曹淑艷， 唐善軍， 范晉祥， 潘紅濤

(1.92941部隊(duì)96分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000; 2.上海機(jī)電工程研究所， 上海 201109)

紅外探測(cè)系統(tǒng)建模仿真：方法、應(yīng)用與問(wèn)題

曹淑艷1， 唐善軍2， 范晉祥2， 潘紅濤2

(1.92941部隊(duì)96分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000; 2.上海機(jī)電工程研究所， 上海 201109)

建模和仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中起著重要的作用，隨著紅外系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，將在紅外探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中起到更加重要的作用。文章重點(diǎn)介紹面向紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的建模與仿真方法，概述了參數(shù)建模和圖像流建模在紅外系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了建模仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的一些問(wèn)題。

建模； 仿真； 紅外探測(cè)； 優(yōu)化； 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別

0 引言

建模和仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門(mén)多學(xué)科綜合的技術(shù)科學(xué)。建模和仿真是繼理論方案和實(shí)驗(yàn)方法之后，人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的第三種基本手段。

現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)涉及輻射源、大氣傳播、光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理等(有些還涉及到顯示和觀察人員)多個(gè)方面的復(fù)雜系統(tǒng)。需要采用系統(tǒng)的分析和評(píng)估方法，更好地理解紅外探測(cè)過(guò)程，并對(duì)系統(tǒng)的性能測(cè)度進(jìn)行定量評(píng)定，利用定量評(píng)定的性能測(cè)度來(lái)預(yù)測(cè)、評(píng)估紅外探測(cè)系統(tǒng)的性能。

通過(guò)建立構(gòu)成紅外探測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)組件、影響系統(tǒng)性能的各種因素和場(chǎng)景模型以及系統(tǒng)性能模型，在建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，具有重要意義：

a) 能夠在建造系統(tǒng)之前方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)評(píng)估和設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)進(jìn)行評(píng)估；

b) 可以使設(shè)計(jì)者加深對(duì)光電系統(tǒng)的理解，并確定關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及到的權(quán)衡(如靈敏度-分辨率)；

c) 可以作為通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行紅外探測(cè)系統(tǒng)性能評(píng)估的一種有效的補(bǔ)充手段，在各種不同的變化場(chǎng)景中對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，從而顯著降低與系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試相關(guān)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

建模與仿真在現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，正在成為一種現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證手段，在現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)工程中處于核心的位置。由于現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)及與其交互環(huán)境的復(fù)雜性，通常具有非線(xiàn)性、時(shí)變性、多變量和不確定性等特點(diǎn)，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)和物理模型，也給準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)紅外探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜、多變的作戰(zhàn)環(huán)境中的性能帶來(lái)了困難。

本文概述了面向紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的建模與仿真方法，介紹了參數(shù)建模和圖像流建模在紅外系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了建模仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的一些問(wèn)題。

1 建模與仿真方法

1.1 建模途徑

如圖1所示，紅外探測(cè)系統(tǒng)模型可分為兩種類(lèi)型：

a) 以統(tǒng)計(jì)的方式表示輸入圖像信息和系統(tǒng)的模型(“參數(shù)”模型)；

b) 直接采用圖像作為模型輸入的模型(“圖像流”模型)。

參數(shù)模型產(chǎn)生數(shù)值輸出(如信噪比)，而圖像流模型產(chǎn)生處理的圖像和根據(jù)對(duì)輸出圖像的分析產(chǎn)生的度量(如像素直方圖)。圖1示出了兩種其他子類(lèi)：“混合模型”和“軟件/硬件在回路中”?；旌夏Ｐ驮诒举|(zhì)上是參數(shù)模型，但使用從圖像中導(dǎo)出的信息，軟件在回路中/硬件在回路中模型采用軟件和硬件組件作為對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的建模仿真的一部分[1]。

1.2 參數(shù)模型

紅外探測(cè)系統(tǒng)第一類(lèi)模型是參數(shù)模型，也稱(chēng)為數(shù)學(xué)模型、解析模型、統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)值模型等。這類(lèi)模型的基本性質(zhì)：通過(guò)數(shù)學(xué)方程、查找表和邏輯規(guī)則確定光電系統(tǒng)的性能，不使用傳感器圖像。因此，可以采用簡(jiǎn)單的對(duì)比度值來(lái)進(jìn)行輻射度量計(jì)算，并采用各種噪聲源計(jì)算給出信噪比。采用光學(xué)透鏡和探測(cè)器的特性確定成像器的空間頻率響應(yīng)，并產(chǎn)生像調(diào)制傳遞函數(shù)和最小可分辨溫差(MRTD)那樣的性能測(cè)度。因此，參數(shù)建模產(chǎn)生能夠用于評(píng)估系統(tǒng)性能的一組參數(shù)和變換函數(shù)。

參數(shù)模型的優(yōu)點(diǎn)：

a) 將復(fù)雜的物理特征簡(jiǎn)化為統(tǒng)計(jì)近似，可以快速完成計(jì)算；

b) 基于輻射、光學(xué)、探測(cè)器組件的基本物理特性建立模型，通?？梢詮膮⒖紩?shū)、性能指標(biāo)參數(shù)或?qū)嶒?yàn)室測(cè)量獲得用于驅(qū)動(dòng)計(jì)算的參數(shù)。

因此，參數(shù)化模型是以理論為基礎(chǔ)的，功能可以追溯。參數(shù)化模型也容易通過(guò)增加新功能或增加計(jì)算的復(fù)雜性進(jìn)行擴(kuò)展。

但參數(shù)模型經(jīng)常由于統(tǒng)計(jì)假設(shè)不能完全反映物理特征而受到限制。對(duì)于許多紅外探測(cè)系統(tǒng)，性能經(jīng)常受場(chǎng)景中的非正常值影響(如實(shí)際的圖像特征與假設(shè)的場(chǎng)景內(nèi)容有所不同，可能影響虛警數(shù))。參數(shù)模型的結(jié)果受到建模精度的限制，難以量化評(píng)估誤差。另外，由于不使用傳感器圖像，參數(shù)模型不能實(shí)施對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)雜的信息處理。

