一種飛機成像目標紅外隱身效果的評估方法

摘要：評估飛機成像目標的紅外隱身效果，對飛機紅外隱身技術的發(fā)展、隱身反隱身作戰(zhàn)具有重要的意義。本文提出了一種飛機成像目標紅外隱身效果的評估方法：結合成像探測器工作原理，考慮圖像處理各個階段的算法特點，基于多種圖像特征，制定出能反映背景影響和誘餌干擾影響的飛機成像目標紅外隱身效果評估指標；通過建立紅外成像探測器仿真模型，驗證了所制定的評估指標的合理性；最后依據(jù)評估指標評估了采用不同隱身技術和施放誘餌干擾對飛機隱身效果的影響，得到了一些對飛機隱身和反隱身具有指導意義的結論。

0引言

隱身性能是現(xiàn)代飛機的一個重要設計指標，不管是在設計定型階段，還是在生產、使用階段，對飛機紅外隱身效果的評估都是必不可少的。隱身效果評估是飛機紅外隱身設計的關鍵環(huán)節(jié)之一，評估采用不同紅外隱身技術后飛機能達到的隱身水平，可以驗證隱身技術的有效程度，同時為紅外隱身設計做出指導。此外，通過隱身效果評估還可以更深入地分析我方飛機與敵方飛機紅外隱身能力的優(yōu)劣，從而更加合理地進行戰(zhàn)場配置，制定戰(zhàn)略戰(zhàn)術，提高飛機的生存力和戰(zhàn)斗力。

目前對雷達隱身效果的評估，比較公認的指標是RCS，但對紅外隱身，還沒有形成能夠被普遍認可的評價指標，這種現(xiàn)實影響了飛機紅外隱身技術的發(fā)展和作戰(zhàn)應用。對成像目標紅外隱身效果的評估雖然已經發(fā)展出了較多的評估指標，但其中較大部分是依據(jù)人眼的識別機理制定的。如應用廣泛一種評估方法是：由Johnson 準則建立起最小可分辨溫差（MRTD）與探測距離或探測概率的關系，然后在探測距離或探測概率的基礎上定義隱蔽系數(shù)、隱身效率等定量評估指標。而Johnson準則描述的觀察等級是將熱像系統(tǒng)的客觀性能與人眼視覺功能相結合的一種視覺能力評估方法。因此，基于Johnson準則的評估方法不適合評估目標對抗自主工作的紅外成像探測器的隱身能力。

成像探測器作為紅外探測器的發(fā)展趨勢，得到了越來越廣泛的應用。它可以利用形狀、運動、光譜分布、輻射強度等特征識別目標，具有很強的目標識別能力。對成像目標紅外隱身效果的評估不僅要考慮隱身技術對總體輻射強度的抑制，還要考慮隱身技術對輻射亮度分布和輻射面源形狀的改變。目前針對成像目標開展，如基于灰度相關、基于紋理相似度、基于輻射對比度等的紅外隱身效果評估，多是根據(jù)統(tǒng)計或經驗公式，并沒有密切結合紅外探測器的目標識別方法。

本文結合紅外探測器的識別機理，制定能夠定量評估出飛機采用不同隱身措施、不同干擾手段、對不同探測器時的隱身效果的評估指標?？茖W合理的評估飛機隱身效果，可以直觀評價紅外隱身性能優(yōu)劣，暴露隱身方案中的缺點和不足，為隱身方案的改進和提高提供參考。同時，可以為決策者完善作戰(zhàn)方案，提高作戰(zhàn)能力提供依據(jù)。

1評估指標的制定

自主工作的成像探測器處理紅外圖像的過程包括目標檢測、目標識別、目標跟蹤等步驟，目標檢測是確定視場內是否存在目標，目標識別是確定視場內存在的目標是否是需要跟蹤的目標，甚至確定出目標的類型，目標跟蹤是對識別出的目標進行持續(xù)地跟蹤。不論目標檢測、識別或跟蹤，其依據(jù)均是探測器視場內所成的紅外圖像的特征，有的利用單幀圖像的特征，有的利用多幀圖像形成的圖像序列的特征。而單幀圖像的處理是整個目標檢測、識別、跟蹤的基礎和關鍵，而且隱身技術對目標紅外圖像特征的改變基本是非時變的，因此隱身效果的評估指標基于單幀圖像的特征來制定。

