红外偏振成像技术在空空导弹上的应用展望

    刘珂+李丽娟+王军平

    

    

    

    摘要： 红外偏振成像探测技术是国外发展较快的一项新的成像技术。 文中介绍了近年来国内外对于偏振探测技术研究的发展情况与现状， 分析了红外偏振成像技术在空空导弹上的应用前景。 提出一种采用红外偏振成像技术的空空导弹导引头方案， 表明该技术对提高国内空空导弹的探测和抗干扰性能具有重大意义。

    关键词： 空空导弹； 红外成像； 偏振探测

    中图分类号： TN219文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）04-0047-05

    Abstract： As a new imaging technology， infrared polarization imaging detection technology develops rapidly on abroad. The development and research situation of polarization detection technology are introduced， and the application prospect of infrared polarization imaging technology in airtoair missile is analyzed. A project of airtoair missile seeker based on infrared polarization imaging technology is proposed， which indicates that the technology has great significance in improving the detection and antijamming performance of domestic airtoair missile.

    Key words： airtoair missile； infrared imaging； polarization detection

    0引言

    现代战争要求空空导弹能够在复杂战场环境下有效打击具有干扰能力的敌机。 红外型空空导弹面临的复杂战场环境和干扰主要是天空云团和地/水面背景反射的阳光， 以及燃烧的红外诱饵弹。 由于其红外辐射强度与飞机非常接近[1]， 因此严重影响敏感红外辐射强度的空空导弹红外导引头的目标识别、 抗干扰能力。

    自然界的电磁波由许多偏振度不同的电磁波组成。 研究表明， 通常人造目标比自然背景表现出更高的偏振度 [2-3]。 因此如果将红外偏振成像技术应用到空空导弹上， 就可以利用这一偏振特性来提高其探测和抗干扰能力。

    1红外偏振成像机理分析

    光是一种横电磁波[2]。 光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象称作光的偏振。 偏振度是用于度量电磁波中偏振程度的参数， 是偏振光在总光强中所占的比例。

    对于偏振现象的机理研究， 已经做了大量的理论工作。 通常采用菲涅尔公式可以较好地解释自然光的偏振特性。 以太阳为光源的自然光可视作由无数杂乱的线偏振点光源构成， 随机分布的特点使其在垂直于传播方向的平面内任一方向上都具有相同的振幅， 因此偏振度为0。 自然光在电介质界面上反射和折射后形成部分偏振光。 由于表面粗糙的物体可视作由大量倾角和尺寸是无序和无规则的微面元组成， 其反射/辐射的偏振方向比较杂乱， 因此会表现出较小的线偏振度[4]。 散射现象的机理也与之类似。

    从这些研究成果来看， 物体的偏振特性与物体介质的折射率、 表面反射和自身辐射的空间分布、 观察方位密切相关[2-5]。 在偏振探测技术的实际应用中， 必须加以考虑[6]。

    2偏振成像技术研究现状

    2.1国外研究进展

    从20世纪80年代起， 偏振成像探测开始受到西方发达国家的重视。

    1999年， 美国犹他州立大学空间动力学实验室研制了一种基于铁电液晶元件的红外超光谱成像偏振计 [7]。 通过将液晶材料两端的电压反向， 可以在不到3 ms的时间内使光轴旋转45°。 采用0°， 45°， 90°和135°这4个旋转角进行测量， 其结构示意图如图1所示。 该红外超光谱成像偏振计波段为2.5～3.5 μm， 帧频为20 Hz。

    此外， 法国、 以色列的研究人员也分别测试了液晶偏振片， 取得了较好的效果[8]。

    2006年， 美国空军实验室等机构所研制的长波红外偏振成像仪器采用了在探测器的每个小单元前面放置偏振滤光器的结构， 可以同时获得4个偏振态下的图像， 如图2所示， 具有即时且关联的获得热信息和偏振信息的优点[9]。

    以色列的B.Ben-Dor在探测器观测角为70°的条件下对地物背景在8～12 μm的偏振度进行研究， 得出结论[10]： 除水面外的自然背景的偏振度普遍低于金属材料的偏振度。

