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变形迷彩伪装的技术指标分析_曹义

归档日期:07-27       文本归类:仿造迷彩      文章编辑:爱尚语录

  第 30 卷 第 2 期 2008 年 2 月 红 外 技 术 Infrared Technology Vol.30 No.2 Feb. 2008 〈制导与对抗〉 变形迷彩伪装的技术指标分析 曹 义 1,才鸿年 1,2,程海峰 1,郑文伟 1 (1.国防科技大学航天与材料工程学院重点实验室,湖南 长沙 410073;2.兵器装备集团公司,北京 100081) 摘要:介绍了我国国家军用标准中与变形迷彩伪装有关的技术指标,并从侦察制导技术的发展出发, 讨论了现有国军标需要扩展与补充的内容。建议光学伪装指标中增加对抗高光谱侦察的内容;建议斑 点尺寸形状技术指标以面积、周长、伸长度、分散度和整体凹度等特征值给出量化的规定;建议重视 热红外伪装相关技术指标的建立。实验表明热图迷彩效果不单纯由迷彩斑点的发射率决定,建议采用 日间无风强日照条件下和夜间少云条件下斑点间辐射温差来评价热迷彩性能。 关键词:伪装;技术指标;变形迷彩;高光谱;热红外 中图分类号:TN976, TB34 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2008)02-0118-05 Analysis on the Technical Items of Distortion Pattern Painting CAO Yi1,CAI Hong-nian1,2,CHENG Hai-feng1,ZHENG Wen-wei1 (1. State Key Lab of Advanced Ceramic Fibers & Composites, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China; 2.China South Industries Group Corp., Beijing 100081, China) Abstract:The technical items about distortion pattern painting in Chinese military standards are introduced. Based on the development of reconnaissance and homing technology, some supplementary items are suggested to perfect the standards. The items countering hyperspectral reconnaissance are put forward in visible and near infrared band. The characteristic vector that composed of area, girth, dispersing ratio, elongation ratio and whole concavity is proposed to describe the spot shape. The establishment of thermal IR camouflage technical items receives great concern in this paper. Experiment showed that the emissivity difference alone is not enough for the forming of thermal pattern spots. The apparent temperature difference between the spots is utilized for evaluating the efficiency of thermal pattern under the condition of strong sunshine, windless in daytime and cloudless in nighttime. Key words:camouflage;technical items;distortion pattern;hyperspectral;thermal IR 特征的目的。 