成像識別依據(jù)的目標紅外圖像特征的內涵很廣泛，如亮度特征、紋理特征、邊界特征、分形特征、光譜特征等，某一類型的紅外成像探測器利用其中的一種或幾種圖像特征進行目標識別。基于圖像處理各個階段的算法特點，提出的成像目標紅外隱身效果評估指標包括目標檢測階段的評估指標和目標識別與跟蹤階段的評估指標，不同階段的評估指標基于不同的圖像特征來制定。

1.1目標檢測階段的評估指標

目標檢測的任務是從背景中發(fā)現(xiàn)目標，對于紅外成像探測器，一旦目標構成紅外圖像，目標圖像在視場中的尺寸大小對其發(fā)現(xiàn)目標的能力影響不大，目標與背景的灰度差異越大，發(fā)現(xiàn)目標就越容易。因此，目標檢測階段定義灰度對比度衡量目標被發(fā)現(xiàn)的程度：

其中Gt為目標像素的灰度均值，Gb為背景像素的灰度均值。CG越小，目標被發(fā)現(xiàn)的程度越低，紅外隱身效果越好。

1.2目標識別與跟蹤階段的評估指標

目標識別與跟蹤的任務是從發(fā)現(xiàn)的目標中（可能有多個）確認目標的真假和類型，方法是將可疑的目標區(qū)域與已知的目標模板進行圖像相關匹配，目前采用的圖像相關匹配算法多種多樣，所依據(jù)的紅外圖像特征也各有不同，從根本上看是目標區(qū)域的灰度分布特征和邊緣形狀特征，選用如下特征量來描述：

式中N為目標區(qū)域總像素個數(shù)。

F1——灰度標準偏差：目標像素點灰度值的標準偏差，反映目標區(qū)域像素灰度值與灰度均值的偏離程度，表達式可寫為

F2——高亮區(qū)比例：目標區(qū)域中灰度值大于最大灰度值的90%（Gt,i＞0.9Gt,max）的像素點的個數(shù)與目標總像素點個數(shù)之間的比值。體現(xiàn)了目標區(qū)域的灰度分布特征。

F3——長寬比：目標最小外接矩形的長度與寬度之比值。體現(xiàn)了目標區(qū)域的形狀特征。

F4——緊湊度：目標像素數(shù)與包圍目標的矩形內的像素數(shù)之間的比值。反映了一個物體對其最小外接矩形的充滿程度。

F5——復雜度：邊界像素點數(shù)與總目標像素點數(shù)的比值。反映了目標邊界的復雜程度。

以上5個特征量均經過試驗檢驗是穩(wěn)定的，能夠作為分類和識別紅外目標的依據(jù)。由以上5個特征量定義目標圖像與目標模板的區(qū)別度D*t-m：

其中，F(xiàn)t,j為目標圖像的第j個特征量，F(xiàn)m,j為目標模板的第j個特征量，ξ為權重向量，ξj表示第j個特征量在圖像匹配算法中的重要性，對于不同的圖像匹配算法，ξj的取值會有所不同。

D*t-m越大，表示目標圖像與目標模板的差別越大，說明目標的隱身效果越好。為使評估標準統(tǒng)一，用

衡量目標圖像與目標模板的相似度。S*t-m越小，目標的紅外隱身能力越強。

類似D*t-m，可以定義誘餌圖像與目標模板的區(qū)別度D*t-m：

其中下標di表示第i個誘餌圖像。

記假目標中D*di-m＜D*t-m的個數(shù)為 N*，N*表示比飛機目標更像目標模板的假目標的個數(shù)，由此定義一個干擾系數(shù)：

m*越小，越難識別出飛機目標。當無假目標時，m*=1。

綜合目標檢測、識別、跟蹤過程中圖像處理的特點，制定的成像目標紅外隱身效果評估指標為：

E*越小，飛機的紅外隱身效果越好。

2評估指標的驗證

評估指標不是客觀存在而是人為制定的，因此其合理性必須要經過充分的驗證。驗證的目的是證明所制定的紅外隱身效果評估指標確實能建立起與實際隱身效果如探測距離、探測概率等的對應關系。