使用參數(shù)模型的優(yōu)點(diǎn)：

a) 紅外探測(cè)系統(tǒng)的某些組件(如大氣、光學(xué)和探測(cè)器)可以參數(shù)化的形式方便地表示；

b) 參數(shù)模型可以非常快速地計(jì)算出性能數(shù)值，并且方便地支持權(quán)衡分析；

c) 可以在具體的應(yīng)用需求只給出較少的信息時(shí)，在設(shè)計(jì)的早期階段給出粗略的性能估計(jì)。

表1歸納了參數(shù)模型用于項(xiàng)目生命周期的不同階段的收益和局限性。

表1 參數(shù)模型的收益和局限性

1.3 圖像流模型

采用圖像流建模時(shí)，建模者不僅應(yīng)理解怎樣進(jìn)行處理，還要熟悉不同處理方法對(duì)于不同輸入圖像數(shù)據(jù)集的性能。因此，該模型能夠?qū)Ξa(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行深刻的理解，可以方便地對(duì)系統(tǒng)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于圖像流模型具有對(duì)圖像和圖像序列運(yùn)用的處理功能，對(duì)于考慮圖像的特性和有效性至關(guān)重要。圖像流模型的高層級(jí)架構(gòu)如圖2所示，它包括三種不同的圖像數(shù)據(jù)源，還配置了用于仿真?zhèn)鞲衅骱蛨?chǎng)景的交互作用的“開(kāi)環(huán)”和“閉環(huán)”機(jī)制[1]。

開(kāi)環(huán)模型是最容易創(chuàng)建的，因?yàn)樵趫?chǎng)景特征和傳感器之間沒(méi)有反饋。傳感器可以是靜態(tài)的，觀察一個(gè)靜止的場(chǎng)景或運(yùn)動(dòng)的特征。傳感器也可以是運(yùn)動(dòng)的，在這種配置中沒(méi)有來(lái)自場(chǎng)景的反饋，在場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)的情況下需要對(duì)圖像進(jìn)行放大。閉環(huán)模型涉及到傳感器與所觀察場(chǎng)景的交互作用，基于傳感器向場(chǎng)景的接近方式(傳感器的朝向和運(yùn)動(dòng)方向)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、變化的場(chǎng)景景物或場(chǎng)景特征。

可以得到的不同類(lèi)型的圖像，最常見(jiàn)的圖像源是事先記錄的數(shù)據(jù)。這是按照事先定義的觀察幾何或軌跡，采用專(zhuān)門(mén)的攝像機(jī)獲取的真實(shí)圖像數(shù)據(jù)。事先記錄的數(shù)據(jù)通常用于開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)圖像做一些比例放大以模擬變化的距離。按照定義，由另一臺(tái)攝像機(jī)事先記錄的圖像將包括攝像機(jī)的成像特性(分辨率、模糊和光譜響應(yīng))。當(dāng)這些特性顯著不同時(shí)(或者需要很高的建模精度時(shí))，有必要對(duì)圖像進(jìn)行修正，這是一項(xiàng)復(fù)雜和困難的任務(wù)，可能導(dǎo)入附加的誤差。如有必要，可以對(duì)光電傳感器施加附加的模糊效應(yīng)，模糊函數(shù)可以從光學(xué)和探測(cè)器的參數(shù)模型導(dǎo)出的，且隨著時(shí)間變化以便反應(yīng)平臺(tái)的振動(dòng)譜。

合成的圖像數(shù)據(jù)以另一種方式實(shí)現(xiàn)圖像流建模。采用一個(gè)單獨(dú)的軟件工具，根據(jù)用戶(hù)定義的觀察幾何和場(chǎng)景成份產(chǎn)生合成的場(chǎng)景。合成圖像支持開(kāi)環(huán)和閉環(huán)模型結(jié)構(gòu)，具有很大的靈活性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。然而，合成圖像有一些局限性。首先，產(chǎn)生圖像所需要的時(shí)間是一個(gè)實(shí)際的問(wèn)題，盡管計(jì)算機(jī)圖像合成在計(jì)算機(jī)游戲、虛擬場(chǎng)景等方面獲得廣泛應(yīng)用，但對(duì)于紅外成像探測(cè)系統(tǒng)，合成的圖像數(shù)據(jù)的輻射度量必須是精確的，這涉及復(fù)雜的計(jì)算，需要耗費(fèi)時(shí)間，牽涉到實(shí)時(shí)性問(wèn)題。其次，數(shù)據(jù)的有效性是另一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：合成圖像與真實(shí)物理圖像是否一致，這不僅與場(chǎng)景的輻射度量有關(guān)，還涉及場(chǎng)景組元的分布、空間形式、場(chǎng)景組元的交互作用以及場(chǎng)景的異常復(fù)現(xiàn)。

圖像的第三個(gè)來(lái)源是采用復(fù)合解決方案，將分割的實(shí)際目標(biāo)嵌入到合成的場(chǎng)景中，或者將合成的目標(biāo)嵌入到實(shí)際的圖像中，或者整個(gè)場(chǎng)景是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的。嵌入目標(biāo)的方法有多種好處，例如能產(chǎn)生與應(yīng)用相關(guān)的圖像，可針對(duì)所需的目標(biāo)類(lèi)型測(cè)試系統(tǒng)性能，并可以用于閉環(huán)仿真。當(dāng)然，嵌入目標(biāo)或其他特征不是一個(gè)簡(jiǎn)單地替換圖像像素的過(guò)程，必須作相應(yīng)的修正：調(diào)整嵌入的目標(biāo)特征以反映場(chǎng)景的實(shí)際情況(包括面輻射強(qiáng)度和大氣衰減)；實(shí)施模糊以反映傳感器的特性；調(diào)整比例尺以反映觀察幾何條件；允許目標(biāo)和場(chǎng)景之間的交互作用(如陰影或熱反射)；引入諸如車(chē)輛運(yùn)動(dòng)到樹(shù)木后面時(shí)的遮掩效應(yīng)。