经过多年的发展,变形迷彩伪装形成了一套比较 完善的技术指标体系,本文从我国军用标准的要求出 发,介绍变形迷彩技术指标,并根据文献调研与实验 数据对目前有争议的一些指标进行了讨论,给出了变 形迷彩技术指标的一些建议。 引言 迷彩伪装是利用涂料、染料和其他材料改变目 标、遮障和背景颜色及斑点图案所实施的伪装[1]。迷 彩伪装可分为保护迷彩、变形迷彩和仿造迷彩三类, 其中变形迷彩是由几种形状不规则的大斑点所组成 的多色迷彩,主要用于伪装军用车辆等活动目标。 传统的变形迷彩主要对抗可见光、近红外波段, 先进的变形迷彩则兼具热红外伪装功能,不同颜色的 迷彩斑点具有不同的辐射特性,从而使目标热图呈现 灰度级别不同的斑点,达到歪曲目标轮廓,降低显著 收稿日期:2007-11-10 作者简介:曹义(1978-) ,男,博士研究生,主要从事伪装技术研究。 1 国军标对变形迷彩的技术要求 涉及迷彩伪装的主要中国军用标准如表 1 所示。 国军标对变形迷彩的要求主要有:颜色选取,斑点尺 寸计算,斑点形状与配置,发射率取值等。 118 第 30 卷 第 2 期 2008 年 2 月 曹 义等: 变形迷彩伪装的技术指标分析 Vol.30 No.2 Feb. 2008 颜色选取 GJB453 采 用 了 四 色 、 三 色 和 二 色 迷 彩 ; 而 GJB4004 弃用了四色、 二色迷彩, 采用三色变形迷彩。 斑点颜色根据 GJB798、GJB1082 选取或由合同规定。 颜色选取的主要要求如下: 1)变形迷彩斑点的中间色根据接近背景平均亮 度系数的要求从优势背景颜色中选取。 2)变形迷彩图案中亮、暗差别色和中间色之间 的亮度对比应不小于 0.4,迷彩斑点相互保持鲜明对 比,利于歪曲目标外形。 3)变形迷彩图案中各颜色与背景中相似颜色之 间的亮度对比小于 0.2。 表 1 迷彩伪装相关国家军用标准 Table 1 Chinese military standards for camouflage pattern 序号 1 2 3 4 5 标准号 GJB798 GJB1082 GJB453 GJB4004 GJB2674 标准名称 伪装涂料漆膜颜色 伪装网用颜色 坦克汽车火炮变形迷彩图册 陆军装备变形迷彩图册 防中远红外侦察伪装遮障规范 出版时间 1990 1991 1988 2000 1996 1.1 的斑点。 3)中间色斑点和对比色斑点在装备上应交错配 置。 4)变形迷彩斑点不应对称配置。 5)斑点不应在装备轮廓边缘终断,应延伸至另 一表面去,延伸时斑点的长径与装备的棱线)装备凸出部宜配置暗斑点,凹进部宜配置亮 斑点,且斑点的中心不应与凸出或凹进部的顶点相重 合。 7)装备顶部宜多配置暗斑点,阴暗面宜多配置 亮斑点,且将暗斑点延伸。 8)装备的孔口部位应配置暗斑点,但不得重复 孔口部位的轮廓。 1.4 斑点的发射率取值 只有 GJB2674 提出了热红外变形迷彩要求: 装饰 布的高发射率涂层面 8~14 μm 发射率不小于 0.95, 低发射率涂层面应为 0.60~0.80。 2 变形迷彩伪装的技术指标分析 根据文献调研与实验的结果,分析现有国军标中 变形迷彩伪装相关技术指标的不足如下。 2.1 斑点光学伪装指标分析 首先,国军标中仅根据背景的亮度系数选择伪装 色,而忽略变形迷彩斑点颜色与背景色在色调与饱和 度上的差别。这是根据人眼对颜色特征的不同敏感程 度确定的,是一种近似的处理方法。人眼对颜色的感 觉程度的影响最大,色调其次,饱和度最小。 王博[2]等给出了根据色差阈值确定迷彩斑点颜色 的计算公式 (4) ,并进行了颜色适应和大气影响的修 正,弥补了传统的迷彩涂层设计忽略色调和饱和度差 别的不足。 ΔCIE(L*a*b*)=0.799Y11/3 (4) 式中:ΔCIE(L*a*b*)为迷彩斑点与背景的最大允许色 差;Y1 为背景颜色在 1931CIE-XYZ 系统中的亮度值。 其次,现行国军标对变形迷彩斑点颜色的指标规 定不能满足对抗高光谱侦察的要求,主要是对抗谱段 宽度不能适应高光谱侦察发展和未给出各颜色的光 谱反射率通道要求。 高光谱成像仪能够在连续光谱段上对同一目标同 典型 时成像, 可直接反映出被观测物体的光谱特征[3]。 