通常的驗證方法有經驗公式法和實驗測試法。經驗公式反映不出實施紅外干擾對不同探測器探測距離的影響。實驗測試法多是針對靜止目標，高速運動的目標很難開展實驗且花費巨大。因此作者認為可以采用實物或半實物模擬試驗與全數(shù)字仿真試驗相結合的方法對評估指標進行驗證，通過各種試驗對制定的評估指標進行充分的驗證和完善，力求評估結果和實際探測情況相吻合，用較小的花費進行有說服力的驗證。

由于實驗條件有限，缺少自主識別的紅外成像探測系統(tǒng)，半實物模擬實驗驗證尚沒有進行，本文主要通過全數(shù)字仿真試驗驗證所制定的成像目標紅外隱身效果評估指標的可行性。具體思路為：建立紅外成像探測器的仿真模型，設置不同的仿真條件進行仿真試驗，分析仿真結果得到評估指標與探測距離或探測概率的關系。

對飛機目標威脅最大的是各類紅外制導導彈，因此仿真中的探測器模型依據(jù)紅外制導導彈導引頭的工作機理而建立。某型紅外成像導引頭目標識別的仿真流程如圖1，其中圖像預處理采用中值濾波算法進行圖像增強，圖像分割采用自適應閾值分割中的最小誤差法，目標圖像匹配依據(jù)的圖像特征是灰度偏差、高亮區(qū)比例、長寬比、緊湊度、復雜度，目標跟蹤采用波門質心跟蹤。

圖1 紅外成像導引頭目標識別的仿真流程圖

仿真驗證的具體流程：

（1）設定初始時刻導彈的位置、速度、姿態(tài)、視場角，飛機的位置、姿態(tài)、輻射強度，誘餌的位置、姿態(tài)、輻射強度，由此計算出彈目距離R，大氣透過率，視場面積，目標、背景、誘餌在視場中所占的面積，從而得到初始時刻的E*。初始時設導彈鎖定目標，計算E*時視場為小視場。

（2）在設定的仿真條件下進行導彈跟蹤目標的仿真，由導引頭指向的變化判斷探測器是否穩(wěn)定跟蹤目標。由于仿真系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)加入了適當?shù)碾S機因素，相同設置下的多次仿真可以得到穩(wěn)定跟蹤目標的概率p，將此概率作為E*在距離R時對應的探測概率p。

（3）改變飛機或誘餌的輻射強度，即改變E*，仿真得到不同*E值對應的探測概率p。

（4）改變初始彈目距離R，重復上述過程，得到不同距離R下E*值對應的探測概率p。

（5）將所有測得的E*-p對應值按E*的升序重新排列，觀察p的變化情況。

設某型戰(zhàn)斗機11km高度1.6Ma巡航飛行時受到下前方紅外成像導彈的攻擊，飛機機長19m，翼展14m，高5m，零距離上飛機8~12μm的輻射亮度分布（也作為目標模板）見圖2，導彈瞬時視場為5?×5?，由導彈的圖像處理算法，權重向量ξ=（0.25，0，0.25，0.25，0.25）（圖像特征量的權重向量ξ對評估結果有重要的影響，本算例取值原則是：分析圖像識別算法中用到了哪幾個特征量，把這幾個特征量的權重平均分配）。改變飛機的整體輻射亮度（不改變形狀和灰度分布）和探測距離，得到評估指標E*的不同取值，仿真得到無誘餌干擾時E*與探測概率p的關系，見圖3。在飛機圖像不同位置添加紅外誘餌彈圖像，仿真得到有誘餌干擾時E*與探測概率p的關系，見圖4。

