目标与环境光学特性研究现状和发展动向赵世明( 解放军9 13 3 6 部队秦皇岛0 6 6 3 2 6 )摘要：目标与环境光学特性研究可为光学搜索、跟踪、制导和引信等军用设备的论证、设计，仿真、试验等提供依据，是进行战场侦察、精确打击、空战、海战、地面战斗等所运用的关键技术之一本文简要描述了目标和环境光学特性研究的意义、内容，着重探讨了在光学武器装备研制中的作用和地位，并结舍国内外光学特性研究的现状和发展趋势，提出了我国目标和环境光学的特性研究重点和发展方向关捷词：目标与环境：光学特性；仿真1 引言随着科学技术的发展，尤其是第二次世界大战以后，各种作战平台( 导弹、飞机、坦克、舰艇等) ，“泛装备了光学侦察、监视装备：各种火控系统中普遍采用了光学精确跟踪制导技术：并采用空间、空中的光学侦察、监视系统实时掌握战场前方和后方情况。因此目标与环境光学特性研究已成为各种光学侦察、搜索、跟踪、制导、引倍等系统进行论证设计、仿真试验和作战使用的基础和关键。目标与环境光学特性是光学波段可探测、可识别的物理量科学描述，它反映目标与环境同光波相互作用而产生的物理现象。根据目标与背景所在地理位置高度或性质的不同，可把目标与背景分成四类：空间目标与深空背景、空中目标与天空背景、地面目标与地物背景、海面目标与海洋背景。根据探测方式的不同，目标与环境光学特性可分为被动式光辐射特性和主动式光散射特性。目标和环境光学特性点目标光辐射特性( 近场)面目标光辐射特性( 远场)L 背景光辐射特性 广 l 目标近场光散射特性目标远场光散射特性L - 背景光散射特性图1 目标与环境光学特性分类2 在军事武器装备研制中的作用。未来的战场将是多维、多技术、目标与诱饵并存的光电一体化战场，在极其复杂的战场环境中武器系统将面临严峻的考验为提高武器系统在光电干扰环境下对付多目标、隐身目标的作战能力， 必须深入研究军事目标和战场背景的光电特征。依据军事武器装备研制发展史各种红外武器装备的论证、研制、仿真和作战都需要提供各种军事目标与背景的完整的红外图像特性数据，并对其进行分析处理，以便为红外武器装备研制发展提供必不可少的数据、模型。冈此光学特l 生研究应超前于武器装备的论证、设计和研制，只有在目标与环境光学特性研究基础上，才能确定武器装备的总体设计思想。军j j 目标与环境特征研究的价值和意义具体体现在：2 0 3( 1 ) 可为武器系统提高探测、定位、分类、识别、跟踪的精度和生存能力等诸方面提供基本数据：( 2 ) 为目标识别提供目标分类、识别雨I 辨认所必需的图像和光谱特征库：( 3 ) 为精确制导提供目标的光谱、图像和激光散射特征( 特别是目标要害部位的特征) ，以提高制导精度和杀伤概率：( 4 ) 为武器系统的仿真提供目标和背景生成物理特征及数学模型。3 研究内容军_ I = j 目标与环境光学特征研究应以多特征综合为主要研究方向，即研究军用目标与环境的多波段( 紫外、可见光、红外) 光谱特征、图像特征、激光散射特征，以及研究光学特征的表述、提取、仿真、模化及建库方法等。3 1 光谱特性从武器系统发展总趋势看，在军用目标与环境光谱特征研究中，应包括四方面的工作：( 1 ) 军用目标与环境光谱特性数据的采集；( 2 ) 军用目标与环境光谱特征的提取与模化；( 3 ) 光谱特征应用开发技术研究；( 4 ) 光谱特征的基础研究。3 2 图像特征目标与环境图像特征研究是在大量获取目标与环境图像数据的基础上。利用现代先进的图像处理设备，采用图像处理和模式识别等技术，以建立目标与环境的数学模型及相应的数据库。基于军用目标的图像处理过程一般包含图像预处理、图像分割、图像特征提取、图像分类和识别等儿方面的工作。