采用圖像流建模還應(yīng)注意：為了統(tǒng)計(jì)上有輸出，需要對(duì)寬泛的圖像數(shù)據(jù)集建模。例如，為了獲得足夠的圖像數(shù)據(jù)，需采用幾百個(gè)不同的圖像序列進(jìn)行建模，所需要的處理時(shí)間會(huì)快速增長(zhǎng)。然而，如果不能采用各種各樣的圖像數(shù)據(jù)集全面建模，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗，需要進(jìn)行工作量巨大的重復(fù)工作。

圖像流模型不論對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)處理算法的開(kāi)發(fā)，還是對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的評(píng)估都是很有價(jià)值的。圖像流模型的收益和局限性如表2所示。

1.4 其他類(lèi)型的模型

在圖1中，還有其他兩類(lèi)模型。

第一種是“混合”模型，本質(zhì)上是參數(shù)模型。通常采用某種規(guī)則，通過(guò)查表導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，表述處理功能。查找表中的數(shù)據(jù)是針對(duì)有限數(shù)目的條件采用處理軟件事先計(jì)算的，然后按照性能模型的需要對(duì)查找表進(jìn)行插值。

第二種是“軟件在回路中”或“硬件在回路”中模型?！败浖诨芈分小鳖?lèi)似于圖像流建模，差別在于將實(shí)際的(全部或部分)系統(tǒng)軟件集成在建模鏈中，這對(duì)于開(kāi)發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)軟件是一種非常有用的方法。類(lèi)似地，“硬件在回路中”將(諸如紅外成像傳感器等硬件)物理硬件引入到建模路徑中，然后采用實(shí)際的物理性能數(shù)據(jù)作為模型輸入?！坝布诨芈分小狈抡嫦到y(tǒng)采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，完整的紅外成像探測(cè)器采用一個(gè)合成場(chǎng)景生成器生成的圖像作為其輸入。

表2 圖像流模型的收益和局限性

“軟件在回路中”和“硬件在回路中”是用于重要的研發(fā)項(xiàng)目的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段具有很多優(yōu)勢(shì)，但需要實(shí)際工程作支撐。

1.5 有關(guān)建模策略的考慮

在紅外探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中需要考慮采用何種建模策略。例如：應(yīng)當(dāng)使用什么類(lèi)型的模型；如果采用一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)模型，它是否能夠提供所需要的分析靈活性；如果采用圖像流模型，需要什么數(shù)據(jù)，是否會(huì)占用很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間；考慮到項(xiàng)目生命周期，是開(kāi)始就構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，還是使模型從簡(jiǎn)單的表格軟件開(kāi)始并自然地演進(jìn)。

對(duì)于大多數(shù)紅外探測(cè)系統(tǒng)，通常需要光學(xué)組件的參數(shù)模型和焦平面陣列模型。這樣的模型不僅在項(xiàng)目的開(kāi)始階段是不可或缺的，還能在整個(gè)生命周期內(nèi)運(yùn)用。這樣的模型應(yīng)具有以下能力：

a) 輻射度量計(jì)算，將所會(huì)聚的光子輻射轉(zhuǎn)換為探測(cè)器上產(chǎn)生的電子電荷；

b) 圖像質(zhì)量度量，如光學(xué)或調(diào)制傳遞函數(shù)、由于離焦等效應(yīng)產(chǎn)生的光學(xué)像差和模糊，以及圖像分辨率；

c) 基于光學(xué)結(jié)構(gòu)和掃描得到的角度覆蓋；

d) 噪聲和對(duì)于所定義的目標(biāo)和背景溫度的信噪比；

e) 系統(tǒng)性能，如MRTD、檢測(cè)、識(shí)別和辨別概率。

圖像流建模具有很多優(yōu)勢(shì)，但需要考慮其限制因素，包括圖像數(shù)據(jù)的來(lái)源、模型的整個(gè)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)、所要采用的具體處理設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，通常不存在處理算法，盡管可以參考其他產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理算法概念設(shè)計(jì)。在早期設(shè)計(jì)階段，需要?jiǎng)?chuàng)建并鏈接簡(jiǎn)單的處理功能，具體的細(xì)節(jié)和參數(shù)往往是不知道的，但具有恰當(dāng)?shù)墓δ埽阌谠谠敿?xì)設(shè)計(jì)階段改進(jìn)。在模型中的處理軟件與產(chǎn)品中的處理軟件是不同的，有必要針對(duì)要構(gòu)建的軟件逐步驗(yàn)核模型。

2 參數(shù)建模的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

2.1 參數(shù)模型的發(fā)展現(xiàn)狀

參數(shù)建?？梢詫?duì)非成像紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離預(yù)測(cè)，也可以對(duì)紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)、識(shí)別性能進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。主要用于紅外探測(cè)系統(tǒng)的概念方案階段、需求論證階段與初步設(shè)計(jì)等階段。確定紅外探測(cè)系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求，通過(guò)參數(shù)建模仿真，確定設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿(mǎn)足要求。參數(shù)建模具有較高的成熟度，用于評(píng)估系統(tǒng)成像質(zhì)量、作用距離等靜態(tài)性能模型，技術(shù)更為成熟。

紅外系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型可分為兩大類(lèi)：非成像紅外探測(cè)系統(tǒng)的作用距離模型；紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型。

非成像紅外探測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)?；诩t外探測(cè)傳感器的硬件參數(shù)計(jì)算，比較在傳感器上可以得到的目標(biāo)能量和傳感器的噪聲電平，可以得到傳感器的主要性能指標(biāo)——噪聲等效輻射通量密度或NEI，然后根據(jù)探測(cè)目標(biāo)所需的信噪比計(jì)算作用距離。