圖2（目標模板）

圖3 無誘餌干擾時的E*-p關系

圖4 有誘餌干擾時的E*-p關系

由仿真結果可以看出，探測概率p始終隨E*的增大而增大，即評估指標的變化與探測概率的變化一致，證明了以E*作為成像目標對該類探測器紅外隱身效果的評估指標是合理的，可以反映真實的紅外隱身效果。

3紅外隱身效果評估

用評估指標E對某型雙發(fā)戰(zhàn)斗機的成像紅外隱身效果進行評估。背景為北半球夏季晴朗天-地背景，飛機在11km高度平飛，飛行速度1.6Ma。選擇兩種采用不同圖像處理方法的紅外成像探測器，其區(qū)別體現(xiàn)在圖像特征量的權重上：

ξ1=（0.25，0，0.25，0.25，0.25），ξ2=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.2），則兩種探測器對應的評估指標的表達式也不同，記為E*1和E*2。成像視場均為5?×5?。飛機目標模板為數(shù)據(jù)庫中存儲的飛機不同姿態(tài)下的紅外圖像，均是仿真得到的飛機無隱身時零距離的紅外圖像。

3.1距離R對隱身效果的影響

圖5為8~12μm波段不同探測距離天空背景下飛機的紅外場景圖像。由圖可見，探測距離增大，則飛機在視場中所占的面積減小，但探測器處理圖像的精度是固定的，使得計算的飛機圖像特征略有改變，影響到目標圖像與目標模板的相似度S*t-m；同時由于透過率的減小，飛機的亮度略有降低，影響到目標與背景的灰度對比度。綜合以上作用，E*1和E*2隨距離R的變化規(guī)律如圖6所示?？梢?，E*1和E*2均隨距離R的增加而加速減小，說明對于紅外成像探測器，實施紅外隱身的時機很重要，在距探測器較近時實施紅外隱身效果較差，而在太遠的距離目標構不成紅外圖像，仍要依據(jù)點源目標規(guī)則來處理。因此當目標圖像在視場中的尺寸較小時采用紅外隱身效果更好。E*2對圖像高亮區(qū)比例的變化更敏感，因此E*2隨距離R變化的程度大于E*1。

（a）R=1km （b）R=3km （c）R=5km

圖5 不同探測距離上的目標場景圖像

圖6 E*1和E*2隨距離R的變化規(guī)律

3.2采用不同隱身技術的隱身效果評估

在距離5km處，無誘餌干擾的情況下，比較了不同隱身技術對隱身效果的影響，以及不同方位上隱身效果的變化（隱身飛機紅外輻射的建模仿真可參考文獻）。由于灰度對比度是評估指標E*的重要組成部分，而灰度的對比實質上是輻射亮度的對比，因此首先給出飛機采用不同隱身技術時平均輻射亮度在飛機對稱面內隨視線高低角α的變化規(guī)律，見圖7和圖8。圖中線1為不采用額外的隱身技術時的輻射強度曲線，線2為采用排氣系統(tǒng)紅外輻射抑制技術后的輻射強度曲線，線3為采用機體紅外輻射抑制技術后的輻射強度曲線，線4為同時采用兩種紅外輻射抑制技術后的輻射強度曲線。其中，采用的排氣系統(tǒng)紅外輻射抑制技術為冷氣注入，注入冷氣的流量比為10%，方向與軸向呈30°角向中心；機體紅外輻射抑制技術為低發(fā)射率隱身材料，在紅外波段的發(fā)射率為0.3。

圖7 3~5μm波段的飛機輻射亮度

圖8 8~12μm波段的飛機輻射亮度

由圖可以看出，飛機正后方的輻射亮度最大，正前方的輻射亮度最小，3~5μm波段輻射亮度隨方位的變化幅度較大，8~12μm波段輻射亮度隨方位的變化幅度較小，因此8~12μm波段更利于飛機的全向探測。

