一種評估飛機可見光隱身性能的概率方法*

賴遠明 田金文 明德烈 李向春

(1.華中科技大學自動化學院多譜信息處理技術國家級重點實驗室 武漢 430074)(2.火箭軍裝備研究院 北京 100085)

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一種評估飛機可見光隱身性能的概率方法*

賴遠明1田金文1明德烈1李向春2

(1.華中科技大學自動化學院多譜信息處理技術國家級重點實驗室 武漢 430074)(2.火箭軍裝備研究院 北京 100085)

光電隱身技術是增強飛機生存能力的重要手段之一。飛機的可見光隱身性能對于提高飛機的作戰能力和生存能力至關重要。開展飛機可見光隱身性能評估具有重要的理論意義和實用價值。論文使用隱身概率來定量地評估飛機的可見光隱身性能,使用光線跟蹤算法模擬可見光探測過程,并通過仿真計算與實際情況的對比驗證了概率模型的正確性。

飛機隱身; 可見光; 性能評估; 信噪比; 隱身概率

Class Number TP391

1 引言

隨著科學技術的進步,戰場上的作戰方式也在不斷演化,在高科技時代,戰爭的形式相較過去已經極為不同,防空系統的威力越來越大,飛機面臨巨大威脅。隱身飛機的出現使得現代戰爭的概念發生了深刻的變化[1],隱身技術能降低飛機被發現和被跟蹤鎖定的概率,能讓飛機在幾乎沒有其它支援的情況下安全地滲透到敵方重兵布防的空域[2],提高飛機在戰場上的生存概率和突防效率,作為提高武器作戰效能的一種有效手段,與激光、巡航導彈并稱為當今軍事技術的三大革命[3]?？梢姽怆[身飛機的研究離不開其隱身性能的評估。研究可見光隱身性能的評估能幫助找到優化飛機可見光隱身性能的配置方案,為可見光隱身涂層的制作提供指導,改變過去以“炒菜”的方式盲目摸索嘗試不同配色的制作方式[4],縮短研發周期,降低研發成本。在作戰中,隱身性能評估理論可以用于航跡規劃。飛機可見光隱身性能評估的研究具有重要意義。

與隱身相關的技術的研究很早就開始了,可見光隱身材料是研究最早的,在早期的戰爭中已經得到大量的應用[5]。二戰中,德國率先開始研發隱身技術和材料,隨后這項軍事技術在美國取得了極大進展。但迄今為止,對隱身裝備性能的評估尚未形成一套完整的理論體系[6]。目前,對隱身性能的評估有定性評估和定量評估兩類方法[7]。隱身是一個相對的概念,很難實現完全的隱身,而定性的評估方法無法反映出飛機的隱身程度,研究定量的評估方法很有必要。

本文提出了基于信噪比計算的隱身概率模型用于計算給定條件下飛機的可見光隱身概率,并以此為評估指標,對飛機的可見光隱身性能進行定量評估。通過仿真,分別計算使用白漆和黑灰漆涂層的飛機在陸地背景和天空背景中的隱身概率,然后將仿真結果與實際中飛機的涂層選擇進行對比來驗證隱身概率模型的正確性。

2 飛機可見光隱身的概率表征

在圖像中,目標與背景的反差越大,目標越突出,越容易被識別出來。圖像中的對比度概念可以描述目標和背景在亮度上的反差。圖像中目標與背景的亮度差越大,對比度的值也就越大,目標被檢測出的概率也就越大。

可見光探測系統進行探測后的輸出是圖像,其輸入則是目標和背景反射到探測器入瞳處的可見光波段能量。目標和背景在圖像上的顯示情況反映的是探測器接收到它們反射的能量情況。圖像中目標背景之間的亮度差與目標和背景反射到探測器入瞳處的能量差緊密相關。

若探測器的感光原件中有sumb個單元接收了背景反射過來的能量,其中單個單元接收到的能量值記為Ebi,則接收到背景反射的總能量為Eb=∑Ebi,其均值為

ub=Eb/sumb

標準差為

若探測器的感光原件有sumt個單元接收了目標反射過來的能量,其中單個單元接收到的能量值記為Eti,則目標反射過來的總能量為Et=∑Eti,均值為ut=Et/sumt。

定義探測器接收到能量的信噪比為

將基于信噪比的隱身概率定義為

3 目標與背景特性建模

可以認為目標是由一系列的三角面片組合而成。根據目標的三視圖及其具體的幾何結構數據,使用3d Max三維建模軟件可以對目標進行相對精確的三維幾何建模。目標對可見光的反射與目標的材質、觀測位置、入射角度、入射光強等因素有關。設Es為太陽光譜輻射照度,α為太陽-飛機連線與飛機表面面元ds法線的夾角,β為探測器-飛機連線與飛機表面面元ds法線的夾角,ρ為飛機面元的光譜反射率,dI為ds面元在β角方向的光譜輻射強度,則有:

這個時候，許元生才真正看清了如蕓的模樣，確實，她還挺好看的?？墒?，許元生碰到了難題，他雖然在代碼的世界里行云流水，但他真的不知道該如何接近一個讓他動了心的女生。

dI=ρEscosαcosβdS/π

太陽的輻射照度可以由普朗克公式求出[8]。用光線跟蹤算法仿真光的傳播,很容易求得目標反射到探測器入瞳處的可見光能量。

背景與目標一樣,是反射太陽輻射出來的可見光,但是背景要遠比目標復雜,很難進行精確建模。本文采用統計建模的方法,通過文獻調查得到陸地背景和天空背景的整體反射率?？傮w上,地面的反射率比較低,很多涉及到以地表反射率作為輸入參數的模型都將其近似地定為0.15[9],天空的反射率比較大,有時可以達到0.8以上[10]。若背景的整體反射率為ρb,則探測器中單個感光單元接收到背景的反射強度為