紅外成像系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型研究?jī)?nèi)容：當(dāng)熱圖像存在于顯示屏上時(shí)，在觀察時(shí)間不受限制的條件下，觀察者能夠發(fā)現(xiàn)或識(shí)別目標(biāo)的概率。靜態(tài)性能模型基于紅外成像系統(tǒng)硬件參數(shù)，采用評(píng)價(jià)函數(shù)，得到調(diào)制傳遞函數(shù)、噪聲等效溫差(NETD)、最小可分辨溫差(MRTD)、最小可探測(cè)溫差(MDTD)等性能指標(biāo)，描述成像系統(tǒng)空間變化特征，分析紅外成像系統(tǒng)溫度分辨力和空間分辨力。在此基礎(chǔ)上，利用Johnson和TTP等估算準(zhǔn)則，計(jì)算對(duì)于等效條帶圖案靶標(biāo)的靜態(tài)探測(cè)、識(shí)別概率[2-3]。

紅外成像系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型研究具有系統(tǒng)性和完整性。美國(guó)陸軍研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室從事紅外系統(tǒng)性能模型的研究已有50多年歷史，形成了一系列由觀察人員和光電成像傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)目標(biāo)截獲性能的經(jīng)驗(yàn)分析模型。最終的模型已被軍用紅外成像界采納，用于定量評(píng)估采用紅外成像器的觀察人員能否完成對(duì)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和辨別。美國(guó)陸軍研究開(kāi)發(fā)紅外仿真模型歷經(jīng)FLIR75模型、FLIR79模型、FLIR90模型、FLIR92模型、NVTherm模型、NVThermIP模型、NV-IPM模型等幾代發(fā)展、改進(jìn)和更新，能夠?qū)Ω鞣N類(lèi)型的紅外成像系統(tǒng)性能做較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估。德國(guó)研究者Wolfgang提出的基于最小可感知溫差(MTDP)的TRM3模型，荷蘭TNO研究所提出的TOD模型等，均有較好的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)性能[2-3]。

2.2 參數(shù)建模在紅外探測(cè)系統(tǒng)研發(fā)中的應(yīng)用

2.2.1 性能指標(biāo)權(quán)衡

紅外和光電傳感器有兩個(gè)最重要的性能參數(shù)：靈敏度和空間分辨率。靈敏度涉及到信號(hào)和噪聲電平，包括來(lái)自目標(biāo)的信號(hào)、來(lái)自背景的信號(hào)，以及影響目標(biāo)或背景探測(cè)的噪聲信號(hào)。源于傳感器和環(huán)境的噪聲是客觀存在的，當(dāng)大的噪聲源淹沒(méi)小的圖像信號(hào)時(shí)，提升靈敏度特別重要檢測(cè)，可檢測(cè)圖像信號(hào)由目標(biāo)和背景信號(hào)之間的能量差別決定評(píng)估傳感器時(shí)，是否具有足夠的圖像信號(hào)能量是一個(gè)主要的考慮[4-5]。

如果一個(gè)傳感器具有足夠的靈敏度，那么在具有足夠的分辨率情況下就能進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別或辨別判決。分辨率受到成像過(guò)程每種因素的影響：大氣、傳感器光學(xué)、傳感器探測(cè)器、傳感器電路和顯示/觀察者。需著重考慮是大氣湍流、光學(xué)系統(tǒng)的衍射或像差限制、探測(cè)器相對(duì)于傳感器的光學(xué)焦距的尺寸和形狀。電氣響應(yīng)、顯示分辨率和其他參數(shù)也對(duì)系統(tǒng)的分辨率有影響。

在某些情況下，分辨率和靈敏度是相互矛盾的參數(shù)。例如，對(duì)于一個(gè)固定光學(xué)口徑系統(tǒng)，可以通過(guò)增大系統(tǒng)焦距來(lái)提高分辨率，但這會(huì)使視場(chǎng)縮小。在需求分析中，對(duì)一個(gè)給定的應(yīng)用場(chǎng)合，必須認(rèn)真權(quán)衡靈敏度和分辨率指標(biāo)，確保系統(tǒng)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

典型的紅外和光電場(chǎng)景的建模需要成像系統(tǒng)、目標(biāo)和大氣的大量數(shù)據(jù)，涉及照射條件、目標(biāo)、大氣、光學(xué)、探測(cè)器、電路、顯示、處理、人眼視覺(jué)等方面的參數(shù)。由于紅外和光電傳感器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在開(kāi)始構(gòu)建紅外或光電傳感器之前，需要考慮超過(guò)100個(gè)參數(shù)，參數(shù)是否重要，取決于應(yīng)用場(chǎng)合。在不知道系統(tǒng)的用途，或描述系統(tǒng)性能的模型中的近似和假設(shè)不當(dāng)時(shí)，有可能錯(cuò)誤地忽略一個(gè)或更多參數(shù)，從而導(dǎo)致使構(gòu)建的系統(tǒng)不能滿(mǎn)足性能要求[4-5]。

以用于彈道導(dǎo)彈防御的紅外導(dǎo)引頭為例，紅外導(dǎo)引頭探測(cè)、截獲和跟蹤感興趣的物體，并從這些物體中選擇出應(yīng)攔截的目標(biāo)。它將遠(yuǎn)距輻射或反射的紅外能量會(huì)聚到構(gòu)成焦平面陣列的紅外傳感器陣列組件。影響著紅外傳感器的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：口徑、波段、視場(chǎng)、瞬時(shí)視場(chǎng)、像素、靈敏度。

(1) 口徑

紅外傳感器的光學(xué)口徑是一個(gè)重要參數(shù)。較大的光學(xué)口徑將能提升導(dǎo)引頭的性能。首先，光學(xué)口徑較大時(shí)，傳感器將能接收更多的紅外輻射，從而使靈敏度提高。第二，光學(xué)口徑較大，光學(xué)系統(tǒng)能將輻射能量聚焦到一個(gè)小的光斑上，導(dǎo)引頭分辨率得到提高。然而，較大的光學(xué)口徑將導(dǎo)致導(dǎo)引頭的尺寸較大、重量增加。

