[科普中国]-红外特征

红外目标的特征是基于它的辐射特性和目标与背景间的关系来确定的，据此提出如下的特征量:

1)复杂度(Complexity):边界像素点数与总目标像素点数的比值。

2)长宽比(Length/Width):目标最小外接矩形的长度与宽度之比值。

3)均值对比度(MeanContrast):目标灰度均值与背景灰度均值的比值。

4)最大亮度(MaximumBirghtness):目标像素点的最大灰度值，即目标最亮点灰度值。

5)对比度(ContasrtRatio):目标最亮像素点灰度值与目标最暗像素灰度值之比值。

6)均值差(DifferenceofMaens):目标灰度均值与局部背景灰值之间的差值。

7)标准偏差(SatndadrDeviation):目标像素点灰度值的标准偏差。

8)部分最亮像素点数/目标总像素数的比值(RaitoBirghtPixels/TotalPixels):比目标最亮点亮度小10%以内的像素点个数与目标总像素个数之间的比值。

9)紧凑度(Compactness):目标像素数与包围目标的矩形内的像素数之间的比值。1

上述9个特征量反映了目标的几何、物理特性及目标与背景的关系，如果把它们综合考虑，就可以获得目标红外特征的一个比较全面的描述，以目标特征向量的形式获得这一描述。

设目标I的特征量Fi(i=1，2，…，9)，依次是我们定义的9个特征量，用它们组成目标的特征向量FI，组成形式为

FI=[F1，F2。。。F9]T

FI是维数为9的向量，以它为依据来进行目标的分类识别。2

为了自动地实现红外目标的特征分析，提出了图所示的特征分析流程图。

由图可以看出，它是由图像分割、抽取目标和特征分析3部分组成的。图像分割的目的是为了将红外图像中的目标和背景分割开来，从而知道目标的大致位置;抽取目标则是根据目标的大致位置开设一个合适的窗口，以便计算目标的特征及目标与背景间的关系特征;特征分析是根据定义的特征量用实验验证其有效性。1

设图像有M类，每类有Li个样本，i=1，2，…，M，图像集合可表示为:

为进行分类，从各样本中随机抽取一定数目的样本形成训练样本集，并将剩余的样本作为检验样本集。即将Ai分为两部分:

Ti和Ti'分别作为训练集和检验集，且Ni+Ni'=Li

构成特征向量Fi的各种特征量比较复杂，其中有比例性的量，也有带有单位的量，因此不能用常用的欧氏距离定义样本间的距离。注意到两样本向量之间对应的分量相似的越多，两样本就越相似，因此提出如下方法获得样本F，在Ti'中最相似(最相邻)样本类别。

记Fi的分量为Fn(n=1，2，…，9)，Ti中样本Fij的分量为Fij，n（i=1，2，。。。M；j=1，2，…，。N’）;

两样本分量间距离记为dij(n)，即

对Fi中的分量Fn，取

满足此式的i记为class(n)，它是距分量Fn最近的类别，j是对应的样本。

对Fi中所有分量分别确定最相近的样本类别后，把Fi归于这些类别中最多数的一类。采用这种方法进行分类，实验步骤如下:

l)以集合Ti'中的样本为模板，用上述方法对Ti中的所有样本进行预分类，并计算训练样本的正确识别率Pr1

2)删掉训练样本集Ti中被错误分类的样本，并用留下的样本构成剪辑样本集Til

3)把剪辑样本集Til作为分类模板集，用同样方法对检验集Ti'中的样本进行分类，计算识别率Pr22

所谓巡航导弹是指以巡航状态在大气层内飞行的有翼导弹。巡航是飞行器的一种飞行状态，在这种状态下其发动机的推力与空气阻力、飞行器重力相当，飞行器在近似于匀速、等高的状态下飞行。根据不同的作战任务，巡航导弹可以分为海射、陆射和空射三种。巡航导弹是和平时期核威慑力量的重要组成部分，也是现代战争中核攻击和精确打击能力的重要体现。

巡航导弹是进行大纵深、远距离、高精度、“外科手术”式打击的武器，已成为美国实施军事威协和炫耀武力的手段。巡航导弹能不能抗击，如何抗击，已成为加强防空的重大课题。大量的事实证明，巡航导弹是可以抗击的，在北约轰炸南联盟时，就有42枚巡航导弹被南联盟军队击落。然而，抗击巡航导弹的关键是要及早发现并能探测和跟踪巡航导弹，只有及早发现，才能调动有效攻击资源，并采用分层处理的办法抗击巡航导弹。

空中目标既有发动机的红外辐射，又有蒙皮的红外辐射，总的辐射角分布应该是这两种辐射在某角度上的线性叠加，巡航导弹和其它导弹的总辐射角分布，不论是助推段还是惯性段都可以使用上述原则处理。巡航导弹和其它导弹的红外辐射由四部分组成:

1)巡航导弹发动机及尾喷管红外辐射温度；

尾喷管或发动机外罩辐射，它们长时间受到热气流和加热，使这部分金属在高温下氧化后形成氧化膜，金属氧化膜的辐射率一般都高于金属本身的辐射率，因此在各种军事目标中，这部分红外辐射往往大于其它部分的红外辐射。

2)尾焰辐射。

尾焰是指发动机喷管的炽热的“火球”，导弹的速度越大，尾焰的“火球”也越大，温度也越高。在海平面上射程为600～1000km的导弹，可认为其尾焰长度在20m以上。导弹尾焰随着飞行高度的增加而增大。在真空时红外尾焰能达到300m以上，洲际导弹的红外尾焰长度在高真空可达900m以上。导弹尾焰的辐射强度与发动机推力、燃料种类等直接相关。导弹尾焰是红外辐射源，不论液体燃料、还是固体燃料的导弹，在最大辐射亮度区2。7μm和4。4μm带的峰值光谱辐射亮度基本保持不变，有一个峰值。

3)蒙皮辐射。

随着探测技术的不断发展，探测巡航导弹以及其它飞行器蒙皮的红外辐射手段及设备不断增加，巡航导弹以及其它飞行器目前已成为全方位告警的红外源。随着导弹速度的增加，其温度呈指数曲线上升，因而红外辐射能量急剧增加(与温度成四次方关系)，例如，一枚在1km高空以Ma=2。5飞行的导弹，10s后蒙皮温度可高达700K。

4)尾后羽状废气气柱的红外辐射。

巡航导弹以及其它导弹尾后羽状废气气柱也是一种红外辐射源。废气气柱的主要成分是二氧化碳和微小固体炭微粒。高温的，运动的废气气柱主要辐射波段在3～5μm和8～14μm，随着废气团在空气中不断扩散，温度急剧下降，不但辐射能量很快下降，而且辐射曲线的峰值波长也迅速向长波方向移动。3

目标红外辐射特征的模拟技术，以其重要的军事意义，日益成为国内外各大研究机构争相研究的技术领域之一。在国外，以美国为主的许多国家的研究机构在这方面做了大量的工作，已经成功地建立了坦克、军舰、飞机等目标的红外特征理论模型。在国内，部分单位对军事目标红外辐射理论建模等开展了研究，取得了一系列研究成果，但大多研究都针对的是目标的稳态红外辐射特征，而对目标的瞬态红外辐射特征的研究则开展的比较少，也不够系统，不能达到对目标进行实时动态模拟的要求。

地面目标，尤其是重要的军事目标，由于其机动性差、隐蔽困难，而军事意义又极为重要，极易成为敌方红外制导武器的打击目标。所以对目标在各气象条件、作战环境下瞬态红外辐射特征进行研究与分析，从而为其红外伪装与红外对抗提出合理可靠的建议是十分重要和有意义的。

地面目标具有复杂的几何形状，且内外表面均为复杂的对流和辐射耦合换热，所以是一个非线性辐射、对流边界条件下的复杂形状的三维瞬态导热问题。为了使动态模拟顺利进行，可以做如下假定：1)由于目标围护结构(墙壁或屋顶)长，宽尺寸远大于厚度尺寸(如图1所示)，这样可把三维导热问题简化为一维问题。2)目标围护结构为均匀连续、各向同性的常物性结构。3)室内对流换热系数和室内空气温度恒定。4)由于目标内壁间温差很小，所以只考虑内壁面与室内空气之间的对流换热，忽略各内壁面之间的辐射换热。

1。控制方程

基于以上假定，目标结构的导热微分方程为

其中T(x，t)为t时刻x位置处的温度(K)；a为该处材料的导温系数(m2/s)。

2。边界条件

根据假定，内表面边界条件为

其中qci为内表面与室内空气对流换热量(W/m2)。

采用数值传热学的方法[8]，可计算出地面目标维护结构外表面的温度场与辐射强度场随时间的变化规律。其瞬态热平衡过程可表达为其中K为传导矩阵；C为比热矩阵；T为节点温度向量；T􀀅为温度对时间导数；Q为节点热流率向量。

1)利用该模型能够模拟出地面目标的瞬时红外辐射特征。

2)目标的红外辐射主要集中在8∼12μm波段，从红外隐身与对抗的角度分析该波段应成为考虑的重点。

3)辐射场和红外探测系统对目标的作用距离的模拟结果所选取的时刻为上午5:00与下午3:00，其它时刻的模拟值大体上介于这两时刻模拟值之间。当然其具体值还与季节、气象条件、目标结构和材料等因素有关。

4)隐身涂料对作用距离的影响十分明显，无论是3∼5μm波段还是8∼12μm都在一定程度上降低了红外成像探测系统对目标在各方向上的最大作用距离。4