CN112612064B - 一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，它能够满足对低频动态辐射源目标的定位要求，确保对目标的动态捕捉、跟踪。包括如下步骤：步骤S1：目标红外特性计算；步骤S2：选择探测模式；步骤S3：确定探测谱段；步骤S4：分析与确定需要获得的图像信噪比；步骤S5：确定天基红外探测载荷指标；步骤S6：目标运动态势积累与跟踪。其有益效果在于：运用特征描述、载荷选配、频谱筛选以及目标运动的数据累积等形成了一套方法可有效提高对目标的探测能力。
Description
技术领域
本发明属于一种探测空中红外低辐射源目标的方法，特别涉及一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，尤其适用于红外体制探测空中飞行器与目标运动态势积累精确探测与跟踪空中动态红外辐射源目标。
背景技术
当前国外已形成较为完备的天地一体预警***，具备一定的对空中目标探测能力。特别是美国最新的天基红外低辐射源目标***，***包括天基与地基两部分，天基主要由SBIRS高轨红外导弹探测预警***以及未来的中低轨红外***构成，地基主要由部署在全球各地及海面的预警雷达来实现。
美国陆/海基空中目标预警***主要应用于确定来袭飞机、导弹的威胁以及为拦截弹提供相应的飞行弹道数据，与天基***协同工作，实现全球探测。当前***主要包括预警雷达和跟踪制导雷达两种装备，探测波段覆盖X、L、P等波段，具备北纬30°以北大部分地区多层反导能力。
美国构建的“空间跟踪与监视***”(STSS，Space Track and SurveillanceSystem)，可以在导弹的全程飞行中提供端对端的红外跟踪。每颗卫星搭载2种探测器，一种是捕获探测器，它是一种宽视野扫描短波红外探测器，可用来观测助推阶段的导弹尾焰。一旦搜索探测器锁定了一个目标，信息将传送给另一种探测器——跟踪探测器。后者是一种窄视野、高精度凝视型多光谱段(中波、中长波、长波红外及可见光)探测器，它能锁定一个目标并对整个弹道中段和再入阶段的目标进行跟踪。捕获探测器用以搜索、探测并跟踪处于助推段的导弹。跟踪传感器接收来自捕获传感器的信息并以更高的精度对处于中段和再入段的导弹继续跟踪。星上及地面的处理***将预测出最终的导弹弹道以及弹头的落点。该数据被传输给导弹部队，用于拦截来袭的导弹或弹头。
上述***的设计目标具有较明显红外特征的导弹，而对大气层飞行的战斗机、运输机、预警机和反潜机等的探测能力却十分有限。究其原因主要有三个方面：
一是在探测体制方面，用于探测的相机主要是线阵扫描、小面阵相机，还缺乏大面阵凝视相机，因而难以跟踪与捕捉飞机目标。
二是在探测谱段方面，目前相机谱段由双色红外波段(2.7μm和4.3μm)探测，对红外特征不是很明显的大气层的飞机探测能力有限，需要逐步向中波、长波红外和可见光多谱段综合探测方向发展。
三是在应用能力方面，天基***平台对目标的跟踪交接能力、武器铰联能力、低空战术目标探测能力还不成熟，当目标红外特征不太明显、速度较快，特别是在复杂战场环境、复杂气象条件下和大量背景目标特性数据的情况下，还难以区别与跟踪动态的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，它能够满足对低频动态辐射源目标的定位要求，确保对目标的动态捕捉、跟踪。
本发明的技术方案如下：一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，包括如下步骤：
步骤S1：目标红外特性计算；
步骤S2：选择探测模式；
步骤S3：确定探测谱段；
步骤S4：分析与确定需要获得的图像信噪比；
步骤S5：确定天基红外探测载荷指标；
步骤S6：目标运动态势积累与跟踪。
所述的步骤S1包括，目标红外特性包括目标反射的太阳辐射能量、目标反射地球的辐射能量及目标自身的辐射能量；
其中，根据目标的空间位置和姿态，光照条件，外热源辐照角稀疏、结合目标内部热源计算目标瞬态温度场，利用黑体目标发射特性计算目标自身的辐射能量；
在目标的双向反射分布函数缺省状态下，利用郎伯反射模型计算目标反射特性，计算目标表面的反射率，并计算目标反射的太阳辐射能量和目标反射地球的辐射能量。
所述的步骤S2包括，
当卫星、目标、地表处于同一直线时采用对地探测，影响探测的环境因素包括：来自大地和大气垂直向上产生的辐射；大气垂直方向的透过率；
当卫星、目标、地表不在一条直线时，采用临边探测，影响探测的环境因素包括：大气沿地表切线方向产生的辐射；大气沿地表切线方向的透过率。
所述的步骤S4包括，
步骤S41：图像信噪比的约束
