模糊识别算法在导弹尾焰光谱识别中的应用

目前基于天基高光谱图像的导弹识别算法都是从光谱曲线的整体分析考虑,所需数据量大,算法处理冗余。为弥补算法不足,首先从导弹尾焰光谱的影响因素考虑,分析了导弹发动装置,燃料成分及温度压强对尾焰光谱的影响,得出在一定假设条件下,使用特征段处的辐射数据即可达到导弹识别的结论。在此基础上引入模糊识别算法,算法充分利用辐射强度与光谱线型信息,识别结果是各型号导弹的隶属概率。通过对光谱角测度分析,发现其过于依赖线型,对线型相近的谱线识别效果不佳,将模糊识别结果与光谱角测度识别结果对比,证实了模糊算法在光谱识别中的优越性。     

红外弱小目标检测与识别一体化方法研究

针对天基红外预警卫星获得的红外图像的特点,分析了传统的红外弱小目标的检测与识别方法并指出了其存在的检测时间长,虚警概率高等不足之处。根据导弹预警系统对目标检测的实时性、快速性和准确性需求及导弹尾焰红外辐射光谱特性,提出了一种窄带高光谱的红外弱小目标检测与识别一体化方法。仿真实验采用了一个典型的红外背景图像,根据两类典型导弹尾焰在2.7~2.9?m波段范围内的红外辐射信息,生成了20幅SNR为2.0~2.5的红外图像,结果验证了该方法能快速准确的检测并识别导弹目标。     

特征光谱还原的导弹尾焰识别算法设计

因大气吸收因素,天基红外探测器在2.7 μm,4.3 μm波段附近探测不到大气层内导弹尾焰,本文提出光谱还原算法,根据除这两波段外的其他波段处的辐射强度,估计出这两波段处的辐射强度,运用高斯函数和一元二次函数单波峰、可调节的特性,还原2.7 μm,4.3 μm附近的波峰,使得天基红外探测器可实现大气层内的导弹探测识别,并提出理论数据库的构建理论,弥补当前导弹尾焰光谱数据库更新周期长,数据量大的不足,考虑实际上探测器光谱分辨率有限,提出四点线型判断算法,利用光谱角测度,在计算机上仿真,证实此系列方法可行。     

导弹主动段天基紫外探测像面照度建模与仿真

分析了导弹尾焰紫外辐射原理和能量传递方程,结合导弹主动段运动方程,建立了尾焰紫外辐射模型。考虑大气透过率和地球背景亮度的影响,得到导弹主动段尾焰紫外辐射与探测器像面辐照度关系。基于SBIRS-GEO 预警卫星的探测仿真,比较了不同探测波段下高、低弹道尾焰紫外辐射的像面辐照度变化。结果表明:紫外辐射在大气中的传输特性是影响像面辐照度变化的主要因素;相比于300~400 nm 波段,200~300 nm 波段可以提早发现目标、降低发现高度,更适宜作为探测波段。     

红外预警卫星直视地表波段选择及探测能力

建立了红外预警卫星直视地表（See-To-Ground,STG）波段探测能力计算模型,并仿真研究了STG最佳探测波段范围以及该波段在导弹预警中可能具备的能力。首先建立了固体、液体导弹尾焰红外辐射模型、地球/大气环境特性模型、点目标辐射通量表观对比度模型、预警卫星系统噪声模型和最低探测高度模型;其次,利用上述模型分析了固体和液体导弹尾焰的表观对比光谱分布规律,认为将STG波段选定为2.86~3.0 m最具合理性;然后,通过分析液体和固体导弹尾焰在该波段的表观对比度光谱随高度的变化规律,初步探讨了STG波段的导弹探测能力;最后,通过分析不同条件下预警卫星对导弹的首次探测高度,系统研究了SBIRS-GEO预警卫星在STG波段的探测能力。研究结果表明:STG波段对固体导弹则具有较强的早期预警能力,而对液体导弹的早期预警能力则相对较弱。     

