基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法
【专利摘要】本发明公开了基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法，它包含以下操作步骤，(a)通过相应的传感装置获取距离反演所必须的测量数据；(b)建立基于带模式的测距模型；(c)建立被动测距数据库，反演目标距离。本发明利用氧气在大气中分布均匀的特点，所选择的氧气A吸收带谱线结构单一、特征明显，容易精确求解吸收截面，并可避免大气中其他成分气体对测量的干扰，且氧气浓度稳定，很好的解决了天气及地域的影响，所建立的带模式测距模型很好的解决了距离反演中的实时性问题。这种技术不仅可以用于固定路基站点，也可用于车载、机载等运动平台，在红外搜索跟踪系统，光电对抗方面有重要应用前景。
【专利说明】 基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及的是一种距离测量方法，具体的说是一种基于红外光谱遥测技术的高精度对空被动测距方法。
技术背景:
[0002]在上个世纪末，红外热点技术成功地运用于红外搜索与跟踪系统(InfraredSearch & Track System, IRSTS)当中。由于红外传感系统不向空中福射任何能量，只是通过接收目标辐射的热能对目标进行探测和跟踪，因而不易被侦察或定位，具有极大的抗干扰能力；加之IRSTS还具有测角精度高和一定的目标识别能力，因此，IRSTS作为一种重要的被动探测系统，得到了广泛的应用。相应地，可用于IRSTS的被动测距技术的研究也逐步深入。
[0003]目前较为可行的被动测距技术可分为三大类:几何测距法、图像分析法和基于大气传输特性的被动测距法。几何测距法通常需要多个站点之间相互配合，无论是静态三角测量方式还是动态三角测量方式，都依据目标相对于系统的方位角和俯仰角进行测量，计算目标距离、速度和位置，当系统和目标均运动时，计算变得异常复杂。图像分析法虽然只需要单个站点即可工作，但该方法由于需要预先得到被测目标的图像或大致几何尺寸或者地理背景信息，测量距离短。
[0004]基于大气传输特性的被动测距法是近几年逐渐兴起的测距技术，由W Jeffrey首先提出(见文献[I]:Jeffrey ff, Draper J S, Gobel R.Monocular Passive Ranging[J].Proceedings of IRIS Meeting of specialty Group on Targets， Rackgrounds andDiscrimination, 1994,113-130.),该方法的关键是能否准确找到不同波段在同一大气传播路径上的衰减特性。后经多年改进与发展，目前美国空军技术研究所已经研究“基于红外及可见波段氧气传输衰减的火箭羽流被动测距方法”(见文献[2] =Vincent R A，Hawks M.R..Passive Ranging of Dynamic Rocket Plumes using Infrared and VisibleOxygen Attenuation[C]， Proc.0f SPIE Acquisition， Tracking， Pointing， and LaserSystems Technologies XXV, 2010 (8052):80520D-1.)以及“基于 C02 红外吸收的被动狈|J距方法，，(见文献[3]:Macdonald D J.Passive Ranging Using Infrared AtmosphericAttenuation[J].Proc.0f SPIE Infrared Technology and Applications XXXVI，2010(7660):766041.)，比较详细说明了 02、C02的大气传输特性，并证明了 762nm附近波段只有氧气吸收带，不受天气影响，其釆用的逐线积分(Line-By-Line，LBL)方法，虽然可以给出精确地带平均吸收系数，但计算量过大，对系统资源占用过多，实时性差。