(2) 波段

紅外傳感器探測(cè)電磁波譜的紅外部分，從2微米到幾十微米，根據(jù)黑體的輻射方程，目標(biāo)輻射光譜的峰值波長(zhǎng)取決于目標(biāo)溫度，較冷的目標(biāo)輻射峰值在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)上。選擇導(dǎo)引頭工作波段時(shí)必須考慮目標(biāo)特性。

(3) 視場(chǎng)

視場(chǎng)是導(dǎo)引頭可觀察的角度范圍。較寬的視場(chǎng)能同時(shí)觀察到間距較大的多個(gè)物體，或者發(fā)現(xiàn)一個(gè)位置不確定性較大的物體。前者影響從多目標(biāo)中選擇需要攔截的目標(biāo)時(shí)間；后者將影響攔截彈在截獲時(shí)，保證目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)的能力。

(4) 瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)

瞬時(shí)視場(chǎng)是紅外焦平面陣列的單個(gè)像素所觀察的角度寬度。較小的瞬時(shí)視場(chǎng)能夠提高分辨率，從而使導(dǎo)引頭能較早地分辨出多個(gè)威脅，確保有更多的時(shí)間用于末端制導(dǎo)。

(5) 像素?cái)?shù)目或焦平面規(guī)格

對(duì)于一個(gè)方形的焦平面陣列，方位或俯仰維的像素?cái)?shù)目由視場(chǎng)除以瞬時(shí)視場(chǎng)給出：Np=FOV/IFOV。要求視場(chǎng)最大、瞬時(shí)視場(chǎng)最小時(shí)，采用大規(guī)格焦平面具有優(yōu)勢(shì)。然而，超大規(guī)格紅外焦平面陣列的制備昂貴，方位或俯仰維的最大像素?cái)?shù)目通常為幾百個(gè)。這意味著，在大的視場(chǎng)要求和小的瞬時(shí)視場(chǎng)要求之間需進(jìn)行平衡，這是導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。

(6) 靈敏度

紅外傳感器在希望的距離上探測(cè)一個(gè)特定目標(biāo)的能力取決于靈敏度，這由噪聲特性決定。通常有幾個(gè)性能指標(biāo)用來(lái)描述紅外傳感器的靈敏度，一個(gè)通用的測(cè)度是等效噪聲輻射通量密度(NEI)，這是在輸出處信噪比為1時(shí)在光學(xué)系統(tǒng)的入瞳處的通量密度。NEI定量描述傳感器系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源的靈敏度。NEI用每平方厘米每秒瓦或者每平方厘米每秒光子數(shù)來(lái)表示，數(shù)值越小越好。

基于彈道導(dǎo)彈防御動(dòng)能殺傷器的功能和需求，可以確定波段、視場(chǎng)、等效焦距、噪聲等效通量密度等頂層性能參數(shù)，這些參數(shù)影響著動(dòng)能殺傷器的截獲性能。但NEI與紅外傳感器的多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)(包括積分時(shí)間、傳感器入瞳口徑等)相關(guān)，通過(guò)增加積分時(shí)間和增大入瞳直徑都可以使NEI減小，但積分時(shí)間的選擇必須考慮到動(dòng)態(tài)范圍等因素，入瞳直徑的選擇必須考慮到對(duì)攔截彈的尺寸和重量等的影響。為此，必須基于參數(shù)模型進(jìn)行權(quán)衡、優(yōu)化，得到最佳的積分時(shí)間和入瞳直徑。在此基礎(chǔ)上可以采用參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)較低層級(jí)的關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選擇、權(quán)衡，最終實(shí)現(xiàn)紅外傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

新一代紅外搜索跟蹤系統(tǒng)采用基于凝視紅外焦平面陣列和傳感器。目前，美國(guó)空軍和海軍尚沒(méi)有像NVTherm那樣統(tǒng)一的軍用紅外搜索跟蹤系統(tǒng)模型， 每個(gè)項(xiàng)目都各自獨(dú)立建模。美國(guó)L-3系統(tǒng)公司與美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室和海軍合作開(kāi)發(fā)了凝視型紅外搜索跟蹤系統(tǒng)模型，用于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)概念和方案的分析、設(shè)計(jì)和評(píng)估。包括對(duì)凝視紅外搜索跟蹤傳感器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化：進(jìn)行背景限(同高度、下視)紅外搜索跟蹤傳感器性能計(jì)算；基于信噪比和NEI計(jì)算；考慮阱容量和噪聲限條件下的性能分析；通過(guò)建模和分析設(shè)計(jì)一個(gè)紅外搜索跟蹤傳感器或改進(jìn)探測(cè)器以實(shí)現(xiàn)更好的紅外搜索跟蹤性能，以單個(gè)探測(cè)器信噪比最佳為準(zhǔn)則確定長(zhǎng)波紅外和中波紅外譜段的F(F數(shù))、d(探測(cè)器尺寸)和孔徑尺寸的最佳值；提出改進(jìn)凝視型紅外搜索跟蹤傳感器性能的技術(shù)途徑；考慮到波段、探測(cè)器尺寸、光學(xué)特性、F數(shù)、孔徑直徑、阱容量、暗電流、讀出噪聲和光學(xué)輻射進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)衡[6]。