天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

高速飞行目标尾焰红外辐射特性的建模仿真计算

飞行器目标的尾焰红外辐射特性对目标的红外探测、识别和跟踪具有极其重要的作用。为了分析尾焰的红外辐射特性,首先根据经验公式计算出尾焰的流场分布,然后使用窄带模型计算出谱带的光谱吸收系数和透过率;对于非均匀热气体,考虑到碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,使用C-G谱带传输模型得到飞行器尾焰2~5 μm的红外辐射分布。最后, 计算了不同组分的尾焰红外辐射特性,分析了组分分布和大气传输对尾焰红外辐射特性的影响,为探测波段的选择提供了参考依据。     

宽带k分布模型计算液体火箭尾焰辐射信号

快速计算火箭尾焰辐射信号对导弹的识别和跟踪具有重要意义。先利用工程经验公式计算得到尾焰的流场,采用宽带k分布模型计算液体火箭尾焰的辐射信号,并与逐线计算基准解比较,发现宽带k分布模型在探测器工作光谱区域内的相对计算误差基本都小于10 %。利用该模型研究飞行参数对尾焰辐射信号的影响,计算结果表明:喷管出口温度、马赫数、非计算度增大,液体火箭尾焰的辐射强度增大;海拔高度升高,不同探测器工作光谱区域尾焰辐射强度变化趋势有所不同。     

F35隐身战斗机红外辐射特性建模

建模研究了F35隐身战斗机的红外辐射特性。根据隐身飞机的结构、材料等数据,建立了隐身飞机和发动机的三维模型。通过流场仿真计算得到飞机机体的温度场,尾焰的温度场、压力场以及气体组分浓度场。利用高温气体数据库HITEMP,建立尾焰的窄谱带辐射模型,计算了尾焰气体沿视线的光谱透过率,获得了尾焰的光谱亮度数据及亮度分布图像。建立了尾喷口和蒙皮的辐射模型,获得了飞机各方位角光谱辐射特性及辐射强度数据,计算结果表明由于发动机推力显著增加隐身战斗机红外辐射特性依然比较明显。最后生成了F35隐身战斗机在中波波段的红外序列图像,可用于红外成像制导武器研制中的数字仿真和半实物仿真。     

基于导弹尾焰特征谱的SVDD检测方法

现有天基红外导弹预警系统对目标的探测侧重于对红外图像的处理。从光谱维数据分析角度出发结合支持向量数据描述基本理论,提出了一种基于导弹尾焰特征谱的SVDD检测方法。应用小样本训练数据建立了单分类器,以11型导弹目标的红外辐射尾焰特征谱数据作为训练样本,比较了RBF与SSM作为核函数的检测效果,应用交叉检验的方法确定宽度因子和相似临界因子的值,结果表明,在低信噪比红外图像中,基于SSM-Kernel的SVDD检测性能优于基于RBF-Kernel的检测性能。应用训练样本数据的辐射双峰所对应中心波长作为匹配模板进行识别,实验表明方法具有可行性。     

基于空间外差的钾盐光谱探测与提取研究

含钾消焰剂的使用,大大降低了火箭尾焰的二次燃烧及辐射量,提高了对其探测与追踪的难度。基于空间外差光谱技术微弱光谱信号精细探测的优势特性,采用自行设计的近红外波段仪器,以室外天空为背景,用酒精喷灯火焰模拟火箭尾焰,实验研究了其中钾盐信号的探测,并以现代谱估计方法中的自回归AR算法和MUSIC算法对测量信号进行提取研究。结果表明,两种算法均能实现对钾特征信号的提取及对噪声的抑制,使特征信号的峰宽变得更窄,其中AR算法对钾766.49 nm特征峰的半峰宽减小率为21%,噪声减小率为42%;MUSIC算法对钾特征峰的半峰宽减小率为50%,噪声减小率为47%,两相比较可见MUSIC算法的效果更好,说明将空间外差技术应用于火箭等喷射式飞行器的识别具有可行性。     