[0005]进入20世纪中叶，带模式方法逐渐发展起来。所谓“带模式”可以分为“规则带模式，，(见文献[4，5]:Elsasser W M.Heat transfer by infrared radiation in theatmosphere[M].Harvard Meteorological Studies N0.6.Harvard Univ.Pressl942 ；Goody R M.Atmosphere Radiation:I Theoretical Basis[M].0xford University Press，1964.)和“随机带模式”(见文献[6]:Malkmus W.Random Lorentz band model withexponential-tailed S-lline-1ntensity distribution function[J].JOSA,1967, 57:323?329.)两类。其基本思想是，考虑大气气体吸收分子吸收带的“总体”吸收特征，而不着眼于一条具体的吸收谱线。为了求取一条吸收带的平均透过率，“规则带模式”假定:各吸收谱线是“规则”的，即强度和位置是“均匀”分布的。但是，目前发现，在实际的大气气体分子吸收带中，这种情况是很少出现的，另一方面，“随机带模式”则又两个基本假定:1)在一条吸收带中，各条吸收谱线的位置是随机的；2)各条谱线的强度按照某种规律分布。因此，可以用相对简单的统计表达式来描述气体的吸收特性，并可以有效的降低计算复杂度，提闻计算实时性。
[0006]如果有一种基于氧气762nm近红外吸收带的红外光谱遥测技术，结合带模式的被动测距技术，这种技术在保证测量精度的同时，也可以提高距离反演的速度，不仅能推动现代光电对抗技术的发展，而且在提高红外搜索跟踪系统的性能方面也将发挥重要的作用。
【发明内容】
:
[0007]本发明的目的在于提供一种实用、稳健、测距范围大、测量精度高的基于大气传输特性的红外被动测距方法。
[0008]为了解决【背景技术】中所存在的问题，本发明的是通过以下步骤予以实现:
[0009](a)通过相应的传感装置获取距离反演所必须地测量数据；
[0010](b)建立基于带模式的测距模型；
[0011](C)被动测距数据库，反演目标距离。
[0012]所述，步骤(a)通过相应的传感装置获取距离反演所必须地测量数据，包括以下几个步骤；
[0013](a-Ι)利用目标跟踪装置获取被测目标的天顶角数据Θ ；
[0014](a-2)利用光谱遥测装置获取目标经大气传输衰减后的光谱数据，并提取出氧气A吸收带处的光谱数据Ini(V)；
[0015](a-3)利用天气传感器获取当地的温度T、压强数据p。
[0016]所述，步骤(b)建立基于带模式的测距模型，包括一下几个步骤；
[0017](b-Ι)利用步骤(a-2)所提取出的氧气A吸收带处的光谱数据Im(V)后，对光谱数据进行多项式插值，求解基线Ib(V)，从而计算出氧气A吸收带处的光谱透过率Tffi ( u )=
U U)/Ib( u)；
[0018](b-2)按照洛伦兹线型(Lorentz Profile)函数计算相应的氧气A吸收带处的分子线型，通过HITRAN数据库获得氧气分子吸收线强S，结合温度T、压强P数据计算出氧分子吸收截面0 ;
[0019](b-3)根据M0RDTRAN提供的大气标准模型以及相应的氧分子浓度随海拔高度分布关系，建立起氧分子浓度m与测量距离以及测量天顶角的函数关系m= f(l，Θ)；
[0020](b-4)根据艾尔萨斯(Elsasser)随机带模式(Random Model)方法,结合氧分子的马尔克穆斯(Malkmus)分布特征，对透过率函数进行近似变形，并推导出洛伦兹线型的带模式表达式，并将步骤(b-2)中的σ和步骤(b-3)中的m代入测距表达式中，形成基于带模式的测距模型Tq2(U) =F(f(l，θ)，0)。
[0021]所述，步骤(C)建立被动测距数据库，反演目标距离，包括以下几个步骤；[0022](c-1)根据步骤(b-4)建立的测距模型，将被测距离I和天顶角Θ作为自变量，氧气A吸收带平均吸收系数作为变量，通过计算得到一一对应的数值关系，并建立相应的测距数据库；
[0023](c-2)而在实际测量中，通过步骤(b-Ι)得到Tq2(U)后，通过(a-3)获得Θ，再利用步骤(c-Ι)建立的测距数据库，最终查找出对应的被测距离I。
[0024]本发明提供了一种稳定、可靠的基于大气传输特性的被动测距方法，本发明充分利用了傅里叶变换多通道的优势，即不需对目标运动情况进行特定假设，也不需要对目标进行连续跟踪和多次采样，仅对目标辐射进行一次测量即可计算出目标距离信息，测量过程瞬时即可完成，探测距离远，测量可靠性高。
[0025]本发明利用氧气在大气中分布均匀的特点，所选择的氧气A吸收带谱线结构单一、特征明显，容易精确求解吸收截面，并可避免大气中其他成分气体对测量的干扰，且氧气浓度稳定，很好的解决了天气及地域的影响。这种技术不仅可以用于固定路基站点，也可用于车载、机载等运动平台，在红外搜索跟踪系统，光电对抗方面有重要应用前景。
【专利附图】
【附图说明】:
[0026]图1是本发明的对空探测方案不意图；
[0027]图2是本发明的方法实现流程图；
[0028]图3是本发明中获得的辐射光谱图；
[0029]图4是本发明中基线计算示意图；