2.3 系統(tǒng)性能評(píng)估

以紅外成像探測(cè)系統(tǒng)為例，紅外成像傳感器的用戶(hù)需確認(rèn)傳感器可以在多遠(yuǎn)的距離上探測(cè)、識(shí)別或辨別一個(gè)特定的目標(biāo)。由于傳感器性能曲線(xiàn)可知，需要知道目標(biāo)尺寸和對(duì)比度，以及觀察路徑的大氣特性。通過(guò)識(shí)別準(zhǔn)則可以確定供探測(cè)、識(shí)別或辨別目標(biāo)所需的跨目標(biāo)的最小間隔。采用參數(shù)模型可以計(jì)算對(duì)應(yīng)于探測(cè)、識(shí)別、辨別任務(wù)的空間頻率和大氣透過(guò)率，以及目標(biāo)-背景對(duì)比度，進(jìn)而確定目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別或辨別概率與距離(從傳感器到目標(biāo)的距離)的關(guān)系[2]。

3 圖像流建模與仿真發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

3.1 圖像流建模與仿真發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)涉及輻射源、大氣傳播、光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理等(有些還涉及到顯示和觀察人員)多個(gè)方面。在紅外非成像系統(tǒng)和紅外成像系統(tǒng)的參數(shù)化性能模型中，都對(duì)目標(biāo)和背景環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)化。例如紅外成像系統(tǒng)靜態(tài)性能評(píng)估中，模型化目標(biāo)采用相對(duì)背景溫度為ΔT的矩形目標(biāo)代替真實(shí)目標(biāo)(其面積大小與實(shí)際目標(biāo)相同)。紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)性能模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)把目標(biāo)的探測(cè)問(wèn)題用等效條帶圖案的探測(cè)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。

在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，紅外成像探測(cè)系統(tǒng)實(shí)際探測(cè)到的是一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景圖像。新一代的紅外成像探測(cè)系統(tǒng)要求自動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別，如果采用反映目標(biāo)宏觀特性的參數(shù)表征目標(biāo)特征，難以有效評(píng)估復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的性能。為覆蓋各種作戰(zhàn)使用環(huán)境條件，應(yīng)在不同氣象環(huán)境下針對(duì)不同的場(chǎng)景對(duì)紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。受經(jīng)費(fèi)、人力和時(shí)間等多種因素的限制，往往難以實(shí)現(xiàn)。圖像流建模仿真技術(shù)，通過(guò)場(chǎng)景構(gòu)建、場(chǎng)景中各物體的溫度場(chǎng)分布計(jì)算、輻射計(jì)算、大氣傳輸計(jì)算以及成像過(guò)程模擬來(lái)生成符合物理規(guī)律的紅外圖像，能夠?qū)t外成像場(chǎng)景進(jìn)行逼真的模擬。圖像流建模仿真技術(shù)可用于紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，同時(shí)具備自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別跟蹤和抗干擾的仿真驗(yàn)證功能，相比于參數(shù)建模具有明顯優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)在紅外探測(cè)系統(tǒng)的算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證等方面獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件工具的發(fā)展，目標(biāo)與場(chǎng)景紅外輻射特性建模技術(shù)的成熟，實(shí)時(shí)紅外成像場(chǎng)景生成技術(shù)發(fā)展迅速，圖像流建模仿真技術(shù)的成熟度正在逐步提高。紅外場(chǎng)景仿真主要涉及兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是虛擬紅外場(chǎng)景構(gòu)建、場(chǎng)景中各物體的輻射計(jì)算與可視化表現(xiàn)；二是紅外成像系統(tǒng)效果仿真。

虛擬紅外場(chǎng)景構(gòu)建主要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的幾何模型構(gòu)建、溫度數(shù)據(jù)獲取、光學(xué)材質(zhì)獲取以及數(shù)據(jù)與幾何模型的關(guān)聯(lián)。由幾何模型構(gòu)成的虛擬場(chǎng)景采用各種建模工具實(shí)現(xiàn)幾何模型構(gòu)建。溫度數(shù)據(jù)是計(jì)算紅外輻射的前提，可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和基于傳熱學(xué)等理論根據(jù)目標(biāo)材質(zhì)類(lèi)型、氣象條件和對(duì)流情況等建立熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算。紅外輻射計(jì)算基于發(fā)射率和反射數(shù)據(jù)等光學(xué)材質(zhì)數(shù)據(jù)，因此需要根據(jù)應(yīng)用需求獲取所需的光學(xué)材質(zhì)數(shù)據(jù)。由于幾何模型不同部位的溫度和光學(xué)材質(zhì)有關(guān)，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與幾何模型的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，目前已發(fā)展了幾種溫度關(guān)聯(lián)和材質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法。

紅外場(chǎng)景中各物體的輻射計(jì)算包括自發(fā)輻射、反射輻射和大氣衰減及大氣路徑輻射計(jì)算，通常采用紅外輻射計(jì)算模型(包括普朗克公式、大氣輻射模型、反射輻射模型等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

紅外場(chǎng)景仿真中，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)理論，根據(jù)紅外輻射計(jì)算模型，將三維場(chǎng)景渲染成二維紅外輻射圖像實(shí)現(xiàn)可視化。主要采用光柵渲染引擎或光線(xiàn)追跡渲染引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者渲染速度較快，常用于實(shí)時(shí)仿真，后者輻射計(jì)算精度高，但通常計(jì)算效率較低，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染[2-3]。

國(guó)外對(duì)紅外場(chǎng)景仿真的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列成熟的商業(yè)化仿真軟件。在溫度場(chǎng)計(jì)算方面，由早期的經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦^(guò)渡到第一原理模型。然后著重于目標(biāo)與背景的熱交互以及提高輻射計(jì)算精度，同時(shí)致力于仿真軟件的功能模塊擴(kuò)展。

經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵咐迷囼?yàn)測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降臏囟戎祷蜉椛渲颠M(jìn)行紅外場(chǎng)景仿真。通常建立在大量的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)之上，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)，人力物力投入較大。由于觀測(cè)地域有限，模型適用性受限。經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^為粗糙，無(wú)法反映溫度的微小變化，溫度精度不高。

