空中隐身目标天基探测技术浅析①

刘晓磊,董小萌，潘忠石，王世涛，宋鹏飞，王虎妹

(中国空间技术研究院总体部，北京 100094)

0 引言

近年来发生的几次局部战争，从海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争到伊拉克战争，隐身飞机(包括隐身战斗机、隐身轰炸机、隐身侦察机等)发挥了重要作用，美国也代表了隐身飞机的最先进水平。随着F-22和F-35等具有隐身能力的作战飞机以及各种隐身兵器的相继服役，现代武器系统呈现出以隐身为主要特征[1]，同时兼备高机动、超音速巡航、超低空飞行以及超视距打击的能力，对以常规目标为对象的国土防空预警探测系统提出了严峻挑战，发展反隐身技术是保护国家安全的迫切需求。

隐身飞机采取了较强的雷达隐身技术，据报道称，F-22飞机的前向RCS约0.01m2甚至更小，地基、海基防空预警雷达以及空基预警雷达很难实现对该类目标的探测识别。并且，由于地球曲率、地物遮蔽等限制，地基预警雷达的低空探测距离也是有限的[2]。

天基探测系统具有“站得高，看得远”优势，并且随着红外、光谱等光学探测技术不断发展，未来有望通过天基光学手段实现对此类高速运动、超低空飞行的高威胁目标的探测。本文以F-22 隐身飞机为研究对象，结合天基探测特点，分析天基探测的目标及背景特性，基于分析结果，针对隐身目标探测难点，分析了天基探测的关键技术发展方向，为后续天基探测技术及探测系统论证研究提供参考。

1 天基探测下的目标及背景特性分析

1.1 F-22 目标特性分析

(1)运动特性

F-22 隐身飞机整个作战过程包括起飞前准备阶段，出航飞行段和突防段，如下图所示，其中飞行段巡航高度一般为8-12km，巡航速度为0.8-1Ma，加力飞行速度可达1.5Ma。

图1 F-22 飞行剖面图Fig.1 The flight section of F-22

隐身飞机所谓的“隐身”主要是指对雷达的隐身[3-4]，虽然以F-22 为代表的四代机采用了一些红外隐身措施，但由于目标高速飞行以及发动机发热等，在红外谱段具有一定辐射强度。飞机自身的红外辐射主要来自以下几个部分：机身蒙皮、发动机尾喷管/喷口、尾喷流。这些辐射源的量值主要与飞机动力系统及其运行状态、飞机外形、蒙皮表面材料光学特性以及外部环境条件等因素相关[5-6]。

(a)蒙皮辐射特性

蒙皮辐射特性由机体自身辐射和光照反射组成。飞机高速运动的气动加热以及内部系统热传导会使得蒙皮高于周围背景温度，具有辐射特性。根据资料调研，亚音速飞行条件下，飞机蒙皮温度在零下几十度至零度左右，根据普朗克辐射定律可计算得出特定温度下的机身辐射，结合蒙皮发射率即可得到机体自身辐射。下图计算了不同机体温度和发射率分别为0.7和0.2时的光谱辐射亮度，从图中可以看出，蒙皮辐射主要集中在长波红外谱段。

图2 飞机红外辐射源示意图Fig.2 Infrared radiation source of F-22

图3 不同温度及发射率下的蒙皮光谱辐射亮度Fig.3 Aircraft skin spectral radiance of different temperature and different emissivity

(b)尾喷管/喷口辐射特性

尾喷管位于机身侧部或后部，其辐射能量主要来自发动机内部燃气燃烧形成的尾喷流，尾喷流经过喷管时热量传递至喷管壁面。

飞机采取气膜冷却与夹层隔热等措施，降低喷管外表面的温度。根据调研，飞机尾喷口腔体等效黑体温度约为600-750K，喷管外表面等效黑体温度在300-400K，喷口及喷管外表面可符合黑体辐射规律，喷口及喷管外表面辐射亮度分析曲线如下图所示。

(c)尾喷流辐射特性

飞机的燃料为航空汽油及航空煤油，主要成分是碳氢化合物，在发动机内与空气混合燃烧后的尾喷流的主要产物是水和二氧化碳。根据水和二氧化碳的分子辐射光谱，在红外谱段主要有几个发射峰，分别位于2.7μm、4.3μm、6.3μm 左右[7]。尾喷流光谱辐射特性仿真曲线如下图所示。

图4 尾喷口腔体及外表面光谱辐射亮度Fig.4 Spectral radiance of aircraft tail nozzle and surface

图5 飞机尾喷流光谱发射峰分布曲线Fig.5 Spectral radiance of aircraft tail jet

在巡航高度上(9-10km)，发射峰的辐射能量受大气吸收作用较小而显现出与背景(发射谱段对应的背景辐射较弱)较强的对比特性，可作为目标探测的备选谱段。

目标整体的辐射特性即为以上三部分特性综合的结果，但不是三部分的简单相加，由于喷管的辐射穿过尾焰时会被吸收，同时不同观测方向会有机身遮挡等，还需要结合观测视角具体考虑。

从上述分析可以看出，F-22目标在红外谱段具有明显的辐射特征，尤其在中波、中长波红外谱段，由于喷口高温部位的固体辐射及尾喷流的气体辐射贡献，整体辐射强度在几百W/sr，部分谱段可达到千W/sr量级。

1.2 探测背景分析

天基平台对空中目标探测主要以海背景、云背景为主，不同背景的光学特性不同，且在不同的条件下(观测几何、光照、季节等)呈现不同的辐射特性。云背景除受上述因素影响外，还与云的类型及其分布特性相关。云按照分布高度的不同，可分为低云、中云、高云，不同类型云的高度分布情况如下所示。

