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基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法，它包含以下操作步驟，(a)通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須的測量數(shù)據(jù)；(b)建立基于帶模式的測距模型；(c)建立被動測距數(shù)據(jù)庫，反演目標(biāo)距離。本發(fā)明利用氧氣在大氣中分布均勻的特點，所選擇的氧氣A吸收帶譜線結(jié)構(gòu)單一、特征明顯，容易精確求解吸收截面，并可避免大氣中其他成分氣體對測量的干擾，且氧氣濃度穩(wěn)定，很好的解決了天氣及地域的影響，所建立的帶模式測距模型很好的解決了距離反演中的實時性問題。這種技術(shù)不僅可以用于固定路基站點，也可用于車載、機載等運動平臺，在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，光電對抗方面有重要應(yīng)用前景。
【專利說明】 基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及的是一種距離測量方法，具體的說是一種基于紅外光譜遙測技術(shù)的高精度對空被動測距方法。
技術(shù)背景:
[0002]在上個世紀(jì)末，紅外熱點技術(shù)成功地運用于紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)(InfraredSearch & Track System, IRSTS)當(dāng)中。由于紅外傳感系統(tǒng)不向空中福射任何能量，只是通過接收目標(biāo)輻射的熱能對目標(biāo)進(jìn)行探測和跟蹤，因而不易被偵察或定位，具有極大的抗干擾能力；加之IRSTS還具有測角精度高和一定的目標(biāo)識別能力，因此，IRSTS作為一種重要的被動探測系統(tǒng)，得到了廣泛的應(yīng)用。相應(yīng)地，可用于IRSTS的被動測距技術(shù)的研究也逐步深入。
[0003]目前較為可行的被動測距技術(shù)可分為三大類:幾何測距法、圖像分析法和基于大氣傳輸特性的被動測距法。幾何測距法通常需要多個站點之間相互配合，無論是靜態(tài)三角測量方式還是動態(tài)三角測量方式，都依據(jù)目標(biāo)相對于系統(tǒng)的方位角和俯仰角進(jìn)行測量，計算目標(biāo)距離、速度和位置，當(dāng)系統(tǒng)和目標(biāo)均運動時，計算變得異常復(fù)雜。圖像分析法雖然只需要單個站點即可工作，但該方法由于需要預(yù)先得到被測目標(biāo)的圖像或大致幾何尺寸或者地理背景信息，測量距離短。
[0004]基于大氣傳輸特性的被動測距法是近幾年逐漸興起的測距技術(shù)，由W Jeffrey首先提出(見文獻(xiàn)[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.),該方法的關(guān)鍵是能否準(zhǔn)確找到不同波段在同一大氣傳播路徑上的衰減特性。后經(jīng)多年改進(jìn)與發(fā)展，目前美國空軍技術(shù)研究所已經(jīng)研究“基于紅外及可見波段氧氣傳輸衰減的火箭羽流被動測距方法”(見文獻(xiàn)[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 紅外吸收的被動狽|J距方法，，(見文獻(xiàn)[3]:Macdonald D J.Passive Ranging Using Infrared AtmosphericAttenuation[J].Proc.0f SPIE Infrared Technology and Applications XXXVI，2010(7660):766041.)，比較詳細(xì)說明了 02、C02的大氣傳輸特性，并證明了 762nm附近波段只有氧氣吸收帶，不受天氣影響，其釆用的逐線積分(Line-By-Line，LBL)方法，雖然可以給出精確地帶平均吸收系數(shù)，但計算量過大，對系統(tǒng)資源占用過多，實時性差。
[0005]進(jìn)入20世紀(jì)中葉，帶模式方法逐漸發(fā)展起來。所謂“帶模式”可以分為“規(guī)則帶模式，，(見文獻(xiàn)[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“隨機帶模式”(見文獻(xiàn)[6]:Malkmus W.Random Lorentz band model withexponential-tailed S-lline-1ntensity distribution function[J].JOSA,1967, 57:323?329.)兩類。其基本思想是，考慮大氣氣體吸收分子吸收帶的“總體”吸收特征，而不著眼于一條具體的吸收譜線。為了求取一條吸收帶的平均透過率，“規(guī)則帶模式”假定:各吸收譜線是“規(guī)則”的，即強度和位置是“均勻”分布的。但是，目前發(fā)現(xiàn)，在實際的大氣氣體分子吸收帶中，這種情況是很少出現(xiàn)的，另一方面，“隨機帶模式”則又兩個基本假定:1)在一條吸收帶中，各條吸收譜線的位置是隨機的；2)各條譜線的強度按照某種規(guī)律分布。因此，可以用相對簡單的統(tǒng)計表達(dá)式來描述氣體的吸收特性，并可以有效的降低計算復(fù)雜度，提聞計算實時性。
