光电隐身效果评估技术系列讲座第二讲_红外隐身效果评估_杨照金

降低成本。 这四种方 法也适用于所有 的光学成像隐 身, 其中采用数字图像分析法是红外隐身效果评价研 究的发展趋势。 采用数字图像分析法的关键是如何提取包含 背景隐身目标的图像数字统计 特征, 建立 起与实 际隐身效果如探测距离、 探测概率等的对应关系, 通常分三个步骤 : a 找到合适的目标和背景统计特征, 如亮度特 征、 纹理特征、 边界特征、 分形特征及颜色特征等; b 根据目标和背景的统计特征选取合适的相 似度 量 值 来 描 述 目 标 和 背 景 特 征 分 布 的 相 似 程度 ; c 确定各种特征的综合相似度量值, 建立起与 实际隐身效果的对应关系 , 可以采用的方 法主要 有平均法、 取极值法和加权法等。 尽管后两种红外隐身效果评价方法是目前研 究的主要方向, 但是它 们都是以前两种方 法为基 础的 , 只有通过大量的外场试验, 建立起图像统计 特征与隐身目标探测概率间的 关系, 才可 以真正 应用图像分 析的方 法实现 对目标 隐身 效果的 评 价, 从而降低隐身效果评价用时间和成本。
表征两幅图像之间的相似程度。当 Cg 较大时, 表 明两幅图像的灰度统计特性比较相似; 反之, 当 Cg 较小时, 表明两幅图像的灰度统计特性差别较大。 参照上 面灰度直方图的相关系数的定义 , 灰 度共生矩阵的相关系数定义为
C gc =
i= 0 j = 0 N N
[ p A ( i, j ) - E( p A ) ] [ p B ( i, j ) - E( p B ) ]
N N
1) 整个视场中有尽 可能多的点与涂 装后的 目标相类似。因 为如果可疑点 的数目多 , 必将造 成观察人员注意力分散, 难以确定目标点的位置, 导致目标搜索发现时间增大, 搜索发现概率降低。 2) 涂装后的目标与 它周围局部背景 的差异 很小。当目标与周围局部背景在可见光反射和热 红外辐射上的差别足够小 , 观察人员裸视 或通过 热像仪观察时, 无法区分目标和周围背景时, 目标 就达到了良好的隐身效果。 根据以 上两点要求, 结合上面 相关系数的定 义, 就可以从整体和局部两个角度 , 提出以整体相 似系数和局部相关系数的概念。 整体相似系数定义为 S g = n/ N 总的图像子块数 , 例如, 对于一幅 900 ( 5) 900 像素的 其中 : N 表示图像中以目标的大小为单位, 划分的 图像中, 若目标区所占的大小为 30 30 像素, 则 N 为 900; n 表示图像中与目标相似的子块数。相似 的意义包括灰度分布的相似 ( 用灰度直方 图相关
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E( R B ) 表示 图像 B 的灰度共生矩阵 的均值, 定义与上式一样。 灰度 梯度共 生矩阵相 关系数 Cgg c 的定 梯度 义与 ( 3) 式相同, 只是用两幅图像的灰度 共生矩阵来替换灰度共生矩阵。 2. 3 组成 : 1) 搜索所有可疑点 ; 2) 判断可疑点是否为目标。 从隐身的角度来考虑问题 , 如果涂装后的目 标要达到良好的隐身 效果, 则需要满 足以下两点 要求 : 整体相似系数和局部相似系数 上述的 目标搜 索模 型实 际上 是由 两个 步骤
N N
( 3) [ p B ( i , j ) - E( p B ) ]
2
i = 0j = 0
[ p A ( i, j ) - E( p A ) ]
2 i= 0 j = 0