第一原理模型綜合考慮影響物體溫度變化的各種因素，建立物體的熱平衡方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解物體表面的溫度值。經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)發(fā)展了三維熱傳導(dǎo)模型PRISM、基于三維熱網(wǎng)絡(luò)法的GTSIG模型、一維熱傳導(dǎo)溫度計(jì)算模型等多種模型，并且被集成到多種紅外場(chǎng)景仿真軟件中。

這些模型代表了紅外場(chǎng)景仿真發(fā)展的一個(gè)新階段。這些模型比較復(fù)雜，除了考慮氣象條件、外界輻射源、傳導(dǎo)、對(duì)流及熱輻射損失，還要考慮目標(biāo)的方位、工作狀態(tài)、仿真地理位置和仿真時(shí)間等。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，作為紅外場(chǎng)景仿真中的重要組成部分，溫度求解的理論和方法已經(jīng)形成。近年來(lái)，研究者把注意力轉(zhuǎn)移到了提高仿真精度和擴(kuò)展仿真功能上。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，仿真精度要求不斷提高，由此對(duì)模型進(jìn)行了一系列改進(jìn)。

3.2 圖像流建模在紅外探測(cè)系統(tǒng)研發(fā)中的應(yīng)用

圖像流建模與仿真應(yīng)用包括紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、評(píng)估和優(yōu)化，例如：紅外成像空地導(dǎo)彈自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證；防空導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭性能評(píng)估與信息處理算法的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證；紅外成像傳感器探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)性能的虛擬測(cè)試。

(1) 紅外成像空地導(dǎo)彈自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

圖像流建模仿真技術(shù)在法國(guó)Sagem公司紅外型AASM空對(duì)地“發(fā)射后不管”武器的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證中發(fā)揮了重要的作用。采用基于OKTAL-SE工作臺(tái)和Sagem公司的傳感器模型構(gòu)建的紅外合成圖像生成試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生多種不同的合成紅外圖像場(chǎng)景，用于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，包括開(kāi)環(huán)驗(yàn)證和閉環(huán)驗(yàn)證。

美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室建立了用于武器系統(tǒng)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別性能評(píng)估的數(shù)據(jù)集。在各種區(qū)域和氣候條件下獲取導(dǎo)引頭掛飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立評(píng)估數(shù)據(jù)集，并在導(dǎo)彈系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中周期性地對(duì)算法進(jìn)行獨(dú)立的評(píng)估。采用目標(biāo)截獲算法對(duì)采用場(chǎng)景渲染和傳感器模型的高擬真度成像仿真系統(tǒng)生成的圖像進(jìn)行處理，完成系統(tǒng)性能評(píng)估。場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中定義了一個(gè)虛擬三維世界，包括真實(shí)場(chǎng)景的所有單元，如場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的目標(biāo)、對(duì)抗措施、地貌地形和各種背景物體、傳感器與場(chǎng)景之間的實(shí)際大氣條件等。為了對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行精確的建模，需要計(jì)算場(chǎng)景中所有的物體反射、發(fā)射和傳輸?shù)妮椛淞糠至浚⑺羞@些分量組合起來(lái)，并確保在整個(gè)光譜范圍內(nèi)的精確性。

(2) 紅外成像導(dǎo)引頭性能評(píng)估與信息處理算法的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

在紅外成像空空導(dǎo)彈性能評(píng)估及抗干擾算法的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證方面，圖像流仿真技術(shù)獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。

美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為了支持RAM BlockI導(dǎo)彈紅外抗干擾性能，發(fā)展了背景仿真系統(tǒng)。采用在計(jì)算機(jī)在回路中仿真技術(shù)，在仿真的背景圖像中加入目標(biāo)，進(jìn)行復(fù)雜背景環(huán)境下的性能預(yù)測(cè)分析。紅外背景包括海面、變化的天空背景條件、其他導(dǎo)彈、水面艦艇等。為了支持標(biāo)準(zhǔn)2 BlockIV紅外成像導(dǎo)引頭的性能評(píng)估與瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇算法，采用了包含紅外導(dǎo)引頭飛行代碼和在線(xiàn)圖像渲染的六自由度仿真。

南非的CSIR和Denel聯(lián)合開(kāi)發(fā)的光電場(chǎng)景仿真器(OSSIM)的一個(gè)主要應(yīng)用方向就是紅外抗干擾算法的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化與驗(yàn)證。OSSIM可以模擬在晴空背景、多云背景、地面與海面背景中，對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈和其他空中、海面和地面目標(biāo)的觀察，可以同時(shí)形成多個(gè)譜段內(nèi)的輻射量精確圖像。在閉環(huán)的六自由度仿真中，開(kāi)發(fā)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和抗干擾算法，并在數(shù)千次導(dǎo)彈飛行仿真中評(píng)估和優(yōu)化算法。在變化的場(chǎng)景、背景雜波和目標(biāo)機(jī)動(dòng)中對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。

(3) 動(dòng)能攔截彈導(dǎo)引頭性能評(píng)定和目標(biāo)識(shí)別算法的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

美國(guó)林肯試驗(yàn)室建立了導(dǎo)引頭試驗(yàn)系統(tǒng)，可支持美國(guó)陸軍和海軍攔截彈項(xiàng)目的紅外導(dǎo)引頭算法測(cè)試，評(píng)估可能的焦平面陣列技術(shù)并評(píng)估其在仿真環(huán)境中的工作。除了用于導(dǎo)引頭技術(shù)性能定量評(píng)定外，導(dǎo)引頭試驗(yàn)系統(tǒng)為任務(wù)仿真和算法開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)平臺(tái)，支持彈道導(dǎo)彈防御。

空軍研究試驗(yàn)室彈藥部的動(dòng)能殺傷器硬件回路仿真系統(tǒng)(KHILS)，可以對(duì)具有自主識(shí)別跟蹤和瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇算法的成像傳感器，實(shí)施硬件在回路中仿真試驗(yàn)。