圖9~圖12分別為在3~5μm波段和8~12μm波段E*1和E*2在飛機對稱面內隨視線高低角α的變化規(guī)律。由圖可見，E*1和E*2隨α的變化規(guī)律與飛機輻射亮度隨α的變化規(guī)律有很大關系，在8~12μm波段從上方探測（0°~180°）時，E*1和E*2的變化趨勢與輻射亮度的趨勢相反，其它情況下，E*1和E*2的變化趨勢與輻射亮度的趨勢相同。在相同條件下，E*1和E*2的差別很小。這是由于在無誘餌干擾時，評估指標E*由灰度對比度CG和與目標模板的相似度S*t-m兩部分構成，由于存儲有各個探測方向的目標模板，在同樣的探測距離下，目標圖像與目標模板的圖像特征差別隨方向變化不大，因此隱身效果的方位差別主要由灰度對比度CG來體現(xiàn)。在8~12μm波段從上方探測時，飛機輻射亮度小于背景輻射亮度，CG隨飛機輻射亮度的減小而增加，其它情況下，飛機輻射亮度大于背景輻射亮度，CG隨飛機輻射亮度的減小而減小。

圖9 3~5μm波段的E*-α曲線

圖10 8~12μm波段的E*1-α曲線

圖11 3~5μm波段的E*2-α曲線

圖12 8~12μm波段的E*2-α曲線

從圖中還能看出，排氣系統(tǒng)紅外隱身技術對飛機3~5μm波段的紅外隱身效果影響較大，機體紅外隱身技術對飛機8~12μm波段的紅外隱身效果影響較大。由于探測器2利用的圖像特征更多，對圖像灰度分布的變化更敏感，E*2普遍小于E*1，這在采用排氣系統(tǒng)紅外隱身技術后3~5μm波段表現(xiàn)尤為明顯。各種紅外隱身技術對抗探測器2時的隱身效果更好。

經過了5km的傳輸，目標圖像特征在3~5μm波段改變較大，在8~12μm波段改變較小，3~5μm波段的相似度S*t-m遠小于8~12μm波段的相似度，但3~5μm波段目標與背景的對比度較大，綜合來看，從上方探測時，8~12μm波段的紅外隱身效果優(yōu)于3~5μm波段，而從下方探測時，3~5μm波段的紅外隱身效果優(yōu)于8~12μm波段。這些結論與對直接觀察仿真得到的紅外場景圖像（圖13、圖14）所得的直觀感受相符，也進一步證明了所定指標的合理性。場景圖像中，左上角顯示的是該角度下的目標模板，中央為采用了紅外隱身技術后的飛機圖像。（為便于比較，每張圖的灰度等級是相同的）

圖13 從飛機下前方探測時的目標紅外場景（α=230?）

圖14 從飛機上前方探測時的目標紅外場景（α=135?）

3.3有誘餌干擾時的紅外隱身效果評估

誘餌對成像探測器的影響較為復雜，不同種類的紅外誘餌具有不同的圖像特征，同一誘餌從不同的方位探測也呈現(xiàn)不同的圖像特征，而且當誘餌與目標在視場中的圖像發(fā)生部分重疊時，相當于改變了飛機目標的圖像特征，這些都關系到飛機的紅外隱身效果。由于飛機在8-12μm波段天空背景下的紅外圖像特征最明顯，本文研究在此條件下施放紅外誘餌對飛機隱身效果的改善。（誘餌紅外輻射的建模仿真可參考文獻）

在距離5km處，飛機同時采用了排氣系統(tǒng)和機體紅外輻射抑制技術的情況下，選取了5個具有代表性的紅外場景，包括不同的探測方位和不同的誘餌干擾方式，比較了不同誘餌干擾條件下飛機8-12μm波段的紅外隱身效果。5個紅外場景的描述和和對應的評估結果E*1、E*2列于表1。

由紅外場景圖像可以直觀地看出，點源型的紅外誘餌彈由于形成的圖像尺寸太小，對飛機的紅外圖像特征幾乎沒有任何影響，面源紅外誘餌的紅外圖像特征與飛機圖像具有一定的相似性，且當誘餌圖像與飛機圖像有重疊時，能較大程度地改變目標的圖像特征。