式中 : p A ( i, J ) 表示图像 A 的灰度共生矩阵的第 i + 1行第 J + 1 列的元素; p B ( i, J ) 表示图像 B 的 灰度共生 矩阵 的第 i + 1 行第 J + 1 列 的元 素; E( p A ) 表示图像 A 的灰度 共生矩阵的均值 , 定义 为 E( p A ) = 1 2 p A ( i, j ) ( N g + 1 ) i= 0 j = 0
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式搜索, 即相继的瞥见不重复, 而且顺序地搜索完 整个视场。 在上述的假设条件下 , 在背景中搜索目标的 过程可以简单描述为: 人眼扫描整个视场 , 借助头 脑中已有的一些关于 目标的先验知识 , 诸如目标 的亮度特征、 纹理特征和边缘轮廓等信息 , 寻找出 视场中所有的可疑点 , 然后再将这些 可疑点与它 们周围的背景作进一 步的比较, 从而 判断出哪些 可疑点为目标。 2. 2 相关系数 在现代图像处理中, 描述图像的性质 , 通常可采 用灰度直方图、 灰度共生矩阵和灰度 梯度共生 矩阵等方法。灰度直方图描述了图像的灰度统计信 息; 灰度共 生矩 阵反 映了 图像的 纹理 特征 ; 而灰 度 梯度共生矩阵中则包括了图像的边缘信息。 为了描述两幅图像的相似程度 , 引入相关系 数概念。对于灰度直方图, 相关系数可定义为
外发射率。红外发射率的定 义为: 热 辐射体的辐 射出射度与处于相同温度的普朗克辐射体的辐射 出射度之比。符号为 。发射率分为 半球发射率 和方向发射率两种 , 如果在某一方向观测 , 则该比 值称为方向发射率 , 方向发射率的一 种特殊情况 是法向发射率 , 这时是在垂直于材料 的表面进行 测量。发射率还有全发射 率和光谱发射 率之分。 如果测量的辐射包括 整个红外波长范围 , 则称为 全发射率 ; 如果只测量中心波长附近 一个很窄的 光谱带内的辐 射作比较, 则称为光谱发 射率。无 论是全发射率还是光 谱发射率, 它们 都有半球发 射率和方向发 射率之分。一 般情况下 , 可以把红 外隐身材料当作朗伯 体看待, 这时方 向发射率等 于半球发射率 , 可以简称为发射率, 因此我们经常 采用某一波段的全发射率或光谱发射率来评价热 红外隐身材料的性能。由于大多数材料都具有比 较高的红外发射率 , 因此制备红外隐 身材料主要
中图分类号 : T P219. 41 文献标志码 : A
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红外隐身的性能表征
材料热辐射性能的表征 描述红外隐身材料辐射特性的主要参数是红
是制备低红外发射率的材料。 除了红外发射率这个参数以外, 材料的热惯量 也是一个很重要的参数。为了追求材料的红外辐射 特性能够全天候与背景一致, 材料的热惯量必须和 背景的热惯量一致, 这样才可以使目标与背景随着 环境温度的变化不会引起太大的温度差。这是红外 隐身材料值得研究的一个性能参数。 1. 2 隐身效果的表征 目前对于红外隐身效果评价方法的研究主要 有两条路线: 一是定性评价; 二是定量评价。 在定性 评价方面, 主要是从分 析热成像系统 的探测能力出发, 根据 目标的特性和红外 辐射在 大气中传输的特点 , 找 出实现目标热红外 隐身的 条件 , 实施热红外隐身 的目标一旦满足了 这些条 件, 即认为目标实现了热红外隐身。例如, 假设目 标和背景的黑体等效温差为 黑体等效温差为 大于多少 , 差阈值。 T os, 目标斑块间的 T os 不能 T o , 我们关心的是