表1 不同类型云分布特性Tab.1 Distribution characteristics of different kinds of cloud

按照上述的云层类别以及分布情况，利用modtran 工具，对不同类型背景辐射特性进行分析，分析结果如下。

图6 背景辐射特性曲线Fig.6 Background radiation characteristic

从上图中可以看出，海背景相比云背景辐射较强，原因是海水温度较云高，一般为10-28℃左右，而云层处于一定高度，与高度处大气温度相当，较高的云层还会处于冰晶状，所以云层辐射整体上比海面辐射要弱。并且，不同类型云层，辐射情况不同。

2 空中目标天基探测原理分析

天基探测时，空中目标属于小尺度目标，并且由于目标机动速度快、活动范围广，天基探测要求具备广域的搜索能力，这就要求采用点目标探测方式，来实现搜索效率与探测性能的平衡。

点目标探测，顾名思义，目标成像为点团状，没有形态信息，在海面、云层等背景下，是一个复杂背景下的弱点目标探测问题，探测系统需要在一个有起伏的背景下探测到含有目标的像元。在图像上表现为，含有目标的像元被周围纯背景的像元包围，探测系统需要将含有目标的像元区分出来，如下图所示。

图7 亚像元探测场景示意Fig.7 Schematic diagram of subpixel detection

对于含有目标的像元，辐射强度信号为：

IB+T=(AB-AT)×L(λB)+AT×L(λT)

其中AB为纯背景像元在目标高度处的覆盖面积， AT为目标面积， L(λB)为背景辐射亮度， L(λT)为目标辐射亮度。

纯背景像元，辐射强度信号为：

IB=AB×L(λB)

含有目标像元与纯背景像元的亮度差可以表示为：

由上式可见，对于一个特定系统对特定目标的探测，影响探测结果的一个重要因素是背景强度。以辐射强度较强的海背景为例，分析不同分辨率时的背景辐射强度如下所示。

图8 不同分辨率下的背景辐射强度Fig.8 Background radiation intensity of Different GSD

从上面的分析可知，百米左右分辨率时背景强度为万W/Sr，而所要探测的目标仅为百W/Sr～千W/Sr，加上目标像元内除去目标面积的背景能量，与纯背景像元能量相比能量差也是微乎其微，背景能量极大影响目标的探测性能。因此，飞机探测属于强背景下的弱目标探测，必须采取措施对强背景及杂波进行抑制，以提高目标背景对比特性，实现有效探测。

3 空中目标探测关键技术分析

(1)复杂背景抑制技术

空中目标探测是一个复杂背景下的弱目标探测问题，要想从辐射相对较强的背景杂波中探测提取出目标，需要对背景进行抑制。可参考国外针对运动目标探测技术，采用线列差分扫描探测技术，即在探测系统传感器焦平面设置一定间隔的线列探测器，在进行扫描成像时，由于探测器前后位置关系，会获得多幅具有一定时间差的扫描图像，如下图所示。在多幅较短的扫描时间间隔内目标是运动的，背景相对不变。多幅图像进行差分计算，相对不变的背景会被抵消，运动目标形成“正负点对”，可实现抑制背景，凸显运动目标作用[8-10]。

这种技术能够很好的抑制背景，但从技术本身还存在较多的难点问题，如从信息处理角度来说，需要线列图像间具备较高的配准精度，以实现较好的图像差分。任何因为配准精度不高出现的残差都会对目标检测造成影响。

(2)红外高灵敏度探测技术

经过前面分析，空中目标探测是探测系统需要将含有目标的像元在纯背景像元中区分出来，而这个可区分度是很小的。另一方面，天基探测时，探测距离较远，尤其是面向空中隐身飞机这种高动态目标，为了实现广域覆盖且减小系统实现代价，中高轨道卫星更能满足需求，以中轨道8000km 为例，考虑斜视探测情况，探测距离可在10000km 以上，进一步地，静止轨道卫星轨道高度36000km，探测距离可在40000km以上。因此发展红外高灵敏度探测技术，甚至是甚高灵敏度探测技术有望实现此类隐身目标的探测。

图9 线列差分扫描探测原理示意图Fig.9 Schematic diagram of Time-Differencing detection Techniques

(3)加强目标背景耦合特性研究

目标背景特性是分析系统探测可行性的输入条件，对于空中目标本身、海面、云层等背景特性研究很多单位都在开展，并获得了一些数据。但由于空中目标探测任务的特殊性，尤其是存在目标处于不同高度、不同探测方向、不同背景，对于云层，目标还有可能处于云层上、云层中和云层下等多种工况。单一关注静态目标特性和背景特性的简单叠加是存在不足的，需要建立空中目标和背景多维动态耦合模型，构建三维背景环境，进而分析空中目标在不同高度运动时与云的相对方位(遮挡、云影等)动态变化，形成与背景环境紧密耦合下的空中目标特性数据，以支撑探测系统论证作为输入。

4 总结

本论文从空中隐身飞机(F-22)目标特性出发，结合天基探测下可能的背景特性分析，指出天基下的空中隐身目标探测为复杂背景下的弱小目标探测问题。同时，论文基于复杂背景弱小目标探测原理分析，从天基可探测的角度，提出了天基探测空中目标的三个重点研究问题。一是，复杂背景的抑制问题，针对此问题，参考国外相关研究情况，提出了时差图像差分抵消背景是解决复杂背景抑制的一个有效途径。二是，开展高灵敏度探测技术研究，实现弱目标的远距离探测。三是，加强目标背景特性研究，尤其是考虑目标背景三维几何关系的耦合特性研究，为探测技术研究提供数据支撑。