阅读说明：本技术 一种天基红外空中目标探测波段选取方法 (Space-based infrared aerial target detection waveband selection method ) 是由 饶鹏 朱含露 陈略 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天基红外空中目标探测波段选取方法,首先系统性地建立了空中目标整体在红外波段的辐射特性模型,再建立几种常见背景的辐射特性模型；以目标和背景的辐射特性为基础,结合信噪比(SNR)和信杂比(SCR)提出信号-噪声-杂波联合比(SNCR),以SNCR作为评价标准对目标整体辐射特性强度进行评估；分别计算空中目标在不同波段区间内的SNCR值,确定SNCR的峰值区间,并以此区间作为天基空中目标的探测波段。本方法可为提升天基红外探测系统获取到的目标信号强度提供依据,提高目标与背景杂波、系统噪声的对比度,显著提升探测系统对空中目标的发现能力。(The invention discloses a space-based infrared aerial target detection waveband selection method, which comprises the steps of firstly systematically establishing a radiation characteristic model of an aerial target whole in an infrared waveband, and then establishing several radiation characteristic models of common backgrounds; based on the radiation characteristics of the target and the background, a signal-to-noise-clutter combination ratio (SNCR) is provided by combining a signal-to-noise ratio (SNR) and a signal-to-clutter ratio (SCR), and the SNCR is used as an evaluation standard to evaluate the overall radiation characteristic intensity of the target; and respectively calculating the SNCR values of the aerial target in different wave band intervals, determining the peak value interval of the SNCR, and taking the interval as the detection wave band of the aerial target on the space basis. The method can provide a basis for improving the signal intensity of the target acquired by the space-based infrared detection system, improve the contrast between the target and background clutter and system noise, and obviously improve the discovery capability of the detection system on the aerial target.)

一种天基红外空中目标探测波段选取方法

技术领域

本发明属于红外遥感和红外空间技术领域，特别是涉及一种天基红外空中目标探测波段选取方法。

背景技术

在远距离条件下对目标进行探测时，由于探测距离远，目标的信号较弱，而背景杂波复杂，探测器的噪声明显，探测效果主要受到三方面的影响：第一是目标在飞行过程中，背景变化的多样性，如海面背景、云背景、城市背景等，因此存在强变化的背景杂波；第二是大气的影响，目标辐射在穿透大气的过程中会被大气中某些气体有选择性地吸收，或被大气悬浮微粒散射，上述现象均会使目标辐射产生衰减，从而降低信噪比和信杂比；第三方面，在探测器中的噪声也会对目标信号产生巨大的干扰。因此需要获取大的信噪比和信杂比，使得探测器获取强信号。国内外学者主要都仅是采用单一参数对目标的谱段进行确定，都无法全面地系统性考虑对探测谱段影响的关键参数。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种天基红外空中目标探测波段选取方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种天基红外空中目标探测波段选取方法，包括以下步骤：

步骤一：收集常见空中目标和不同类型背景的各项参数，构建目标和背景辐射特性模型，分别获取目标和背景的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)和φ_bk(λ)，其中φ为辐射通量，λ为波长；

步骤二：根据Silk统计方差的方法定义杂波，并进一步得到在目标探测过程中的信杂比SCR(λ₁，Δλ)：

步骤三：定义信噪比：信号的辐射通量转化为信号电子数N_S(λ₁，Δλ)，如下所示：

N_S(λ₁，Δλ)＝φ_q·η·t_int(e/pixel) (4)；

信噪比SNR(λ₁，Δλ)的表达式如下所示：

步骤四：结合公式(3)和(5)可以得到SNCR联合参数公式：

其中，步骤一中目标的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)的确定：

全面分析空中目标辐射特性，从目标的几何尺寸、运动特性、蒙皮温度、蒙皮及尾焰的发射率、尾喷口和尾焰的温度变化出发，构建目标的辐射特性模型，获得目标自身光谱辐射通量φ_tar(λ)与波长λ的关系：

其中，I_tar(λ)为目标辐射强度，R为卫星轨道高度，H为目标离地面高度，n为目标再焦平面上的像元数，τ(λ)为大气透过率，τ₀(λ)为光学系统效率，K(λ)为能量集中度，A_r为入瞳面积。

其中，步骤一中背景的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)的确定：

引起背景辐射的主要辐射源有太阳、大气、云和地物，太阳辐射通过直接或间接的方式反射或散射影响目标辐射特性；地表自身多次发射辐射和散射构成的地表辐射；大气自身热辐射和环境辐射散射，这几类辐射源的叠加即为总的背景辐射；对这几个主要的背景辐射源进行分析，获得背景辐亮度辐射特性模型L_bk(λ)，进一步求得背景的辐射通量：