3 3 激光散射特征随着军用激光武器系统的发展。激光散射特性的研究日渐重要。例如，激光雷达截面与入射光 和散射光偏振特性的关系，相干激光成像研究，激光散射的角闪烁和相位特性等。3 4 仿真研究虽然外场测量是目标与环境特性研究的重要手段但毕竟受到实验场地和环境条件的限制，不可能自由地复现在各种条件下目标与环境的相互作用，因此，建立准确有效的数学模型、仿真目标与背景及其变化的特征是一种不可缺少的研究手段。4 国内外发展现状和趋势4 1 国外发展状况早在5 0 年代，美国在研制战略武器时便开始了目标与环境光学特性研究：6 0 年代，研究重点放在洲际导弹的光学突防和反突防上，同时也注意研究飞机的红外辐射特性，为反飞机红外导弹的研制提供有关数据。主要研究单位是埃格林( E g l m ) 空军基地，该基地军械部执行了1 0 0 多个研究 计划测龄不同目标的红外特性数据，其中包括3 9 种飞机、4 种直升机、1 5 种助推器、8 种靶机及4 种拖曳靶、2 8 种干扰弹和5 类地物的红外特性数据；7 0 年代是取得重大进展的1 0 年。重点研究 洲际导弹再入段、中段的光学识别与反识别问题。期间，美国建立了目标与背景光学特性数据库开展了目标与背景光学特性理论计算和建模研究，同时开展了目标的激光散射特性研究工作；8 0 年代，美国提出和执行战略防御计划( S D I ) ，它给光学特性的研究与发展带来了巨大的推动力，与此同时，对战术和常规武器跟踪、制导、隐身、仿真、伪装和光电对抗所需的目标与背景光学特性也进行更加广泛深入的研究。期间，美国研究成果有：建立了外军的目标与背景光学特性数据库，提供了光电武器装备研制仿真 ；l 的目标与环境光学特性的理论模型，如b 机、坦克、军舰和其相关背景大空、简单地物、海洋及其大气传输的红外理论模型；进入9 0 年代，国外研究重点是，扩展波段( 紫外、可见、红外) ，被动与主动的多种特性复合，复杂作战环境下光学特征提取与应用( 重点是红外) 。到目前为止，美国已经具备地基测量、机载测量、球载测量、弹载( 箭载) 测量和星载测量等一系列测量系统，并开展了相关科学研究。表1 美国目标与环境光学特性研究测试系统总汇测试系统说明载体：地基，测量飞机的红外辐射强度( 3 5 帅，8 1 4 1 1 m ) 测量高室为 地摹跟踪测量系统 0 3 0 0 0 m 、速度为2 0 0 m s 、距离为0 5 1 0 k i n波柬寻的器评价系统载机：F - 4 D 和直升机U H - - I N ，测试设备：瑞典A G A 公司的A G A T $ 0 议通( B A S E S )道( 2 5 5 帅、8 1 4 蚺m ) 红外热像仪，电视跟踪器和激光测距仪超声速机载红外测量系载机：F - 4 D 测试设备为一台红外跟踪器和一台红外辐射计( I8 3 O 帅和统( S A I M S )2 9 5 4 )红外机载空间测量系统载机：改装的N C - 1 3 0 A 用于对地面目标和背景进行高分辨率、高精度红外( I RC A S M S )图像测量，工作波段：8 1 2 9 m机载光谱红外测量系统 测量设各：跟踪器( 电视和红外) 、激光测距仪和红外l S t X m 光者仪组成 ( A SJ M S )气球高空镶嵌测量计划载体；气球，测量设备：1 1 个滤光片的红外望远镜，低温致冷红外元件和调( B A M M )制盘，对地球大气背景在红外2 6 5 t t m 进行多光谱测量研究油箱碎片特征计划载体：导弹、飞机测量 亟备：红外多波段成像系统( 8 1 4 断l 的双波段或( S o F T )三波段) ，可对中段弹头和碎片进行红外特征测量研究载体：星载，测量设各：两台红外成像仪、一台红外光谱仪、一台紫外和可天基军用监视系统见光摄像机、一台脉冲激光雷达、一台连续波相干激光雷达和一台微波雷达) ，对弹头、发动机碎片和诱饵进行测量4 2 国内发展状况我国光学特性研究起始于6 0 年代的“导弹飞行现象学研究”用于研究弹头高速再入大气层的光辐射：7 0 年代开始系统地对飞机和战略导弹的红外特性进行研究，为我国第一大战略洲际导弹的突防，红外空空导弹研制，靶场光学观测设备研制做出了贡献。