比較表 1 中不同場景E*1、E*2數(shù)值可見，施放有限數(shù)量的紅外誘餌彈不會提高飛機的紅外隱身效果。當誘餌圖像和飛機圖像不重疊時，施放面源紅外誘餌也對飛機的紅外隱身效果沒有改善。這是由于在5km 距離上，飛機的圖像特征已較明顯，雖然面源紅外誘餌的圖像特征與飛機目標模板具有一定的相似性，但飛機圖像與目標模板的相似度更高，成像探測器能很容易地辨認出飛機目標，因此1 E*1、E*2數(shù)值與無誘餌干擾時相同。在場景 4 中，面源誘餌與飛機在圖像上有部分重疊，重疊后的區(qū)域的圖像特征與目標模板產生了較大的區(qū)別，使得E*1、E*2大幅減小，飛機紅外隱身效果提高。在場景5中，不但有一枚面源誘餌與飛機圖像重疊，改變了目標區(qū)域的圖像特征，而且有一枚面源誘餌形成一個獨立的假目標，使得探測器識別出飛機目標的難度大大提高，因此E*1、E*2數(shù)值更小，飛機紅外隱身效果更好。

比較E*1和E*2的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，當目標圖像特征改變時，E*2的降幅更大，這是由于探測器2識別目標時依據(jù)的圖像特征信息更多，對圖像特征改變更敏感?？梢妼τ诩t外成像探測器，圖像相關匹配能力越強，越能準確地從復雜環(huán)境中識別出目標，但對目標特征的改變也越敏感，越容易受到主動或被動紅外隱身技術的影響。

總之，紅外誘餌干擾成像探測器的難度遠大于干擾點源探測器，只有把握好施放時機、方位，或將多枚誘餌配合使用，才能達到較好的紅外隱身效果。

表1 不同紅外場景下的紅外隱身效果

圖15 不同誘餌干擾下的紅外場景圖

4結論

本文密切結合紅外探測器的識別機理，制定了能夠定量評估出飛機采用不同隱身措施、不同干擾手段、對抗不同探測器時的隱身效果的評估指標，克服了目前常用的評估指標中受探測器性能參數(shù)影響較大、無法反映誘餌干擾等主動紅外隱身的作用效果、與目標自主識別紅外探測器的跟蹤結果偏差較大等問題；提出了通過探測器仿真驗證評估指標的新思路。主要結論有：

1）探測距離增加，成像目標的紅外隱身效果提高。在實戰(zhàn)中飛機與探測器的距離不斷變化，探測距離反映了實施主動或被動紅外隱身的時機，應根據(jù)探測距離的不同采用相應的紅外隱身技術，在降低紅外隱身成本的同時提高紅外隱身的效率。

2）實現(xiàn)3~5μm波段飛機的紅外隱身，關鍵是采用有效的排氣系統(tǒng)紅外隱身技術，實現(xiàn)8~12μm波段飛機的紅外隱身，關鍵是采用有效的機體紅外隱身技術。對于成像探測器，從上方探測時，8~12μm波段的紅外隱身效果優(yōu)于3~5μm波段，而從下方探測時，3~5μm波段的紅外隱身效果優(yōu)于8~12μm波段。

3）紅外誘餌彈對成像階段的紅外探測器基本不起作用，面源紅外誘餌干擾成像探測器的難度也遠大于干擾點源探測器，當誘餌圖像和飛機圖像不連通時，成像探測器能很容易地識別出飛機目標，只有把握好施放時機、方位，或將多枚誘餌配合使用，保證視場中的誘餌圖像和飛機圖像有重疊，才能達到較好的紅外隱身效果。

需要說明的是：由于本文所給出的評價方法旨在評估飛機目標本身的紅外隱身（包括被動隱身和主動干擾）技術水平，所以排除了大部分探測器性能參數(shù)的影響。本文雖然制定評估指標時排除了大部分探測器性能參數(shù)的影響，所舉示例也是仿真得到的紅外場景圖像，但評價方法同樣適用于實測紅外場景圖像的評估，前提是用于評估的實測紅外場景圖像必須出自同一探測器。