φ_bk(λ)＝I_bk(λ)Ωτ(λ)τ₀(λ)K(λ)A_r (2)

其中，Ω是瞬时视场立体角。

其中，步骤二中式中，为起始波长λ₁，波段宽度Δλ的目标辐射通量均值，是目标光谱辐射通量φ_tar(λ)在此波段上的积分，为起始波长λ₁，波段宽度Δλ的目标周围局部范围内的背景辐射通量均值；σ_φc(λ₁，Δλ)为目标周围局部范围内的背景辐射通量标准差。

其中，步骤三中φ_q为光敏面上的光子辐射通量，photon·s^-1，η为量子效率，t_int为积分时间；N_S(λ₁，Δλ)为波段Δλ上的光电流信号电子数，N_rd为波段Δλ上的读出噪声，N_d为波段Δλ上的暗电流噪声。

本发明的优点如下：

本发明通过建立羽流仿真模型，全面构建目标辐射特性，结合信噪比SNR和信杂比SCR的SNCR联合指标分析探测谱段，最终确定合理的针对于飞机目标探测的具体谱段，尽可能地使探测系统输出的信号中目标分量最大，提高空中目标的探测概率。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的两种不同的目标模型的原型，(a)类型1，(b)类型2；

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些内容。

一种天基红外空中目标探测波段选取方法，包括以下步骤：

步骤一：收集常见空中目标和不同类型背景的各项参数，构建目标和背景辐射特性模型，分别获取目标和背景的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)和φ_bk(λ)，其中φ为辐射通量，λ为波长；

目标的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)的确定：

全面分析空中目标辐射特性，从目标的几何尺寸、运动特性、蒙皮温度、蒙皮及尾焰的发射率、尾喷口和尾焰的温度变化出发，构建目标的辐射特性模型，获得目标自身光谱辐射通量φ_tar(λ)与波长λ的关系：

其中，I_tar(λ)为目标辐射强度，R为卫星轨道高度，H为目标离地面高度，n为目标再焦平面上的像元数，τ(λ)为大气透过率，τ₀(λ)为光学系统效率，K(λ)为能量集中度，A_r为入瞳面积；

背景的辐射通量与波长的关系φ_tar(λ)的确定：

引起背景辐射的主要辐射源有太阳、大气、云和地物等，太阳辐射通过直接或间接的方式反射或散射影响目标辐射特性；地表自身多次发射辐射和散射构成的地表辐射；大气自身热辐射和环境辐射散射等，这几类辐射源的叠加即为总的背景辐射；对这几个主要的背景辐射源进行分析，获得背景辐亮度辐射特性模型L_bk(λ)，进一步求得背景的辐射通量：

φ_bk(λ)＝I_bk(λ)Ωτ(λ)τ₀(λ)K(λ)A_r (2)

其中Ω是瞬时视场立体角；

步骤二：根据Silk统计方差的方法定义杂波，并进一步可以得到在目标探测过程中的信杂比SCR(λ₁，Δλ)：

式中，为起始波长λ₁，波段宽度Δλ的目标辐射通量均值，是目标光谱辐射通量φ_tar(λ)在此波段上的积分，为起始波长λ₁，波段宽度Δλ的目标周围局部范围内的背景辐射通量均值；σ_φc(λ₁，Δλ)为目标周围局部范围内的背景辐射通量标准差；

步骤三：定义信噪比，信号的辐射通量转化为信号电子数N_S(λ₁，Δλ)，如下所示：

N_S(λ₁，Δλ)＝φ_q·η·t_int(e/pixel) (4)

其中，φ_q为光敏面上的光子辐射通量，photon·s^-1，η为量子效率，t_int为积分时间；信噪比SNR(λ₁，Δλ)的表达式如下所示：

其中，N_S(λ₁，Δλ)为波段Δλ上的光电流信号电子数，N_rd为波段Δλ上的读出噪声，N_d为波段Δλ上的暗电流噪声；

步骤四：结合公式(3)和(5)可以得到SNCR联合参数公式：

实施例

仿真环境：Matlab2018b；

测试输入：图2中两类目标的基本参数和尾焰参数，模拟探测系统的轨道高度、读出噪声、量化位数和波段范围等参数以及不同背景参数。

指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。