的星载高光谱成像光谱仪如 Hyperion 一些基本性能如 表 2 所示[4],其波段数较多,光谱范围可达 2500 nm。 斑点尺寸计算 为了防止各种颜色斑点产生空间混色现象,迷彩 斑点的尺寸必须在预定的观察距离上可以看见。根据 斑点亮度对比的不同,GJB453 给出斑点的可见尺寸 计算公式: 当 K≥0.4 时, (2.5 ~ 3)D A≥ (1) 3400 当 0.2≤K≤0.4 时, (3 ~ 4)D A≥ (2) 3400 式中:K 为斑点亮度对比;A 为斑点可见尺寸;D 为 观察距离。 而 2000 年的 GJB4004 规定, (3) A≥0.0009D 公式(3)应该是在 K≥0.4 的前提下根据公式(1)取 较大的值。地面装备变形迷彩的设计观察距离为 800~3000 m, 对应的迷彩斑点尺寸应在 0.72~2.70 m 之间。 1.3 斑点形状与配置 斑点的形状与配置的原则主要有: 1)变形迷彩斑点的形状由不规则的曲线)同一颜色的斑点宜采用形状不同、大小不等 1.2 119 第 30 卷 第 2 期 2008 年 2 月 红 外 技 术 Infrared Technology Vol.30 No.2 Feb. 2008 表 2 Hyperion 的技术特性 Table 2 Technical Character of Hyperion 制造商 波段数 NASA 242 光谱范围 0.356~2.577 μm 波段宽度 10 nm 地面分辨率 30 m 高光谱侦察给地面装备带来了很大的威胁。模拟 植物的绿色涂料是迷彩涂料中的重要组成部分,植物 叶片的典型光谱反射曲线 nm 具有绿色反射峰,680 nm 左右有吸收峰, 且在 700 nm 后反射率急剧增大,在 740 nm 左右几乎 达到最大值,在 1300 nm 后反射率又开始下降,并在 1450 nm、2030 nm 处出现吸收峰。比较精细的光谱特 征还有 970 nm 附近的水分吸收峰等。由于绿色植物光 谱反射率的特殊性,伪装涂层对其模拟难度是较大的。 文献[6,7]都选定 680 nm 左右的吸收峰和 700~740 nm 反射率急剧增大的特征进行迷彩伪装的识别,对所选 样本具有高达 99%的识别率。 1996 年的美军标把 760 nm、 1200 nm 间反射率上 限定为 60%值得商榷, 因为一方面真实植物叶片反射 率可以达到较高的值,另一方面近红外高反射可降低 涂层的太阳能吸收率,利于热红外伪装。 详细评估高光谱侦察的威胁,在关键的特征谱段 给出光谱通道要求是完善变形迷彩伪装技术指标的 首要要求。 100 90 80 Min. Max. Reflectance / % 70 60 50 40 30 20 10 0 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Wavelength / nm 图 3 美军标 MII-PRF-53134 绿色涂层光谱通道 Fig.3 Spectral reflectance limits for green in MIL-PRF-53134 图 1 植物叶片 200~2500 nm 波段光谱反射曲线 Reflectivity curve of leaves in 200~2500 nm waveband 现行国军标变形迷彩对抗谱段为 380~1100 nm, 雪 而美国现行军用标准已扩展 地型涂料为 300~1100 nm, 至 2500 nm。同时国军标采用可见光色度值和近红外亮 度系数规定迷彩颜色,未给出光谱反射曲线的通道要 求。 国内研究者常引用美军标规定绿色伪装涂料的光谱 通道要求。早期的美军标[8,9]绿色涂料光谱通道波长范 围为 600~900 nm,如图 2 所示。1996 年的美军标 MII-PRF-53134[10]扩展到 2500 nm,如图 3 所示。 100 90 80 Min. Max. Reflectance/ % 70 60 50 40 30 20 10 0 600 650 700 750 800 850 900 Wavelength/ nm 图 2 早期美军标绿色涂层光谱通道要求 Fig.2 Spectral reflectance limits for green in early U.S. military standards 斑点尺寸形状指标分析 由于敌侦察距离的不确定性,研究者提出了多重 结构小斑点迷彩的设想[1]。