多种天气条件下地面目标的被动红外测距方法

摘要

一种多种天气条件下地面目标的被动红外测距方法，具体实现步骤如下：(1)评估待测目标的类型和所处方位；(2)截取不同的波带；(3)获取两个不同波带上的对应的光辐射能量；(4)计算待测目标与观测者之间的距离；(5)输出待测目标与观测者之间的距离。本发明利用波带截取工具将待测目标辐射的红外光分为两个不同的波带，并通过傅里叶变换红外干涉仪系统获得不同波带对应的干涉分量，以不同的波带作为积分区间对相应的干涉分量进行逐线积分得到相对应的光辐射能量，能够扩大目标的适用范围，适应于不同的天气条件，获得更精确的待测目标与观测者之间的距离。

说明书

技术领域

本发明属于物理技术领域，更进一步涉及光电检测与光电对抗技术领域中的一种适应多种天气条件的地面目标被动红外测距方法。本发明可用于多种天气条件(无云、积云、高层云、层云、层/积云、雨层云、毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等)，获得不同天气条件下的的不同波带的辐射能，对地面红外目标进行测距。

背景技术

多种天气条件(无云、积云、高层云、层云、层/积云、雨层云、毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等)，获得不同天气条件下的的不同波带的辐射能，对红外目标进行测距。

乔亚等人在其发表的论文“红外双色单站被动定位方法”(半导体光电,2014,35(1):100-103.)中提出了一种红外被动测距方法。该方法选择0.75～3μm和3～5μm两个大气窗口作为工作波段，设计了合作目标与非合作目标的红外双色单站被动定位算法，通过实例计算的方式证明了该方法的正确性和有效性，分析了双色消光系数差异大小以及目标温度高低对测距定位性能的影响，得出了双色消光系数差异越小、目标温度越高，越有利于测距定位的结论。该方法存在的不足之处是，该方法仅对1000K以上的空中目标在20km的测距范围内才有较好的测距精度，对低温目标，如500K以下的物体，即使在5km的范围内，测距效果也很差，对目标的适用范围较窄。

路远等人在其发表的论文“红外三色被动测距”(光学精密工程,2012,20(12):2680-2685.)中提出了一种红外被动测距方法。该方法选择8.5μm、9.0μm和9.5μm三个波长作为色比波段，推导了目标辐射强度色比与目标温度、辐射目标距离、大气消光系数之间的关系，在大气消光系数相对固定时，通过测量不同波长的辐射强度比值对目标进行了测距，推导出了红外三色比距离方程。该方法存在的不足之处是，该方法测距公式的探测精度严重受限于目标所处的周围环境和探测距离。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种多种天气条件下地面目标的被动红外测距方法，能够有效地提高不同温度和不同天气条件下目标的红外辐射在传播过程中经大气吸收造成的衰减差异造成的测距精度和测距范围，同时因其可以适用于不同天气条件下地面目标的被动测距，大大增强了该测距方法对红外目标的适用天气范围。

实现本发明目的的思路是，被动测距即目标自身辐射的红外光在大气传输中所产生的衰减不一致的规律，衰减的红外光经大气传输到达探测系统，并利用探测系统对衰减的红外光进行分析，获取两个不同波段的辐射能量，求得目标距离与两个不同波段的光辐射能量的函数关系，实现对目标的被动测距。

为实现上述目的，本发明具体实现步骤包括如下：

(1)评估待测目标的类型和所处方位：

将红外光学系统对准待测目标，通过变焦获取待测目标的类型和所处方位；

(2)截取不同的波带：

使用波带截取工具，将每一种类型的待测目标辐射的红外光分为3.5～4.0μm、4.3～4.8μm两个不同的波带；

(3)获取两个不同波带对应的光辐射能量：

对两个不同的波带分别进行逐线积分，获取两个不同的波带对应的光辐射能量；

(4)计算待测目标与观测者之间的距离：

(4a)按照下式，计算每一种类型的待测目标与观测者之间距离的无量纲中间数：

其中，A_j表示第j类待测目标与观测者之间距离的无量纲中间数，p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆分别表示待测目标与观测者之间距离的常数项,该常数项的取值取决于待测目标和观测者所处的环境，*表示相乘操作，ln表示以e为底的对数操作，E₁表示3.5～4.0μm波带上的对应的光辐射能量，E₂表示4.3～4.8μm波带上的对应的光辐射能量，表示开平方根操作；

(4b)按照下式，计算每一种类型的待测目标与观测者之间的距离：

其中，L_j表示第j类待测目标与观测者之间的距离，p₇表示待测目标与观测者之间距离的常数项,该常数项的取值取决于待测目标和观测者所处的环境；

(5)输出待测目标与观测者之间的距离。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第1、由于本发明使用两个不同波带对应的光辐射能量对低温，近距离待测目标进行测距，克服了现有技术中在5km的范围内对低温待测目标测距，测距效果差，待测目标的适用范围窄的问题，使得本发明增大了目标的适用范围，提高了测距精度。

第2、由于本发明使用两个不同波带对应的光辐射能量对不同类型，中远距离待测目标所处复杂天气环境下进行测距，克服了现有技术中探测精度严重受限于目标所处的周围环境和探测距离的问题，使得本发明提高了探测精度，并在不同天气下能够获得更高信噪比的探测信号。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是黑体在不同温度下的光辐射能量分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的具体步骤做进一步的描述。