在单帧检测中，将热红外点目标探测***视为窄带***，根据二元信号检测理论，虚警率Pf与探测概率Pd之间满足以下关系
其中，erfc为互补误差函数，SNRT表示图像信噪比；
在多帧检测中，使用M选N准则的多帧检测概率如下：
其中，pi是第i帧检测时目标落入关联波门的概率，在仿真中pi数值取1，CM i为系数，Pd (1)是第一帧的探测概率；
M选N准则的多帧虚警率的表达式如下：
其中是单个检测单元的多帧虚警率，NP为帧数，其表达式如下：
其中， 为单帧过门限率，可等价为单帧虚警率，S是关联波门内的象元个数；
根据星目相对运动速度ν、探测距离L、仪器焦距F、象元尺寸Ad、探测频率f确定关联波门的象元数S；
并结合检测判据约束，计算不同图像信噪比要求的条件下，目标检测概率和虚警率之间的关系；
步骤S42：确定需要获得的图像信噪比
计算图像信噪比SNRT，
式中，a1为能量集中度，a2(s)为跨像元影响，as为扫描损失，JT为目标辐射强度；
图像信噪比可表示为：σc为背景抑制残差标准差，给定SNRT时，由上式可得等效噪声辐射强度Jn为：
进一步可得统计相机信噪比与图像信噪比的换算关系为：
得到峰值相机信噪比与相机信噪比的换算关系为：
所述的步骤S4包括，
峰值相机信噪比与各相关参量之间的关系如下：
式中，SNRmax为峰值相机信噪比，JT为目标辐射强度，τa为大气透过率，τ0为光学***透过率，δ为载荷信号过程因子，D为相机入瞳直径(数值越高、***性能越好)，Δf为探测器带宽。
本发明的有益效果在于：由于天基探测体系存在的短板，现在探测载荷对特征不明显、信号存在时间较短的红外信号目标探测能力不足，且天基***平台对目标的跟踪交接能力、***铰联能力、低空战术目标探测能力还不成熟，尤其是在复杂战场环境和大量背景目标特性数据的情况下，还难以区别与跟踪目标。本发明在探测目标特性分析建模的基础上，提出了一种针对空中动态红外目标的探测方法，运用特征描述、载荷选配、频谱筛选以及目标运动的数据累积等形成了一套方法可有效提高对目标的探测能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明以被动导引头解算方法为基础，提供了一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，包括如下步骤：
步骤S1：目标红外特性计算
目标红外特性包括目标反射的太阳辐射能量、目标反射地球的辐射能量及目标自身的辐射能量。
其中，根据目标的空间位置和姿态，光照条件，外热源辐照角稀疏、结合目标内部热源计算目标瞬态温度场，利用黑体目标发射特性计算目标自身的辐射能量。
在目标的双向反射分布函数(BRDF)缺省状态下，以郎伯反射模型计算目标反射特性，计算目标表面的反射率，并计算目标反射的太阳辐射能量和目标反射地球的辐射能量。
步骤S2：选择探测模式
根据航天器及被探测目标所处的空间几何位置，采取对地探测和临边探测两种模式。
当卫星、目标、地表处于同一直线时采用对地探测，影响探测的环境因素主要包括：来自大地和大气垂直向上产生的辐射；大气垂直方向的透过率。
当卫星、目标、地表不在一条直线时，采用临边探测。临边探测时，影响探测的环境因素主要包括：大气沿地表切线方向产生的辐射；大气沿地表切线方向的透过率。
步骤S3：确定探测谱段
结合大气特性来综合分析确定探测谱段。确定的原则：光波经过大气层所产生的衰减与大气成分及光波在其传输路径中所遭遇的各气体成分相对应的含量相关。
其中，大气成分会影响辐射及透过率。各气体成分相对应的含量受多种因素影响，只要包括地理位置、季节、气温和被观测物体所在的海拔高度等。
综合对大气透过窗口与现有探测广泛应用所设计的谱段，本实施例选用表1来确定探测谱段。
表1大气辐亮度及透过率仿真谱段选择
步骤S4：分析与确定需要获得的图像信噪比
天基红外探测***成像的质量取决需要获得的图像信噪比。
步骤S41：图像信噪比的约束
在单帧检测中，将热红外点目标探测***视为窄带***，根据二元信号检测理论，虚警率Pf与探测概率Pd之间满足以下关系
其中，erfc为互补误差函数，SNRT表示图像信噪比。
在多帧检测中，使用M选N准则的多帧检测概率如下：
其中，pi是第i帧检测时目标落入关联波门的概率，在仿真中pi数值取1，CM i为系数，Pd (1)是第一帧的探测概率。
M选N准则的多帧虚警率的表达式如下：
其中是单个检测单元的多帧虚警率，NP为帧数，其表达式如下：
其中， 为单帧过门限率，可等价为单帧虚警率，S是关联波门内的象元个数。
根据星目相对运动速度ν、探测距离L、仪器焦距F、象元尺寸Ad、探测频率f确定关联波门的象元数S，关系如式(5)。
并结合检测判据约束(M帧选N帧)，计算不同图像信噪比要求的条件下，目标检测概率和虚警率之间的关系。