[0006]如果有一種基于氧氣762nm近紅外吸收帶的紅外光譜遙測技術(shù)，結(jié)合帶模式的被動測距技術(shù)，這種技術(shù)在保證測量精度的同時，也可以提高距離反演的速度，不僅能推動現(xiàn)代光電對抗技術(shù)的發(fā)展，而且在提高紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的性能方面也將發(fā)揮重要的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種實用、穩(wěn)健、測距范圍大、測量精度高的基于大氣傳輸特性的紅外被動測距方法。
[0008]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的問題，本發(fā)明的是通過以下步驟予以實現(xiàn):
[0009](a)通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須地測量數(shù)據(jù)；
[0010](b)建立基于帶模式的測距模型；
[0011](C)被動測距數(shù)據(jù)庫，反演目標(biāo)距離。
[0012]所述，步驟(a)通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須地測量數(shù)據(jù)，包括以下幾個步驟；
[0013](a-Ι)利用目標(biāo)跟蹤裝置獲取被測目標(biāo)的天頂角數(shù)據(jù)Θ ；
[0014](a-2)利用光譜遙測裝置獲取目標(biāo)經(jīng)大氣傳輸衰減后的光譜數(shù)據(jù)，并提取出氧氣A吸收帶處的光譜數(shù)據(jù)Ini(V)；
[0015](a-3)利用天氣傳感器獲取當(dāng)?shù)氐臏囟萒、壓強數(shù)據(jù)p。
[0016]所述，步驟(b)建立基于帶模式的測距模型，包括一下幾個步驟；
[0017](b-Ι)利用步驟(a-2)所提取出的氧氣A吸收帶處的光譜數(shù)據(jù)Im(V)后，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式插值，求解基線Ib(V)，從而計算出氧氣A吸收帶處的光譜透過率Tffi ( u )=
U U)/Ib( u)；
[0018](b-2)按照洛倫茲線型(Lorentz Profile)函數(shù)計算相應(yīng)的氧氣A吸收帶處的分子線型，通過HITRAN數(shù)據(jù)庫獲得氧氣分子吸收線強S，結(jié)合溫度T、壓強P數(shù)據(jù)計算出氧分子吸收截面0 ;
[0019](b-3)根據(jù)M0RDTRAN提供的大氣標(biāo)準(zhǔn)模型以及相應(yīng)的氧分子濃度隨海拔高度分布關(guān)系，建立起氧分子濃度m與測量距離以及測量天頂角的函數(shù)關(guān)系m= f(l，Θ)；
[0020](b-4)根據(jù)艾爾薩斯(Elsasser)隨機帶模式(Random Model)方法,結(jié)合氧分子的馬爾克穆斯(Malkmus)分布特征，對透過率函數(shù)進(jìn)行近似變形，并推導(dǎo)出洛倫茲線型的帶模式表達(dá)式，并將步驟(b-2)中的σ和步驟(b-3)中的m代入測距表達(dá)式中，形成基于帶模式的測距模型Tq2(U) =F(f(l，θ)，0)。
[0021]所述，步驟(C)建立被動測距數(shù)據(jù)庫，反演目標(biāo)距離，包括以下幾個步驟；[0022](c-1)根據(jù)步驟(b-4)建立的測距模型，將被測距離I和天頂角Θ作為自變量，氧氣A吸收帶平均吸收系數(shù)作為變量，通過計算得到一一對應(yīng)的數(shù)值關(guān)系，并建立相應(yīng)的測距數(shù)據(jù)庫；
[0023](c-2)而在實際測量中，通過步驟(b-Ι)得到Tq2(U)后，通過(a-3)獲得Θ，再利用步驟(c-Ι)建立的測距數(shù)據(jù)庫，最終查找出對應(yīng)的被測距離I。
[0024]本發(fā)明提供了一種穩(wěn)定、可靠的基于大氣傳輸特性的被動測距方法，本發(fā)明充分利用了傅里葉變換多通道的優(yōu)勢，即不需對目標(biāo)運動情況進(jìn)行特定假設(shè)，也不需要對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤和多次采樣，僅對目標(biāo)輻射進(jìn)行一次測量即可計算出目標(biāo)距離信息，測量過程瞬時即可完成，探測距離遠(yuǎn)，測量可靠性高。
[0025]本發(fā)明利用氧氣在大氣中分布均勻的特點，所選擇的氧氣A吸收帶譜線結(jié)構(gòu)單一、特征明顯，容易精確求解吸收截面，并可避免大氣中其他成分氣體對測量的干擾，且氧氣濃度穩(wěn)定，很好的解決了天氣及地域的影響。這種技術(shù)不僅可以用于固定路基站點，也可用于車載、機載等運動平臺，在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，光電對抗方面有重要應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0026]圖1是本發(fā)明的對空探測方案不意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明的方法實現(xiàn)流程圖；
[0028]圖3是本發(fā)明中獲得的輻射光譜圖；
[0029]圖4是本發(fā)明中基線計算示意圖；
[0030]圖5是1976美國大氣標(biāo)準(zhǔn)模型；
[0031 ]圖6是帶模式示意圖。
【具體實施方式】:
[0032]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0033]結(jié)合附圖1，在被動測距系統(tǒng)的工作示意圖中包含:被測空中目標(biāo)(13)，由光譜遙測獲取裝置(3)和目標(biāo)跟蹤裝置(5)構(gòu)成的綜合裝置(14)和三角支架(15);所述綜合裝置(14)可為高速遙測紅外傅里葉變換光譜儀或高速濾光片式光譜儀。假定本被動測距系統(tǒng)放置在海拔高度zb處，被測目標(biāo)在距系統(tǒng)L距離飛行。被測目標(biāo)的天頂角Θ由目標(biāo)跟蹤裝置或者其它手段獲得，以便于本被動測距系統(tǒng)對被測目標(biāo)的羽流輻射進(jìn)行光譜獲取。
[0034]結(jié)合圖2具體說明本被動測距的步驟；
[0035]第一步，通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須的測量數(shù)據(jù)，目標(biāo)輻射I經(jīng)過氧氣A吸收帶吸收衰減2后，利用目標(biāo)跟蹤裝置4獲取被測目標(biāo)的天頂角數(shù)據(jù)Θ，目標(biāo)跟蹤裝置 4 可以為紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)(IRSTS, Infrared Searching and Tracking System)或紅外跟蹤相機等具備測角功能的裝置，目標(biāo)跟蹤裝置4的主要作用是:一方面使光譜遙測裝置3能實時獲取目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)，另外為所選擇的氧分子濃度分布模型的建立提供主要參數(shù)之一；利用光譜遙測裝置3獲得目標(biāo)經(jīng)大氣傳輸衰減后的光譜數(shù)據(jù)，并提取出氧氣A吸收帶處的光譜數(shù)據(jù)Im(V)，利用氣象傳感裝置5，如便攜式氣象儀獲取當(dāng)?shù)氐臏囟萾b，壓強pb數(shù)據(jù)以及海拔高度值zb。[0036]第二步，建立基于帶模式的測距模型，對于實際的測距系統(tǒng)而言，目標(biāo)輻射光譜經(jīng)特征氣體吸收衰減后的帶平均透過率為:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法，其特征在于它包含以下操作步驟: (a)通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須的測量數(shù)據(jù)； (b)建立基于帶模式的測距模型； (C)被動測距數(shù)據(jù)庫，反演目標(biāo)距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法，其特征在于步驟(a)通過相應(yīng)的傳感裝置獲取距離反演所必須地測量數(shù)據(jù)，包含以下操作步驟: (a-Ι)利用目標(biāo)跟蹤裝置獲取被測目標(biāo)的天頂角數(shù)據(jù)Θ ； (a-2)利用光譜遙測裝置獲取目標(biāo)經(jīng)大氣傳輸衰減后的光譜數(shù)據(jù)，并提取出氧氣A吸收帶處的光譜數(shù)據(jù)Ini(V)； (a-3)利用天氣傳感器獲取當(dāng)?shù)氐臏囟萒、壓強數(shù)據(jù)p。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法，其特征在于所述步驟(b)建立基于帶模式的測距模型，包括以下操作步驟: (b-Ι)利用步驟(a-2)所提取出的氧氣A吸收帶處的光譜數(shù)據(jù)Im(V)后，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式插值，求解基線Ib(V)，從而計算出氧氣A吸收帶處的光譜透過率( u )=U U)/Ib( u)； (b-2)按照洛倫茲線型(Lorentz Profile)函數(shù)計算相應(yīng)的氧氣A吸收帶處的分子線型，通過HITRAN數(shù)據(jù)庫獲得氧氣分子吸收線強S，結(jié)合溫度T、壓強P數(shù)據(jù)計算出氧分子吸收截面σ ; (b-3)根據(jù)M0RDTRAN提供的大氣標(biāo)準(zhǔn)模型以及相應(yīng)的氧分子濃度隨海拔高度分布關(guān)系，建立起氧分子濃度m與測量距離以及測量天頂角的函數(shù)關(guān)系m= f(l，Θ)； (b-4)根據(jù)艾爾薩斯(Elsasser)隨機帶模式(Random Model)方法,結(jié)合氧分子的馬爾克穆斯(Malkmus)分布特征，對透過率函數(shù)進(jìn)行近似變形，并推導(dǎo)出洛倫茲線型的帶模式表達(dá)式，并將步驟(b-2)中的σ和步驟(b-3)中的m代入測距表達(dá)式中，形成基于帶模式的測距模 TQ2(u) = F(f(l, Θ), 0)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于目標(biāo)紅外輻射光譜和帶模式的被動測距方法，其特征在于所述步驟(c)建立被動測距數(shù)據(jù)庫，反演目標(biāo)距離，包括以下幾個步驟: (c-1)根據(jù)步驟(b-4)建立的測距模型，將被測距離I和天頂角Θ作為自變量，氧氣A吸收帶平均吸收系數(shù)作為變量，通過計算得到一一對應(yīng)的數(shù)值關(guān)系，并建立相應(yīng)的測距數(shù)據(jù)庫； (c-2)而在實際測量中，通過步驟(b-Ι)得到Tq2(U)后，通過(a-3)獲得Θ，再利用步驟(c-Ι)建立的測距數(shù)據(jù)庫，最終查找出對應(yīng)的被測距離I。
【文檔編號】G01S11/12GK103728612SQ201310745316
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】陳友華, 張記龍, 王志斌, 陳媛媛, 王艷超, 李世偉, 張敏娟, 李晉華 申請人:中北大學(xué)