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系数表征 ) 和 纹 理 相 似 ( 用 灰 度 共 生 矩 阵 和 灰 度 梯度共 生矩阵的相关 系数表征 ) 。可以分 别计算灰度相似和纹理相似意义下的整体相似系 数, 然后取其平均值作为 平均整体相似 系数。对 于在同一背景中的目 标而言, 平均整 体相似系数 越大 , 表明背景中与目标相类似的可疑点越多, 目 标的隐身效果越好。 局部相似系数包括目标和其周围局部背景的 灰度直方图相关系数、 灰度共生矩阵 相关系数和 灰度 梯度共生矩阵相关系数。取 3 个相关系 数的平均值作为平均局部相似系数。对于背景中 的目标而言, 平均局部相似系数越大 , 则表明目标 与其周围局部背景越相似, 目标隐身效果越好。
T o 在什么范围之内方可不被热成像
系统所探测到, 也就是 说要确定出红外隐 身的温
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根据热成像系统探测能力 的两个参数可知, 要使目标不 被热 成像系 统探测 到的两 个基 本条 件是 : 1) 目标等效空间 宽度对热成像 系统的张角 应小于热成像系统的空间分辨力 ; 2) 目标与背景的 黑体等效温差 应小于热成 像系统的温度分辨力。 根据这两个条件 , 再加上红外辐射在大气中 的传输特性 , 即可以推出目标红外隐 身的温差阈 值条件, 再根据目标的温度和材料的红外发射率, 即可以确定对目标实施的隐身措施是否满足这个 温差阈值条件 , 如果满足 , 就认为目标已实现了红 外隐身; 反之 , 就没有实现红外隐身。 这种定性评价方法是有缺陷的 , 因为隐身总 是相对的 , 完全 看不见 的隐身 是很 难实现 的。 因此隐身效果评价的一个目的就是要知道目标被 隐身的程度。显然, 定 性评价方法不 能获得目标 红外隐身程度的数据。 在定量评价方面, 主要有以下四种方法 , 而且 适用于所有的光学成像隐身。 一是外场试验外场判读评价方法。通过组织 成批的经过一定训练的人员用热像仪在不同距离 对实施不同红外隐 身程度的目标进行现 场观察, 统计目标发现与识别 概率等, 从而做 出对隐身效 果的评价 ; 二是外场试验室内判读评价方法。首先在野 外采集大量 包含 背景的 有关红 外隐身 目标 的热 图, 然后在实验室内组织人员对热图进行判读, 从 而做出对隐身效果的 评价, 目的是减 少野外人员 组织的复杂性 ; 三是外场试验图像分析评价方法。利用计算 机数字图像处理技术 , 对有关包含红 外隐身目标 和背景的热图进行特 征提取, 找出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 适的图像特 征统计参数 , 目标与背景的数字统计 特征参数相 差越大, 目标隐身效果越 差。据此做 出对隐身效 果的评价 , 目的是节约每次组织人员 进行判读的 人力资源 ; 四是图像合成室内判读图 像分析评价方法。 利用计算机合成目标 与背景的红外热图像 , 组织 人员进行判读 , 并进行图像分析, 从而做出对隐身 效果的评价, 目的是进一步节约人力和物力资源,
2 基于 灰度 相关 的红 外 隐身 效果 评估
2. 1 目标搜索模型 人眼( 裸视或借助望远镜、 热像仪等) 在背景中搜 索目标的过程是一个非常复杂的物理、 心理过程, 受 目标特征、 背景特征、 大气条件、 成像系统性能、 观察 人员的状态和战术条件等诸多因素的影响。为了使 这种复杂的过程简化, 而又尽可能地接近真实情况, 在建模时, 一般做如下几点假设: 1) 短时间内所搜索 的复杂视场中的 目标是 已知的, 或者是经过提示且熟悉的目标 , 目标在视 场中的确存在; 2) 不考虑对比度很高或尺寸很大的目标, 因 为这样一些目标极易被探测到 , 而且一旦探测到, 则为高度可见, 实际的 军事目标很少具有 这样的 特征 ; 3) 人眼对视场的搜 索是完善的系统 的自由