    英国国防实验室将红外偏振成像技术应用到扫雷项目上， 使用3～5 μm的致冷焦平面探测器， 通过将红外热图像与偏振度图像的融合处理， 显著提高了热像系统的探测和识别能力[10]， 如图3所示。

    2.2国内研究现状

    中科院安徽光机所研制的多波段偏振CCD相机试验系统， 采用三平行光路同时采集3个不同偏振方向的偏振辐射图（0°， 60°， 120°）。 通过步进电机带动滤光片旋转来实现波段切换[11]。

    昆明物理研究所提出了几种红外偏振成像的技术方案， 并对红外偏振成像机理进行了研究[5]。

    北京理工大学提出了基于微面元散射理论的红外偏振辐射传输方程[12]， 研究建立包含反射和辐射信息的红外偏振辐射传输方程的Stokes表达式， 推导出偏振度、 偏振角的多种因素数学模型。 此外， 还在红外偏振图像融合及色彩重构方法上取得了较好的研究成果[13]。

    3红外偏振成像技术在空空导弹上的应用

    根据上述国内外研究状况， 可知国外对红外偏振成像探测技术已进行了大量的深入研究， 研究领域主要集中在典型目标与背景的红外偏振特性测量和分析， 成果应用主要集中在对地面目标探测、 识别的卫星遥感、 成像侦察设备、 扫雷设备等， 相关设备已进行到工程化样机阶段。 但目前尚未见到红外偏振成像应用到制导技术领域的报道。

    空空导弹采用以自动目标识别为主的制导技术。 受其作战任务的影响， 其作战对象和作战环境都难以在任务规划中加以明确， 因此不适用于传统的基于模板匹配识别的自动目标识别方式， 而更多地采用基于特征的自动目标识别方式。 该方式要求能够从背景中准确地提取稳定且独特的目标特征信息， 利用该特征来区分目标与周围背景。 由前文可知， 人工物体的偏振特性与背景存在一定的差异， 可以利用这一点来实现自动目标识别。 但影响偏振特性的因素较多， 因此需要根据空空导弹制导的要求来选取合适的偏振成像方式。

    3.1偏振成像技术对空空导弹制导适用性分析

    对于空空导弹制导系统而言， 探测距离越远越好， 识别/抗干扰概率越高越好， 跟踪性能越稳越好。

    红外偏振成像系统与常规红外成像系统的差别是增加了偏振器。 理想偏振器的透过率是0.5， 实际水平在0.25～0.42之间。 因此该系统会有不小的能量损失， 在晴空背景下的探测距离也会有相应的缩减。

    但是， 在复杂背景下， 由于存在大量与目标辐射强度类似的物体（如反射阳光的亮云）， 因此红外强度对比度会比较低。 而对于红外偏振成像系统， 由于偏振度与物体的材质、 粗糙度等因素密切相关[15]， 使得人造目标与自然背景的偏振度存在较大差异， 因此偏振成像能明显提高图像的对比度， 降低对截获信噪比的要求， 提高作用距离[16]。

    同理， 红外诱饵燃烧后的产物是气体、 烟尘等分子物质， 而飞机蒙皮是光滑的金属物体， 两者在偏振度上会有较大差异。 可以利用该偏振特点来实现抗干扰。

    对于空空导弹制导系统的跟踪功能而言， 需要所跟踪的物体具有稳定的特征。 由于弹目接近过程中的导弹视线角（入射角）总是连续变化的， 因此测得的偏振特性也在不断变化， 难以作为跟踪用的特征。

    3.2红外偏振成像技术在空空导弹上的应用方案

    该方案的空空导弹红外导引头应具有同时获取红外强度图像和红外偏振图像的能力。 其信息处理系统采用并行处理的方式， 以红外强度图像数据作为主信息处理流程， 完成目标探测、 识别、 跟踪及抗干扰功能； 以红外偏振图像数据作为副信息处理流程， 在主信息处理流程的识别和抗干扰阶段， 将红外偏振图像数据的处理结果与红外强度图像数据的处理结果作特征/决策层融合， 辅助其完成识别与抗干扰功能。