美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室為了支持標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈動(dòng)能殺傷彈頭的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，在制導(dǎo)系統(tǒng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室建立了紅外場(chǎng)景仿真系統(tǒng)。采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)測(cè)試結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)在回路中進(jìn)行仿真，對(duì)紅外導(dǎo)引頭作性能評(píng)定和目標(biāo)識(shí)別算法的驗(yàn)證。

為了支持新一代多目標(biāo)殺傷器(MOKV)的發(fā)展，美國(guó)洛克希德馬丁公司新建成的導(dǎo)引頭實(shí)驗(yàn)室，采用先進(jìn)的數(shù)字場(chǎng)景投影器，能夠測(cè)試導(dǎo)引頭對(duì)付多個(gè)威脅的能力。

(4) 探測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)性能的虛擬測(cè)試

美國(guó)陸軍通信電子學(xué)研究、發(fā)展和工程中心(CERDEC)夜視和電子傳感器部正在發(fā)展虛擬的檢測(cè)、識(shí)別和辨認(rèn)(DRI)測(cè)試方法。這種方法采用仿真圖像，是采用外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行傳感器性能評(píng)估的一種有效補(bǔ)充手段。將現(xiàn)有的紅外成像仿真能力(如數(shù)字成像和遙感圖像生成器)和美國(guó)陸軍夜視和電子傳感器部的綜合性能模型圖像生成器(NVIPM-IG)相結(jié)合，并融入現(xiàn)有的檢測(cè)算法，可以降低測(cè)試與驗(yàn)證的成本，縮短試驗(yàn)時(shí)間，減小測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。虛擬圖像生成比常規(guī)的外場(chǎng)測(cè)試具有更大的靈活性，并且能覆蓋更寬泛的測(cè)試條件[8]。

為了評(píng)估仿真圖像用于虛擬DRI測(cè)試的適用性，仿真圖像必須與實(shí)際圖像盡可能匹配，這種相似性必須包括實(shí)際的目標(biāo)模型和實(shí)際的雜波、地形、大氣條件和紅外傳感器特性?；谂c真實(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)的實(shí)際圖像，仿真場(chǎng)景的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)與實(shí)際圖像盡可能一致，然后采用實(shí)際紅外傳感器參數(shù)(靈敏度、規(guī)格和采樣)與大氣條件進(jìn)行仿真，最后采用NV-IPM工具將探測(cè)器噪聲和其他效應(yīng)加到仿真和實(shí)際圖像中，以模擬在成像鏈中附加噪聲(模糊、暗電流、讀出噪聲等)的影響。

4 建模仿真應(yīng)用中的一些問(wèn)題

由于建模仿真能力與紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的需求尚未匹配，建模經(jīng)常與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)割裂開(kāi)來(lái)。建模仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的作用沒(méi)有得到充分的認(rèn)識(shí)和發(fā)揮。

首先，建模人員和紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員及項(xiàng)目管理人員之間的溝通不夠充分，對(duì)建模需求和能力的理解有偏差。建模人員傾向于將模型驅(qū)動(dòng)到更詳細(xì)的細(xì)節(jié)層級(jí)，沒(méi)有充分地考慮項(xiàng)目的實(shí)際需要，導(dǎo)致模型并不適合系統(tǒng)需求。

其次，建模工作發(fā)展不均衡，大多數(shù)建模工作是針對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)物理組件的建模，對(duì)圖像信息處理方面的建模往往做了過(guò)多的簡(jiǎn)化，難以反映真實(shí)的圖像信息處理算法的情況。隨著自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和抗干擾等復(fù)雜信息處理算法的更新，更注重對(duì)目標(biāo)識(shí)別和抗干擾等算法性能的評(píng)估，因?yàn)檫@決定著系統(tǒng)性能。

第三，模型的成熟度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間不匹配。如果建模要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于系統(tǒng)設(shè)計(jì)成熟度，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。如果建模成熟度適應(yīng)已有系統(tǒng)，則難以在項(xiàng)目的早期方案階段引領(lǐng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。必須根據(jù)項(xiàng)目的性質(zhì)和發(fā)展情況，正確判斷如何建模。建模策略必須適應(yīng)系統(tǒng)生命周期需求的變化，并能在不同的時(shí)間階段提供不同的模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

建模仿真是開(kāi)發(fā)紅外探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要手段。隨著計(jì)算機(jī)和軟件工具的迅速發(fā)展和對(duì)先進(jìn)的紅外探測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越高的需求，紅外探測(cè)系統(tǒng)的建模和仿真發(fā)生了很大的變化，并且在現(xiàn)代紅外探測(cè)系統(tǒng)的全生命周期開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。但建模仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，需要加強(qiáng)建模人員和紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員及項(xiàng)目管理人員之間的溝通，充分理解紅外探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的需求，在項(xiàng)目開(kāi)始階段就盡早策劃適應(yīng)系統(tǒng)生命周期需求的各種建模策略，使建模仿真在紅外探測(cè)系統(tǒng)的全生命開(kāi)發(fā)中充分地發(fā)揮作用。

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Model and Simulation for Infrared Detection System：Approaches，Applications and Issues

CAOShu-yan1,TANGShan-jun2，F(xiàn)ANJin-xiang2，PANHong-tao2

(1.96th Squad, 92941th Unit of PLA, Huludao Liaoning 125000, China；2.Shanghai Mechnical-electronic Engineering Institute, Shanghai 201109, China)

Model and simulation play important roles in the development of infrared detection system. With the advancement and maturation of the model and simulation techniques for infrared detection system, model and simulation will play more and more important roles in the development of infrared detection system. Model and simulation approaches for infrared detection system development are discussed. Present state of the application of parametric model and image-flow model in the development of infrared detection system are summarized. Some issues in the application of model and simulation for the development of infrared detection system are analyzed.

model； simulation； infrared detection； trade-off； optimization； automatic target recognition

1671-0576(2017)01-0005-10

2016-09-13

曹淑艷(1968-),女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)評(píng)估工作。

TJ765

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