚴(yán)重受限于目標(biāo)所處的周圍環(huán)境和探測距離。

綜上所述，結(jié)合國內(nèi)外紅外被動(dòng)測距發(fā)展的現(xiàn)狀，針對(duì)空中和地面不同溫度紅外目標(biāo)的定位，研究一種能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速距離解算的被動(dòng)測距方法，增強(qiáng)測距方法適用性、提高測距精度和擴(kuò)寬測距范圍，是當(dāng)前亟需解決的問題，且具有重大研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述被動(dòng)測距方法的不足，提出了一種自適應(yīng)紅外雙波段被動(dòng)測距方法，以增強(qiáng)測距的適用性，擴(kuò)寬測距范圍，提高測距精度和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

(1)根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)被測目標(biāo)所處方位和類型進(jìn)行初步評(píng)估；

(2)利用相應(yīng)輔助系統(tǒng)獲得探測系統(tǒng)在距離解算時(shí)所需的大氣溫度和濕度參數(shù)；

(3)建立基于紅外雙波段的被動(dòng)測距模型；

3a)根據(jù)步驟(1)中得到的被測目標(biāo)類型和空間位置，將被測目標(biāo)等效為不同溫度的黑體，利用普朗克定律分別計(jì)算出不同溫度的黑體在0.76～3μm的短波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_S(λ)、在3～5μm的中波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_M(λ)和8～12μm的長波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_L(λ)，其中λ為波長；

3b)利用步驟(2)中獲得的氣象參數(shù)，計(jì)算在該氣象條件下的消光系數(shù)μ(λ)，并根據(jù)朗-伯比爾吸收定律計(jì)算出不同傳輸距離r下相應(yīng)工作波段內(nèi)各波長下的大氣透過率τ(λ,r)＝e^-μ(λ)r；

3c)結(jié)合步驟3a)和3b)得到的光譜輻出度和大氣透過率，分別計(jì)算出黑體在短波、中波和長波三個(gè)大氣窗口內(nèi)不同溫度黑體和傳輸距離條件下的多組輻照度I_S、I_M和I_L，其中I_S是短波輻照度，I_M是中波輻照度，I_L是長波輻照度；

3d)初始化雙波段被動(dòng)測距的第一工作波段數(shù)據(jù)陣I₁、第二工作波段數(shù)據(jù)陣I₂以及傳輸距離數(shù)據(jù)陣R，這三個(gè)數(shù)據(jù)陣的維度與步驟3c)中計(jì)算出的輻照度組數(shù)相等；

3e)比較步驟3c)中得到的每一組輻照度I_S、I_M和I_L，剔除輻照度最小的數(shù)據(jù)項(xiàng)，將剩下的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)中較大的數(shù)據(jù)項(xiàng)放入雙波段被動(dòng)測距的第一工作波段數(shù)據(jù)陣I₁中，將較小的數(shù)據(jù)項(xiàng)放入第二工作波段數(shù)據(jù)陣I₂中，再將與每組輻照度對(duì)應(yīng)下的傳輸距離r放入傳輸距離數(shù)據(jù)陣R中；

3f)定義傳輸距離數(shù)據(jù)陣R與兩個(gè)工作波段數(shù)據(jù)陣I₁、I₂的函數(shù)關(guān)系為：R＝f(I₁,I₂)，建立傳輸距離與兩個(gè)工作波段內(nèi)輻照度的函數(shù)關(guān)系式為：

式中，p₁,p₂,…,p₉為各項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值取決于當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象條件，由傳輸距離數(shù)據(jù)陣內(nèi)的傳輸距離和兩個(gè)工作波段數(shù)據(jù)陣內(nèi)的輻照度通過線性回歸方法求得；