根据公式(5)以任务规划中的探测距离与星目相对运动速度、探测频率作为输入，结合焦距、象元尺寸等载荷指标通过检测概率与虚警率分析提出图像信噪比要求。
步骤S42：确定需要获得的图像信噪比
其中，SNRT表示图像信噪比是衡量探测能力的核心指标，在应用中，以SNRT数值作为***探测能力的指标要求。其计算方法如式(6)，计算模型：考虑能量集中度a1、跨像元影响a2(s)和扫描损失as时，JT为目标辐射强度，图像信噪比可表示为：
式中，σc为背景抑制残差标准差，给定SNRT时，由上式可得等效噪声辐射强度Jn为：
进一步可得统计相机信噪比与图像信噪比的换算关系为：
同理可得峰值相机信噪比与相机信噪比的换算关系为：
步骤S5：确定天基红外探测载荷指标
天基红外探测载荷指标的确定更多地受到航天器平台承载能力及运载发射能力限制，在需要获得的图像信噪比确定的前提下，天基红外探测载荷主要取决于影响相机信噪比的各相关参量的取值范围。
峰值相机信噪比与各相关参量之间的关系如下：
式中，SNRmax为峰值相机信噪比，JT为目标辐射强度，τa为大气透过率，τ0为光学***透过率，δ为载荷信号过程因子，D为相机入瞳直径(数值越高、***性能越好)，Δf为探测器带宽。
步骤S6：目标运动态势积累与跟踪
为了完成多目标连续观测需要通过目标运动态势积累与跟踪来实现，具体实施步骤如下：
步骤S61：对目标运动态势积累与跟踪进行建模；
基于图论理论对目标运动态势中的节点和连接线进行相应的定义，利用图论理论对模型进行求解，从而获得最优解。其中，节点代表观测目标，节点之间的连接线代表不同观测目标之间的转换过程，其权值可以是转换的代价。
步骤S62：目标红外点源定位信息星上处理
卫星探测到目标后，需对其进行定位。本实施例中利用双星测角对其空间定位，由双星的射向角度信息，得到目标在惯性空间的位置信息，将惯性空间的位置信息其转化至地心惯性坐标，在已知卫星轨位及测角信息的条件下，便可求得目标在地心惯性系下的空间位置。
步骤S63：基于离散点的目标运动轨迹拟合
通过星上处理，获得众多离散的目标红外点源位置信息。
根据要描述目标的运动方向、速率，确定有效的离散的点目标定位信息，根据目标飞行速度及卫星定位精度，解算确定出有效的离散定位点。
然后选择确定有效定位的离散点，然后对其进行拟合，从而形成目标的运动轨迹。基于离散点的曲线拟合方法可采用最小二乘、样条曲线等
步骤S64：运动方向、速度检测
完成基于离散点的目标运动轨迹拟合后，根据前后两有效离散点目标位置差异，估算目标的航向和航速。
Claims (1)
1.一种天基探测与跟踪红外动态飞行目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：目标红外特性计算；
步骤S2：选择探测模式；
步骤S3：确定探测谱段；
步骤S4：分析与确定需要获得的图像信噪比；
步骤S5：确定天基红外探测载荷指标；
步骤S6：目标运动态势积累与跟踪；
所述的步骤S1包括，目标红外特性包括目标反射的太阳辐射能量、目标反射地球的辐射能量及目标自身的辐射能量；
其中，根据目标的空间位置和姿态，光照条件，外热源辐照角稀疏、结合目标内部热源计算目标瞬态温度场，利用黑体目标发射特性计算目标自身的辐射能量；
在目标的双向反射分布函数缺省状态下，利用郎伯反射模型计算目标反射特性，计算目标表面的反射率，并计算目标反射的太阳辐射能量和目标反射地球的辐射能量；
所述的步骤S2包括，
当卫星、目标、地表处于同一直线时采用对地探测，影响探测的环境因素包括：来自大地和大气垂直向上产生的辐射；大气垂直方向的透过率；
当卫星、目标、地表不在一条直线时，采用临边探测，影响探测的环境因素包括：大气沿地表切线方向产生的辐射；大气沿地表切线方向的透过率；
所述的步骤S4包括，
步骤S41：图像信噪比的约束
在单帧检测中，将热红外点目标探测***视为窄带***，根据二元信号检测理论，虚警率Pf与探测概率Pd之间满足以下关系
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M选N准则的多帧虚警率的表达式如下：
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步骤S42：确定需要获得的图像信噪比
计算图像信噪比SNRT，
式中，α1为能量集中度，α2(s)为跨像元影响，αs为扫描损失，JT为目标辐射强度；
图像信噪比可表示为：σc为背景抑制残差标准差，给定SNRT时，由上式可得等效噪声辐射强度Jn为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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