基于连续投影算法提取特征波长的空中目标参考光谱选取

空中目标在相对稳定的状态下具有确定的光谱辐射特性,因而可以利用光谱达到识别其型号的目的。首先,通过建立空中目标光谱辐射特性计算模型,获得了其归一化光谱辐射亮度数据。然后,利用连续投影算法对光谱进行特征波长提取,在保留一定精度的同时有效减少了所需数据量。最后,使用区分能力更强的混合光谱相似性测度SID (TAN)匹配光谱,研究在3~5 μm波段和8~14 μm波段两个大气窗口内,光谱辐射特性在不同飞行高度和飞行时间下的变化规律。结果表明:飞行高度对光谱辐射特性的影响大于飞行时间;3~5 μm波段的变化较8~14 μm波段明显。因此在建立光谱数据库时,为了提高识别的准确率,相对于8~14 μm波段,3~5 μm波段更需要考虑不同因素对光谱辐射特性的影响;相对于飞行时间,应尽可能多地选取不同飞行高度下的光谱作为参考光谱。     

基于FPGA的成像光谱仪多通道实时光谱识别设计

实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一,其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中,根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角,通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明,系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行,具有速度快、体积小、便于升级等优点,为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。     

小目标与海空背景合成红外图像统计特性分析

针对海空复杂背景下红外小目标识别的需要，对海空背景及其小目标的红外图像特性进行了统计分析。具体分析了在有目标和无目标两种情况下3~5 μm和8~12 μm两个波段图像的均值、方差和协方差等统计特性以及图像的局部对比度、信杂比和阈值随探测距离变化的规律；同时对生成的红外热像进行了直方图分析。结果表明：随着探测距离的减小，导弹的辐射逐渐增大，到达一定探测距离时（大约8 200 m）可以从热像图中区分导弹的蒙皮辐射和羽流辐射。根据有目标和无目标两种情况下图像特性的差异，可以判断图像中是否存在目标，从而为目标识别提供了关于目标和背景的先验知识，研究结果可用于海空背景下红外小目标的检测。     

印度烈火-Ⅱ导弹助推段和再入段红外辐射特性计算研究

弹道导弹发射阶段发动机尾焰中的H₂O、CO₂等大量高温气体组分和弹头再入段高温气体流场以及受气动加热的本体均产生强烈的红外辐射,是红外预警、跟踪、制导的重要信号。针对印度烈火-Ⅱ导弹,开展其助推段和再入段的辐射特性计算分析。从窄带辐射模型出发,考虑流场中重要气体组分的红外辐射机制,建立高温气体组分光谱参数的计算方法,发展了目标红外辐射特性计算软件。根据助推段火箭发动机尾焰流场和再入段流场的数值模拟的物理化学参数,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了烈火-Ⅱ导弹助推段和再入段典型状态的红外辐射特性,可以为针对烈火导弹的预警、反导提供参考。     

高空高速无人机尾焰红外辐射特性计算研究

尾焰是高空高速无人机红外辐射源的主要组成部分,为了计算高空高速无人机尾焰的红外辐射特性,首先,利用流体仿真软件Fluent对高空高速无人机尾焰的流场进行了数值模拟,在此基础上,利用同时考虑谱线洛伦兹加宽效应和多普勒加宽效应的单线组谱带模型理论SLG以及机体遮挡理论,计算了高空高速无人机尾焰的红外辐射强度;其次,采用倾斜路径传输等效方法计算了大气对红外辐射的透过率;最后,计算并分析了某型高空高速无人机在发动机不同工作状态以及不同方位角和观察仰角条件下经过大气衰减后的红外辐射强度,同时分析了无人机飞行俯仰角对尾焰红外辐射强度的影响。