    3.2.1探测系统设计方案

    双探测器+偏振棱镜方案如图4所示， 主要缺点是两套探测系统体积较大， 机械结构和电气结构较复杂且昂贵， 数据校正麻烦， 因此不适合体积紧凑的空空导弹导引头使用。

    图1单探测器+机械/电控偏振片方案的原理是通过一个凝视焦平面探测器前的光路中循环分时插入不同起偏角度的偏振片， 顺序获取一组不同起偏角度的偏振强度图像， 根据这些偏振强度图像来计算斯托克斯分量图像和偏振度、 偏振角图像。 该方案的缺点是当目标在背景上快速运动时， 分时采集获取的序列图像难以配准， 使得计算得到的目标与背景的偏振特征值存在较为明显的误差。

    本文采用偏振片+焦平面探测器集成方案如图5所示。 将偏振片列阵直接安放在256×256元焦平面阵列前， 3个起偏方向不同的微偏振片和1个无偏滤光片共同组成1个偏振片单元， 该偏振片单元对应4个探测器像元。 该方案光路中没有运动光学元件， 探测器可同时得到128×128元大小的3个起偏方向的线偏振分量图像和1个红外强度图像。 为了实现空间对准， 可认定相邻同起偏方向的偏振片组所对应的景物具有一定的相关性， 通过“插值”的方法获得每个无偏振像元所对应空间的3个线偏振分量值， 最后重构出254×254元的斯托克斯分量图像和偏振度、 偏振角图像。

    该方案的最大优点是系统能以“凝视”方式工作， 在满足高帧频的前提下获得更长的积分时间， 有助于提高探测距离。 而且同时获取3个起偏方向图像的方式非常适合于目标、 背景与弹体处于相对运动的空空导弹平台。 其缺点是“插值”的做法使其只能用于对扩展源目标的偏振探测。 不过对于空空导弹导引头而言， 云团、 地物等需要用偏振探测方式识别的复杂自然背景都属于扩展源目标， 红外诱饵弹通常也属于这一类型目标， 适用于本文所提的偏振探测系统方案。

    3.2.2信息处理系统设计方案

    根据探测系统同时获取的3个不同方向的线偏振分量光强I（0°）， I（60°）， I（120°）， 可得斯托克斯分量图像和偏振度、 偏振角图像。 红外偏振成像流程示意图如图6所示。

    信息处理算法设想如下：

    （1） 检测阶段

    如果红外强度图像中的背景较为均匀简单而目标较为突出明显（目标信噪比较高）， 利用传统的强度特征信息已能够准确识别出目标， 则可直接利用强度图像信息来完成目标检测。

    如果在强度图像信息检测中出现多个难以识别的相似物体时， 可先将其列为候选强度目标； 再分别统计对应候选强度目标区域的偏振度图像和偏振角图像的特征， 将这些偏振度特征和偏振角特征记入对应的候选强度目标特征链中。 最后遍历候选目标特征链， 滤除掉偏振度和偏振角较小的候选目标， 剩下的候选目标经过强度特征的多帧关联处理， 实现目标检测， 从而提高目标识别的可靠性。

    （2） 跟踪阶段

    在目标跟踪阶段， 弹目距离变化较快， 导弹平台的观测角发生很大变化， 测得的偏振度会随观测角的变化而变化， 因此偏振度特征不适合作为稳定的跟踪特征。 此时， 以红外强度图像获取的目标特征作为特征链进行处理， 实现对目标的稳定跟踪。

    （3） 抗红外诱饵干扰阶段

    在抗红外诱饵干扰阶段， 一方面对红外强度图像数据进行处理， 提取目标与干扰的各种能量特征、 形状特征及运动特征； 另一方面对红外偏振图像数据进行处理， 提取对应红外强度图像中疑似目标和干扰的对应区域内物体的偏振度、 偏振角特征， 将这些红外偏振特征与能量特征、 形状特征及运动特征融合， 有效提高目标的正确识别率。

    4结论

    对红外偏振成像技术在空空导弹上的应用做了初步分析。 红外偏振成像技术是红外成像制导技术发展的新方向之一， 该技术可有效增加红外成像信息量， 有助于解决复杂场景下的自动目标识别和抗人工诱饵难题， 可以极大地提高空空导弹在复杂战场环境中的适应能力。

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