[0030]图5是1976美国大气标准模型；
[0031 ]图6是带模式示意图。
【具体实施方式】:
[0032]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0033]结合附图1，在被动测距系统的工作示意图中包含:被测空中目标(13)，由光谱遥测获取装置(3)和目标跟踪装置(5)构成的综合装置(14)和三角支架(15);所述综合装置(14)可为高速遥测红外傅里叶变换光谱仪或高速滤光片式光谱仪。假定本被动测距系统放置在海拔高度zb处，被测目标在距系统L距离飞行。被测目标的天顶角Θ由目标跟踪装置或者其它手段获得，以便于本被动测距系统对被测目标的羽流辐射进行光谱获取。
[0034]结合图2具体说明本被动测距的步骤；
[0035]第一步，通过相应的传感装置获取距离反演所必须的测量数据，目标辐射I经过氧气A吸收带吸收衰减2后，利用目标跟踪装置4获取被测目标的天顶角数据Θ，目标跟踪装置 4 可以为红外搜索与跟踪系统(IRSTS, Infrared Searching and Tracking System)或红外跟踪相机等具备测角功能的装置，目标跟踪装置4的主要作用是:一方面使光谱遥测装置3能实时获取目标光谱数据，另外为所选择的氧分子浓度分布模型的建立提供主要参数之一；利用光谱遥测装置3获得目标经大气传输衰减后的光谱数据，并提取出氧气A吸收带处的光谱数据Im(V)，利用气象传感装置5，如便携式气象仪获取当地的温度tb，压强pb数据以及海拔高度值zb。[0036]第二步，建立基于带模式的测距模型，对于实际的测距系统而言，目标辐射光谱经特征气体吸收衰减后的带平均透过率为:
[0037]
【权利要求】
1.基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法，其特征在于它包含以下操作步骤: (a)通过相应的传感装置获取距离反演所必须的测量数据； (b)建立基于带模式的测距模型； (C)被动测距数据库，反演目标距离。
2.根据权利要求1所述的基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法，其特征在于步骤(a)通过相应的传感装置获取距离反演所必须地测量数据，包含以下操作步骤: (a-Ι)利用目标跟踪装置获取被测目标的天顶角数据Θ ； (a-2)利用光谱遥测装置获取目标经大气传输衰减后的光谱数据，并提取出氧气A吸收带处的光谱数据Ini(V)； (a-3)利用天气传感器获取当地的温度T、压强数据p。
3.根据权利要求1所述的基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法，其特征在于所述步骤(b)建立基于带模式的测距模型，包括以下操作步骤: (b-Ι)利用步骤(a-2)所提取出的氧气A吸收带处的光谱数据Im(V)后，对光谱数据进行多项式插值，求解基线Ib(V)，从而计算出氧气A吸收带处的光谱透过率( u )=U U)/Ib( u)； (b-2)按照洛伦兹线型(Lorentz Profile)函数计算相应的氧气A吸收带处的分子线型，通过HITRAN数据库获得氧气分子吸收线强S，结合温度T、压强P数据计算出氧分子吸收截面σ ; (b-3)根据M0RDTRAN提供的大气标准模型以及相应的氧分子浓度随海拔高度分布关系，建立起氧分子浓度m与测量距离以及测量天顶角的函数关系m= f(l，Θ)； (b-4)根据艾尔萨斯(Elsasser)随机带模式(Random Model)方法,结合氧分子的马尔克穆斯(Malkmus)分布特征，对透过率函数进行近似变形，并推导出洛伦兹线型的带模式表达式，并将步骤(b-2)中的σ和步骤(b-3)中的m代入测距表达式中，形成基于带模式的测距模 TQ2(u) = F(f(l, Θ), 0)。
4.根据权利要求1所述的基于目标红外辐射光谱和带模式的被动测距方法，其特征在于所述步骤(c)建立被动测距数据库，反演目标距离，包括以下几个步骤: (c-1)根据步骤(b-4)建立的测距模型，将被测距离I和天顶角Θ作为自变量，氧气A吸收带平均吸收系数作为变量，通过计算得到一一对应的数值关系，并建立相应的测距数据库； (c-2)而在实际测量中，通过步骤(b-Ι)得到Tq2(U)后，通过(a-3)获得Θ，再利用步骤(c-Ι)建立的测距数据库，最终查找出对应的被测距离I。
【文档编号】G01S11/12GK103728612SQ201310745316
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】陈友华, 张记龙, 王志斌, 陈媛媛, 王艳超, 李世伟, 张敏娟, 李晋华 申请人:中北大学