进入8 0 年代，随着我国国防科研重点由战略向战术方向转移，随着武器装备由过去的仿制向自行设计研制发展国内许多国防科研单位和研究所，开展了对飞机、战术导弹、坦克和舰艇等目标光学特性的测量研究；进入9 0 年代，为战术武器研制发展服务的目标与环境光学特生研究的主要实验手段有目标与背景光学特性地面跟踪测量系统、直升机外挂光学图像跟踪测量吊舱系统、超声速机载红外测量吊舱系统、全尺寸目标激光1 0 6 V m 和1 0 6 V m 散射特性测量系统、目标缩比模型激光散射特性模拟研究实验室、轻型飞机光学遥感测量系统、外场大气参数垂直分布测量系统和有关测量的光学标定设备都建成和投入使用。在目标与环境光学特性理论研究方面，已提供军用目标，如飞机、坦克、军舰和导弹，以及天空、 地物和海洋背景的红外辐射模型、飞机和弹头激光1 0 6 I J m 和1 0 6 激光散射截面( I R C S ) 模型及大气红外( 3 5 1 a m 、8 1 2 坶n ) 与激光( 1 0 6 P m 和1 0 6 9 m ) 传输模型。4 3 发展趋势武器装备的设计原则是力求实现武器装备同作战环境最佳匹配。为了研制在未来作战环境中精良和有效的武器装备，为了能在陆、海、空、天、电五维复杂作战环境中探测和识别多目标、真假目标、隐身目标、超低J 空目标和高空再入目标。军用目标与环境光学特性研究发展方向是：f 1 ) 扩展研究波段，覆盖从紫外、可见光、近红外、中红外到远红外：( 2 ) 主动与被动结合，即同时研究目标与环境光辐射和光散射特性；( 3 ) 以光学图像特征为主的包含光谱特征的多特征提取、综合及应用研究等。5 国内研究重点和发展方向我国军用目标与环境特性研究成果在武器系统研制和试验工作中起着重要作用，但多年的工作经验表明，在很多情况F ，目前的工作远远满足不了现代武器系统发展的要求。一方面，军用目标与环境特性测量数据必须根据型号研制的要求进行再加工，以便将研究成果直接提供给型号研制者；另一方面，武器系统的发展不断对目标与环境特性研制提出额的要求，波段从可见光、近红外扩展到紫外、中远红外从单目标扩展到多目标，从目标光学特性测量扩展到目标与环境相互作用的综台研究。这些要求促使军用目标与环境光学特性研究工作必须在原有的基础上向更高层次发展， 与发达国家相比我国在军用目标与环境特征研究方面尚有较大差距，在某种程度上限制了我国现代武器系统的发展。鉴于这种情况我国已将“目标与背景特征提取、模化技术”列入国防科技关键技术之内。我国军用目标与环境光学特征研究的未来主要发展方向和研究重点是：( 1 ) 军用目标与环境光学特征的襄述，特征提取，多特征综合，光学特征建模与建库方法的研究：( 2 ) 军用目标与环境光学特征应用途径与方法的研究；( 3 ) 军用目标与环境光学特征研究的新思想、新概念、新方法的探索。( 4 ) 重视未来敌我作战环境的科学分析与预测研究，外军目标( 尤其隐身目标) 与环境特性的分析与研究。n 】目标和环境的光学特性 ，宇航出版社 2 】雷达目标特征信号，宇航出版社 3 】张忠诚等 f f 井目标特征分析 红并技术参考文献