(4)利用紅外探系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，將被測目標(biāo)在短波窗口內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際輻照度中波窗口內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際輻照度以及長波窗口內(nèi)產(chǎn)生的輻照度進(jìn)行比較，選擇數(shù)值較大的兩組輻照度代入測距函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算出被測目標(biāo)的距離。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明由于在輻射信號(hào)接收部分采用短波、中波和長波三個(gè)大氣窗口接收，對(duì)于不同溫度目標(biāo)的紅外輻射都有匹配的大氣窗口進(jìn)行接收，使得該被動(dòng)測距方法對(duì)高溫目標(biāo)和低溫目標(biāo)都具有很好的適應(yīng)性和測量精度，與現(xiàn)有技術(shù)相比，擴(kuò)大了被動(dòng)測距對(duì)目標(biāo)的適用范圍。

2)本發(fā)明由于在距離解算時(shí)，動(dòng)態(tài)選擇接收輻射信號(hào)量較多的兩個(gè)大氣窗口作為工作波段，使得該被動(dòng)測距方法對(duì)于遠(yuǎn)距離紅外目標(biāo)具有較高的可測度和分辨能力，與現(xiàn)有技術(shù)相比，擴(kuò)大了被動(dòng)測距的測距范圍和提高了對(duì)目標(biāo)的分辨能力。

3)本發(fā)明由于在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測距前，不需要考慮目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況，僅對(duì)目標(biāo)輻射在三個(gè)大氣窗口的輻照度做一次比較確定其工作波段，利用等效黑體輻射理論建立被動(dòng)測距模型，同時(shí)在后續(xù)對(duì)該目標(biāo)的跟蹤測量中只需將目標(biāo)在兩工作波段內(nèi)產(chǎn)生的輻照度帶入被動(dòng)測距模型即可計(jì)算出目標(biāo)的距離信息，降低了距離反演過程中的大量計(jì)算，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該被動(dòng)測距方法具有較高的實(shí)時(shí)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測距原理框圖；

圖2為本發(fā)明中不同溫度黑體在三個(gè)大氣窗口內(nèi)的光譜輻照度圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

參照圖1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，對(duì)被測目標(biāo)所處方位和類型進(jìn)行初步評(píng)估。

被測目標(biāo)包括高溫空中目標(biāo)和常溫或低溫地面目標(biāo)，如飛機(jī)、導(dǎo)彈等屬于高溫空中目標(biāo)，坦克、裝甲車等屬于常溫或低溫地面目標(biāo)。

根據(jù)實(shí)際需求，選取被測目標(biāo)，并對(duì)被測目標(biāo)所處方位進(jìn)行初步評(píng)估，假設(shè)在本實(shí)施例中被測目標(biāo)為空中某型號(hào)的噴氣式飛機(jī)，對(duì)其所處方位和類型進(jìn)行初步評(píng)估的過程如下：

1a)利用三組不同接收波段的紅外探測器對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行一次測量，分別得到該目標(biāo)在不同大氣窗口內(nèi)的光譜輻照度，即通過第一組0.76～3μm波段的傳感器測得該目標(biāo)在短波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_S＝2141.874376；通過第二組3～5μm波段的傳感器測得該目標(biāo)在中波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_M＝2560.243602，通過第三組8～12μm波段的傳感器測得該目標(biāo)在長波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_L＝978.549796；

1b)根據(jù)普朗克定律知高溫目標(biāo)在短波窗口和中波窗口內(nèi)的光譜輻照度大于長波窗口內(nèi)的光譜輻照度，比較三組輻照度，I_M＞I_S＞I_L，由于該飛機(jī)在短波和中波窗口的光譜輻照度大于其在長波窗口內(nèi)的光譜輻照度，因此將該飛機(jī)視為高溫目標(biāo)。

步驟2，利用相應(yīng)輔助系統(tǒng)獲得探測系統(tǒng)在距離解算時(shí)所需的大氣溫度和濕度參數(shù)。

利用溫濕度傳感器獲得該條件下的大氣溫度和濕度，設(shè)溫度傳感器測得的氣溫T＝21℃，濕度傳感器測得的大氣相對(duì)濕度RH＝53％。

步驟3，建立基于紅外雙波段的被動(dòng)測距模型。

3a)在確定目標(biāo)類型后，將該目標(biāo)等效為溫度范圍在600K到1200K的黑體，溫度變化步長設(shè)為100K，利用普朗克定律分別計(jì)算出不同溫度的黑體在0.76～3μm的短波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_S(λ)、在3～5μm的中波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_M(λ)和8～12μm的長波窗口中產(chǎn)生的光譜輻出度M_L(λ)，普朗克定律計(jì)算表達(dá)式如下：