近距离观察时,这是一种 多色小斑点迷彩,随着观察距离的增加,邻近的小斑 点由于混色效应融合成几个大斑点,但这一设想的实 现还面临一些困难。 国军标对变形迷彩斑点形状与配置的规定是长 期研究、应用经验的总结。GJB4004 给出了陆军典型 装备变形迷彩图案,但对于伪装遮障、特种装备、新 装备等无现成迷彩图案参照,且所有装备采用统一的 迷彩图案也不利于伪装。在遵循国军标原则的前提 下,设计新的迷彩图案也是非常重要的工作。 申岳国 [11] 等提出变形迷彩斑点应类似自然背景 斑点的形状,即由多个凸出和凹进的不规则曲线构成 的不规则图形,其凸出和凹进部分的尺寸应各不相 等,但凸出和凹进部分的尺寸不得大于 A/2。并通过 正交实验,得出对阵地生存力的影响力依次为形状系 数>斑点尺寸>亮度差别(亮度差别的三个水平为 ,即在迷彩伪装技术中,形状系统 0.10,0.15,0.20) 最重要。但文章未给出斑点形状系数的计算方法。 王博[12]等从目标与背景的融合这个角度出发, 结 合图像处理中的形状分析理论,提出以面积、周长、 伸长度、分散度和整体凹度等组成的特征向量来描述 斑点的形状,对迷彩涂层斑点形状的设计具有一定的 参考价值。 如何更科学、更详细的规定变形迷彩斑点形状是 2.2 120 第 30 卷 第 2 期 2008 年 2 月 曹 义等: 变形迷彩伪装的技术指标分析 Vol.30 No.2 Feb. 2008 一个需要进一步研究的问题。 2.3 斑点的发射率指标分析 现行国军标中只有 GJB2674 提出了斑点的发射 率要求,并要求用工作波段为 3~5 μm、8~14 μm 的 热成像系统在 1000 m 距离上观察,或用机载红外扫 描成像系统在 1000 m 高度上侦察时,伪装面在热图 上呈现 2~4 个灰度级差明显的斑点。 热红外成像侦察、制导技术在实战中的广泛应 [13-17] 用 使地面武器装备面临巨大威胁, 热红外伪装的 重要性日益突出,变形迷彩迫切需要增加对抗热红外 的技术指标。 目前对斑点热迷彩的设计主要侧重于斑点发射 率的控制。但变形迷彩斑点的辐射温度不单由热红外 发射率决定,还受太阳能吸收率、热容、隔热性能、 对流传热系数等参数影响[18,19]。比如,实验证明太阳 能吸收率在日照下对迷彩斑点辐射温度的影响可超 过热红外发射率。实验的过程与结果如下所述。 实验采用三色迷彩斑点的伪装网样品,太阳能吸 收率深绿装饰布>土色装饰布>中绿装饰布,斑点热 红外发射率为土色 (0.94) >深绿 (0.83) >中绿 (0.67) 。 选择晴朗、无风的天气,将样品张挂于楼顶不锈钢架 上,保持网面水平以保证各斑点日照条件相同,采用 热像仪记录网面一天中不同时段的热图,分析斑点间 辐射温度差值的变化,结果如图 4 所示。 10.0 difference between khaki and dark green difference between dark green and light green temperature difference / ℃ 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 7:12 10:12 13:12 天无风或微风条件下日照对斑点间辐射温差具有非 常大的影响,而阴天或日间风力较大的情况斑点间辐 射温差介于前二者之间。 对热迷彩斑点的评定建议参考 MIL-PRF-53134 的热红外性能测试条件,测试分两个时段:实验在空 旷场地中进行,日间伪装遮障面充分接受日照,要求 太阳辐照度大于 800 W/m2,风速小于 2 m/s;夜间测 试在极少量云覆盖(少于 10%)的条件下进行,对风 速无要求,但要记录风速值。采用上述极端条件下斑 点间辐射温差可较好地评价热迷彩效果。 目前普遍认为,目标与背景的辐射温差控制在 4℃以内时可实现红外隐身[20],变形迷彩斑点按面积 平均的辐射温度与背景平均辐射温度的差值应控制 在 4℃以内。 另一方面,由于 4℃以内指标提出的年代已经比 较久远,应重新评定其合理性。在 MIL-PRF-53134 中热伪装指标未采用 4℃以内指标,而采用伪装遮障 面辐射温度与环境气温的差值,规定日间辐射温度最 高的 1 m2 遮障面的平均辐射温度与气温的差值小于 8℃且夜间辐射温度最低的 1 m2 遮障面的平均辐射温 度与气温相差也应小于 8℃,最佳差值在 5℃以内。 