基于氧气吸收和多元回归的高速被动测距方法
【专利摘要】基于氧气吸收和多元回归的高速被动测距方法，它主要涉及的是一种距离测量方法；它利用红外光谱仪接收经大气衰减后的目标辐射信号，利用Beer-Lambert定律，结合多元线性回归算法，估计待测目标的距离值；本发明充分利用了傅里叶变换多通道的优势，既不需对目标运动状态进行特定假设，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，且所选的氧气在762nm附近吸收波段，很好地解决了天气影响，保证了测量精度，且本发明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】 基于氧气吸收和多元回归的高速被动测距方法
【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， Backgrounds 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 CO2 红外吸收的被动测距方法”(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，但其采用的带平均吸收系数处理方式导致推导的距离值误差较大，且需额外计算目标黑体辐射基线(Baseline)，导致计算量过大，实时性差，且对基线的拟合额外引进了计算误差。
[0005]多元回归分析是研究多个变量之间关系的回归分析方法，按因变量和自变量的数量对应关系可划分为一个因变量对多个自变量的
[0006]回归分析及多个因变量对多个自变量的回归分析，其基本思想是，虽然自变量和因变量之间没有严格的、确定性的函数关系，但可以设法找出最能代表它们之间关系的数学表达形式。该分析法因精度高、运算速度快的特点已在产品质量、控制，气象预报，自动控制中数学模型制定等方面有很广泛的应用。
[0007]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，结合多元回归分析算法的被动测距技术，这种技术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】
:
[0008]本发明的目的在于提供一种实用、稳健、测量距离远、测量精度高的基于大气传输特性的红外被动测距方法。
[0009]为了解决【背景技术】中所存在的问题，本发明的是通过以下方法予以实现:(1)利用红外搜索跟踪系统(IRSTS)或其它手段获取被测目标的方位角，俯仰角，以便本被动测距系统对其进行定位和跟踪。
[0010](2)通过大视场红外望远系统接收被测目标发出的经大气传输衰减后的辐射信号，并通过双光束干涉调制系统得到干涉信号；
[0011](3)对干涉信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到目标光谱图，并提取出762nm附近IOnm范围内的光谱数据；
[0012](4)利用系 统内置的温度计、气压计测得相应的温度与气压值，按照洛伦兹线型(Lorentz Profi Ie)计算相应的氧气762nm处的分子线宽，并最终确定氧气分子吸收截面；
[0013](5)通过HITRAN数据库获得氧气分子吸收线S，利用逐线积分法(LBLRTM)计算氧气带平均吸收截面根据氧气在大气中分布均匀这一特性,结合氧气分布浓度值,计算出氧气吸收系数μ (ν)；
[0014](6)根据大气福射传输模型和比尔-朗伯定律，建立目标福射传输模型，既最终获得的光谱信息Ι(ν，Τ)是由目标黑体辐射经大气传输衰减后获得，即
【权利要求】
1.一种基于氧气吸收和多元回归的高速被动测距方法，其特征在于它包含以下操作过程: (1)利用红外搜索跟踪系统或其它手段获取被测目标的方位角，俯仰角，以便本被动测距系统对其进行定位和跟踪。 (2)通过大视场红外望远系统接收被测目标发出的经大气传输衰减后的辐射信号，并通过双光束干涉调制系统得到干涉信号； (3)对干涉信号进行快速傅里叶变换得到目标光谱图，并提取出762nm附近IOnm范围内的光谱数据； (4)利用系统内置的温度计、气压计测得相应的温度与气压值，按照洛伦兹线型计算相应的氧气762nm处的分子线宽，并最终确定氧气分子吸收截面； (5)通过HITRAN数据库获得氧气分子吸收线S，再利用逐线积分法计算氧气带平均吸收截面/CO)，根据氧气在大气中分布均匀这一特性，结合氧气分布浓度值，计算出氧气吸收系数μ (ν)； (6)根据大气福射传输模型和比尔-朗伯定律，建立目标福射传输模型，既最终获得的光谱信息Ι(ν，Τ)是由目标黑体辐射经大气传输衰减后获得，即
【文档编号】G01S11/12GK103809171SQ201410083772
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】陈友华, 张记龙, 王志斌, 宗鹏飞, 王丹凤, 陈媛媛 申请人:中北大学