式中，c₁＝3.741832×10⁴為第一輻射常數(shù)，c₂＝1.438786×10⁴為第二輻射常數(shù)，M(λ,T)為黑體的光譜輻出度，T為絕對(duì)溫度，λ為波長；

在600K到1200K不同溫度下，得到等效黑體在三個(gè)大氣窗口內(nèi)產(chǎn)生的光譜輻出度值如附圖2所示，圖2的橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為光譜輻出度值；

3b)計(jì)算氣溫T為21℃時(shí)，相對(duì)濕度RH在53％下的消光系數(shù)μ(λ)，并根據(jù)朗-伯比爾吸收定律計(jì)算出不同傳輸距離r下相應(yīng)工作波段內(nèi)各波長的大氣透過率τ(λ,r)＝e^-μ(λ)r，其中消光系數(shù)μ(λ)＝α(λ)+γ(λ)，α(λ)為吸收系數(shù)，γ(λ)為散射系數(shù)，因此大透過率又可以改寫為：

式中，τ_α(λ,r)＝e^-α(λ)r為純吸收時(shí)的透過率，τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r為純散射收時(shí)的透過率。

計(jì)算大氣透過率τ(λ,r)，可先通過分別計(jì)算純吸收時(shí)的透過率τ_α(λ,r)和純散射收時(shí)的透過率τ_s((λ,r)后，再根據(jù)公式<2>求得。

下面以計(jì)算傳輸距離r＝16km，波長λ＝1.6μm處的大氣透過率τ(λ,r)為例，描述其計(jì)算過程：

3b1)計(jì)算純吸收時(shí)的透過率τ_α(λ,r)＝e^-α(λ)r，采用表格法進(jìn)行求解，表格數(shù)據(jù)可在被動(dòng)測距建模前給出，經(jīng)查表可得，在傳輸距離r＝16km上波長λ＝1.6μm處純吸收時(shí)的透過率τ_α＝0.662；

3b2)計(jì)算純散射時(shí)的透過率τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r，γ(λ)為散射系數(shù)，在紅外區(qū)域，可以忽略瑞利散射，因此散射系數(shù)可以表示為：

式中，V是氣象視程，λ₀＝0.55μm，λ為波長，q為常數(shù)，根據(jù)氣象視程取值：V>80km時(shí)q＝1.6，6<V<80km時(shí)q＝1.3，V<6km時(shí)q＝0.585V¹³，氣象視程V通過指定波長λ₀＝0.55μm的大氣透過率來計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中，r為傳輸距離，τ_s(λ₀,r)為指定波長λ₀處的散射透過率，在本實(shí)施例的氣象條件下，其值為0.352，將r＝16km，τ_s(λ₀,r)＝0.352代入式<4>，解得氣象視程V＝60km，又因?yàn)?<V<80km所以q值取1.3，再將V＝60km和q＝1.3代入式<3>，可解得傳輸距離r＝16km上波長λ＝1.6μm處的散射系數(shù)γ(1.6)＝0.0163，再將γ(1.6)＝0.0163代入τ_s((λ,r)＝e^-γ(λ)r，解得該氣象條件下的純散射透過率τ_s＝0.77；

3b3)將τ_α＝0.662和τ_s＝0.77代入式<2>，可得大氣透過率τ＝0.51，以同樣的方法，改變傳輸距離r和波長λ的組合方式，依次計(jì)算出r分別為3km,4km,5km,6km,7km,8km,10km,12km,14km,16km,18km,20km,25km,30km,35km,40km,45km,50km和λ為0.76,0.77,…,3.00μm，3.00,3.01,…,5.00μm，8.00,8.01,…,12.00μm各組合下的大氣透過率；