I=ρbEsS

其中Es為太陽光譜輻射照度,S為感光單元對應到背景上的面積。

4 仿真與分析

可見光隱身飛機常用的表面涂層有白漆涂層和黑灰漆涂層兩種,其中白漆的反射率取0.73,黑灰漆的反射率取0.2。通過資料調研,實驗中陸地背景的反射率取0.15,天空背景反射率取0.8?？梢姽獠ǘ蔚牟ㄩL范圍取0.38μm～0.76μm。在實際觀測中,從地面觀測空中的飛機,飛機通常是暗的,天空是亮的,若機腹使用白漆涂層,則能降低飛機與天空背景的反差。相反,飛機頂部使用的是黑灰漆涂層,因為陸地背景的反射率很低,使用黑灰漆涂層能夠降低飛機與陸地之間的反差。使用上述數據進行仿真實驗,可以得到使用白漆和黑灰漆涂層的飛機在兩種不同背景中的可見光隱身概率,通過仿真結果與實際情況的對比可以對隱身概率模型的正確性進行驗證。

4.1 陸地背景

陸地的地形起伏等因素會導致陸地背景反射到探測器入瞳處的能量有大小起伏,起伏越大則其標準差越大,背景越復雜。

1) 飛機使用黑灰漆涂層

當背景為陸地且飛機使用黑灰漆時,隨著背景的復雜程度的變化,信噪比與隱身概率隨之變化,如圖1所示。從圖中可以看到,當背景比較復雜,起伏很大時,SNR的值比較小。這是因為黑灰涂層與背景的反差本來就小,當背景很復雜時,這種反差被進一步削弱,此時不容易將目標和背景區分開來,飛機的隱身概率很容易達到20%以上。

圖1 陸地背景-黑灰漆組合隱身情況

2) 飛機使用白漆涂層

在陸地背景中使用白漆涂層,意味著飛機和陸地背景之間的反差會比較大,即使背景起伏很大,很復雜,也不會對它們之間的反差產生本質性的影響,SNR一直很大,如圖2所示。此時,飛機被敵方探測到的概率非常大,無法隱身。

4.2 天空背景

天空背景隨天氣的變化很大,總體上,亮度比陸地高出很多。從地面觀測時,目標一般是暗的,而背景是亮的。

1) 飛機使用黑灰漆涂層

圖2 陸地背景-白漆組合隱身情況

當使用黑灰漆涂層時,飛機與背景在亮度上反差很大。天空背景的變化很大,在萬里無云的晴朗天空,整個背景幾乎是純藍色的,反射能量的標準差很小,信噪比會特別大,隱身概率則很小。相反,如果背景是復雜的卷云,則天空背景的起伏度很大,高復雜背景反射到探測器入瞳處的能量的標準差很大,SNR降低,此時,即使飛機使用黑灰漆涂層,也有相對較高的隱身概率,如圖3所示。但與使用白漆涂層的飛機相比,即便是在最有利的環境里,使用黑灰漆涂層的飛機隱身性能也不算好,當背景云層相當復雜時,其隱身概率才高于10%。

圖3 天空背景-黑灰漆組合隱身情況

2) 飛機使用白漆涂層

若飛機使用白漆涂層,則飛機與背景之間的反差比較小,如果背景又比較復雜,則飛機很容易就融入到了背景中,在計算上表現為SNR小,隱身概率高,如圖4所示。此時,飛機的隱身概率對背景的復雜程度變化很敏感。在完全無云和復雜卷云的背景下,飛機的隱身概率相差很大。

圖4 天空背景-白漆組合隱身情況

5 結語

本文使用隱身概率模型進行仿真計算,所得結果與實際情況是相吻合的,這在一定程度上驗證了隱身概率模型的正確性。飛機的可見光隱身性能可以通過基于信噪比的概率模型來進行定量評估,但該模型的正確性還需通過更多的數據進行更深入地驗證。

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A Probabilistic Method to Evaluate the Aircraft’s Visible Light Stealth Performance

LAI Yuanming1TIAN Jinwen1MING Delie1LI Xiangchun2

(1. National Key Laboratory of Science & Technology on Multi-spectral Information Processing,School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) (2. Equipment Academy of the Rocket Force, Beijing 100085)

The electro-optic stealth technology is one of the important means to enhance the aircraft survivability. The craft’s visible light stealth performance is a key to improveits operational capability and survivability. It has important theoretical significance and practical value to carry out the evaluation of the aircraft’s visible light stealth performance. In this paper, a probability model is proposed to quantitatively evaluate the craft’s visible light stealth performance, employ the ray tracing algorithm to simulate the visible light detection process, verify the correctness of the stealth probability model by comparing the simulation computation with the actual situation.

aircraft stealth, visible light, performance evaluation, SNR, stealth probability

2016年7月5日,

2016年8月20日

國家自然科學基金項目(編號:61273241)資助。

賴遠明,男,碩士研究生,研究方向:成像仿真。田金文,男,教授,研究方向:人工智能控制,目標檢測、識別與跟蹤,成像仿真。明德烈,男,副教授,研究方向:人工智能控制、圖像處理與模式識別等。李向春,男,工程師,研究方向:虛擬仿真。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.001