步骤1，评估待测目标的类型和所处方位。

将红外光学系统对准待测目标，通过变焦获取待测目标的类型和所处方位。

步骤2，截取不同的波带。

使用波带截取工具，将每一种类型的待测目标辐射的红外光分为3.5～4.0μm、4.3～4.8μm两个不同的波带。

波带截取工具的选取：波带截取工具可选用傅里叶变换红外光谱仪，其体积大，光学性能好，也可选用滤光片光学系统，利用其分光特性，其体积小，光学性能略差于傅里叶变换红外光谱仪，本发明的实施例中选用傅里叶变换红外光谱仪光学系统。

步骤3，获取两个不同波带对应的光辐射能量。

对两个不同的波带分别进行逐线积分，获取两个不同的波带对应的光辐射能量。

对两个不同的波带分别进行逐线积分是指，利用傅里叶变换红外光谱仪光学系统，分别获取3.5～4.0μm波带和4.3～4.8μm波带的干涉分量G₁和G₂，以3.5～4.0作为积分区间对获得的干涉分量G₁进行积分；以4.3～4.8作为积分区间对获得的干涉分量G₂进行积分，得到两个不同的波带上的对应的光辐射能量E₁和E₂。

步骤4，计算待测目标与观测者之间的距离。

按照下式，计算每一种类型的待测目标与观测者之间距离的无量纲中间数：

其中，A_j表示第j类待测目标与观测者之间距离的无量纲中间数，p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆分别表示待测目标与观测者之间距离的常数项,该常数项的取值取决于待测目标和观测者所处的环境，其值分别为：p₁＝-23.4242898888373，p₂＝-1.96831416369685，p₃＝1.14710322123249，p₄＝-0.405069760640905，p₅＝7.98279270368145，p₆＝8.30189128619102，*表示相乘操作，ln表示以e为底的对数操作，E₁表示3.5～4.0μm波带上的对应的光辐射能量，E₂表示4.3～4.8μm波带上的对应的光辐射能量，表示开平方根操作。

按照下式，计算每一种类型的待测目标与观测者之间的距离：

其中，L_j表示第j类待测目标与观测者之间的距离，p₇表示待测目标与观测者之间距离的常数项,该常数项的取值取决于待测目标和观测者所处的环境，其值为：p₇＝0.303273909319334。

实际使用时，p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆,p₇需经过标定调准以克服光路偏差、波带截取偏差。

步骤5，输出待测目标与观测者之间的距离。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述。

1、仿真实验条件：

本发明的仿真实验环境为Windows 8.0系统，处理器型号为Intel(R)Core(TM)i5-3230M CPU@2.60GHZ，显存4G，64位操作系统上使用matlab R2014a进行仿真。

模拟仿真低温，近距离待测目标条件，用温度为280K(低温)的黑体模拟坦克，天顶角为90°的水平地面目标，设某时刻待测目标与观测者相距0.8km，观测点海拔高度为0.1km，天气条件为中纬度夏季，积云，相对湿度为85％，乡村—气溶胶23km。

模拟仿真不同类型，复杂天气环境，中远距离条件，用温度为300K的黑体模拟坦克，天顶角为90°的水平地面目标，设某时刻待测目标与观测者相距2.0km，观测点海拔高度为0.1km，天气条件为中纬度夏季，小雨，相对湿度为85％，乡村—气溶胶23km。

2、仿真实验内容与结果分析：

表1是采用本发明与现有技术的合作目标和非合作目标的红外双色单站被动测距两种方法，分别对低温，近距离仿真条件下对待测目标与观测者进行测距的实测距离结果表。从表1可见，现有技术的合作目标与非合作目标的红外双色单站被动测距方法的测得的距离为734.56m，而本发明测得的距离为801.9293m，可见本发明的测距精度远高于合作目标与非合作目标的红外双色单站被动测距方法，与实际值800m的相对误差在1％以内。

表1低温，近距离条件下的实测距离结果表

表2是采用本发明与现有技术的红外三色被动测距两种方法，分别对不同类型，复杂天气环境，中远距离条件下对待测目标与观测者进行测距的实测距离结果表。从表2中可见，红外三色被动测距方法的测得的距离为2035m，而本发明测得的距离为2008m，可见本发明的测距精度远高于红外三色被动测距方法，与实际值2.0km的相对误差在1％以内。

表2不同类型，复杂天气环境，中远距离条件下的实测距离结果表

附图2是黑体在不同温度下的光辐射能量分布图，其中，图2的横轴表示波长λ，单位是um，纵轴表示光辐射能量M_bλ，单位是W·m^-2·um^-1，各曲线代表黑体在不同温度下的光辐射能量分布曲线。可以看到，本发明能得到不同波带下的光辐射能量，分别将其带入到测距公式中，实现对待测目标距离的求解，使测距精度更精确。

综上所述，本发明能够有效提高待测目标在低温条件，复杂天气条件下测距精度低的问题，增大目标适用范围，并获得更精确的待测目标与观测者之间的距离。