3c)在得到的輻出度和大氣透過率之后，分別計(jì)算出黑體在短波、中波和長波三個(gè)大氣窗口內(nèi)不同條件下的多組輻照度I_S、I_M和I_L，在本實(shí)施例中輻照度組數(shù)為126組，輻照度計(jì)算公式為：

3d)將雙波段被動(dòng)測距的第一工作波段數(shù)據(jù)陣I₁、第二工作波段數(shù)據(jù)陣I₂以及傳輸距離數(shù)據(jù)陣R初始化為維數(shù)是126×1的一維矩陣；

3e)比較每一組輻照度I_S、I_M和I_L，剔除輻照度最小的數(shù)據(jù)項(xiàng)，將剩下的兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)中較大的數(shù)據(jù)項(xiàng)放入雙波段被動(dòng)測距的第一工作波段數(shù)據(jù)陣I₁中，將較小的數(shù)據(jù)項(xiàng)放入第二工作波段數(shù)據(jù)陣I₂中，再將與每組輻照度對(duì)應(yīng)下的傳輸距離r放入傳輸距離數(shù)據(jù)陣R中；

3f)在得到雙波段被動(dòng)測距的第一工作波段數(shù)據(jù)陣I₁、第二工作波段數(shù)據(jù)陣I₂和傳輸距離數(shù)據(jù)陣R后，定義傳輸距離數(shù)據(jù)陣R與兩個(gè)工作波段數(shù)據(jù)陣I₁、I₂的函數(shù)關(guān)系為：R＝f(I₁,I₂)；

利用1stOpt軟件對(duì)傳輸距離數(shù)據(jù)陣R中的距離值與兩個(gè)工作波段數(shù)據(jù)陣I₁和I₂中的輻照度值進(jìn)行線性回歸，建立傳輸距離與兩個(gè)工作波段內(nèi)輻照度的函數(shù)關(guān)系式為：

式中，p₁,p₂,…,p₉為各項(xiàng)系數(shù)，在該條件下的值分別為：p₁＝962.434324，p₂＝-0.976323，p₃＝0.221827，p₄＝0.000253，p₅＝-0.000135，p₆＝0.000023，p₇＝-40.972861，p₈＝20.538456，p₉＝0.019803。

步驟4，計(jì)算被測目標(biāo)的距離。

利用紅外探測系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，將被測目標(biāo)在短波窗口內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際輻照度中波窗口內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際輻照度以及長波窗口內(nèi)產(chǎn)生的輻照度進(jìn)行比較，選擇數(shù)值較大的兩組輻照度代入測距函數(shù)關(guān)系式<6>，計(jì)算出被測目標(biāo)的距離。

本發(fā)明的效果可同過仿真實(shí)例進(jìn)一步說明：

1.仿真條件

用溫度為950K的黑體模擬飛機(jī)，設(shè)某時(shí)刻目標(biāo)在距探測器16km，天頂角為30°的斜上方空域。

2.仿真內(nèi)容

利用紅外探測系統(tǒng)對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行測量，即用第一組0.76～3μm傳感器測得該目標(biāo)在短波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_S＝2145.205877，用第二組3～5μm傳感器在中波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_M＝2573.036192，用第三組8～12μm傳感器在長波窗口內(nèi)的光譜輻照度I_L＝996.076854；

比較三組輻照度，I_M＞I_S＞I_L，將I_M和I_S代入測距函數(shù)關(guān)系式公式<6>中，利用1stOpt軟件解得該目標(biāo)和紅外探測器的距離R＝15.9985215km，其與實(shí)際值16km的相對(duì)誤差在1％以內(nèi)；

用同樣的方法對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行其他位置測量，其最大測距范圍是50km，最大誤差不超過3％；

用同樣的方法對(duì)300K的地面常溫目標(biāo)進(jìn)行測量，其最大測距范圍是5km，最大相對(duì)誤差不超過2％。