目标与背景辐射温差阈值可根据对抗距离 R、热 像仪最小可分辨温差(MRTD)等参数确定。 目标与背景发出的热红外辐射穿过大气到达热 像仪,由于大气的吸收和散射,辐射强度衰减,从而 导致二者间辐射温差的降低,如图 5 所示[19]。热像仪 虽然工作在大气窗口波段,但大气对该波段并非完全 透明,如 8~14 μm 波段从地面到 100 km 的高空,热 带大气的透射率约为 55%[21]。 大气对热像仪成像的影 响可借助 MODTRAN 等软件计算[21,22]。 time 16:12 19:12 图 4 伪装网迷彩斑点间的辐射温差 Fig.4 Apparent temperature difference of camouflage cloth spots 图 4 中两条温差曲线)在日 照较弱的早晨与傍晚土黄-深绿,深绿-中绿间的热辐 射温差都为 2℃左右;2)在日照较强的时段土黄-深 绿间热辐射温差小于 2℃,甚至出现了负值,即发射 率低的深绿斑块辐射温度高于土黄斑块;3)日照较 且极大值 强时段深绿-中绿间热辐射温差均大于 2℃, 出现的时间对应土黄-深绿温差的极小值。 实验表明,对于热容非常小的伪装网类等人工目 标而言,夜间斑点间辐射温差主要由发射率决定,晴 图 5 辐射温差与距离的关系 Fig.5 Apparent temperature difference as function of distance 在目标尺寸确定的情 MRTD 是空间频率的函数, 况下,空间频率可转化为距离的函数[20]。 121 第 30 卷 第 2 期 2008 年 2 月 红 外 技 术 Infrared Technology Vol.30 No.2 Feb. 2008 MRTD = K 7 ξ f( ne R ) D (5) 式中:K 为要求的识别概率下极限视在信号比与 90% 的识别概率下的极限视在信号比的比值 ;ξ为目标等 效图案的长宽比; ne 为不同判读等级下的等效条带 数; R 为热像仪与目标间距离; D 为目标的有效尺寸。 对于确定的观察距离,存在目标与背景间的极限 辐射温差, 使得温差曲线与 MRTD 曲线的交点对应此 距离,如图 6 所示[19]。 对抗较近距离侦察时,需要把目标与背景间的辐 射温差阈值降到非常低的值;而对抗远距离侦察时, 允许较大的辐射温差阈值。如何确定一个适用于大部 分地面武器装备的辐射温差阈值是个非常复杂,需要 进一步论证的问题。 目标形状尺寸等多种因素有关。随着热成像系统性能 的不断提高和对装备伪装研究的细化,辐射温差阈值 的确定需要进一步的研究。 参考文献: [1] [2] 张建春. 迷彩伪装技术[M]. 北京:中国纺织出版社, 2002:35. 王博, 王自荣, 孙晓泉. 迷彩涂层斑块颜色研究[J]. 光电对抗与无源 干扰, 2002, (4): 3~5. 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[22] 张建奇 , 方小平 . 红外物理 [M]. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2004:190. 3 结论 1)我国军用标准对迷彩伪装的规定是长期研究 工作的积累,变形迷彩伪装应满足其技术指标;但侦 察技术的发展迫使国军标必须进行拓展和补充。 2)从光学伪装指标来说,建议在评估高光谱侦 察威胁的基础上,国军标加入相应对抗指标,给出包 括绿色及其它伪装颜色的光谱通道要求。 3)在变形迷彩斑点尺寸、形状设计中可细化相关 规定,采用量化的技术指标规范迷彩图案的设计工作。 4)实现变形迷彩的热红外伪装是非常迫切的需 求。迷彩斑点的热图迷彩效果不单纯由热红外发射率 决定,建议采用日间无风强日照条件下和夜间少云条 件下斑点间辐射温差来评价热迷彩性能。 5)变形迷彩斑点按面积平均的热红外辐射温度 与背景平均辐射温度的差值应控制在 4℃以内。但目 标与背景辐射温差小于 4℃ 的指标具有一定的局限 性,实际上辐射温差阈值与观察距离、热像仪性能、 122

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