面向光电对抗领域的空天图像等效模拟技术研究

一、引言

随着世界主要军事大国多波段光电侦察手段的不断完善，我军地面装备、阵地和部队行动所面临的天基侦察监视威胁倍增。近年来为应对相关风险，我军开展了系列光电对抗领域防护能力研究工作，但由于我军长期受“缺对手、缺目标、缺环境”等瓶颈问题制约，难以获取敌天基侦察卫星、制导武器等典型威胁实采数据，因此研究效能一直无法得到有效提升。

近年来随着建模仿真、图像处理等技术的快速发展，运用计算机构建等效映射模型，加载低空机载图像反演生成星载传感器图像，并用于光电对抗防护能力研究成为一种趋势。本文提出了一种光电对抗领域的空天图像等效模拟方法，旨在突破基于大气辐射传输模型的大气校正、空间分辨率转换、传感器效应建模等关键技术，并形成光学、红外图像等效映射模型，用于支撑目标防护效果检测评估。

二、相关工作

针对空天图像等效模拟技术研究，国内开展了相关研究工作，其中王冰等开展了机载可见光侦察系统的最大探测距离地面等效试验方法研究，实现了用地面定探测等效空间动态检测；梁冬明等开展了可见光侦察系统作用距离等效推算分析研究，提出了一种利用已知实验条件下的实测数据等效计算其他实验条件下侦察系统可见光侦察的作用推算方法。

上述研究成果存在一些不足之处，实际在遥感成像过程中，入射光与地表之间以及地表与卫星传感器之间都存在着大气分子、尘埃颗粒以及气溶胶等，对太阳入射辐射能量和地表反射辐射能量的传输具有散射、吸收和反射的影响，使得到达遥感卫星传感器的辐射能量发生变化，从而影响遥感成像过程。上述研究以目标发现概率为基准进行后续等效计算时，只考虑了高度这一个影响因素，未考虑实拍过程中其他影响因素, 导致成像效果不可控且精度较低。

本文充分考虑大气影响、空间分辨率转换等因素，采用基于大气辐射传输模型的大气校正方法实现，首先获取空基传感器成像时大气参数，完成大气辐射传输特性计算，获取地表真实亮度分布，进而以较高精度完成星载图像等效映射。

三、研究内容

（1）大气辐射传输模型的大气校正模型研究

在大气辐射传输中以两种方式影响遥感成像过程，一是大气的吸收和散射所导致的太阳辐射和地面反射的能量衰减；二是大气中各种气体分子及气溶胶本身对太阳辐射的反射或散射作用使到达传感器的辐射能量增加（即为大气程辐射）。

本文拟采用基于大气辐射传输模型的大气校正方法实现，首先需获取空基传感器成像时的大气参数，然后完成大气辐射传输特性计算，获取地表真实亮度分布。

（2）空间分辨率转换算法研究

低几何分辨率图像像元覆盖的面积内一般包含多个高分辨率的图像像元。简单的空间分辨率转换方法是采用加权平均的方式将地表的反射率等参量进行近似，简单的权重赋值方式为面积加权，通过该方式对地表的反射率进行尺度转换后再将其根据卫星的观测角度进行辐射传输计算。由于大气辐射传输具有方向性，在观测天顶角较大的情况下，地表像元内各组分像元对总辐射的贡献是不同的，且在地表分布复杂，反射率多变的地区由于地表的多次散射使得这样处理的结果在某些情况下会引入误差。

根据地表亮度的辐射传输规律，可以将卫星像元的亮度视作该像元内各子像元亮度之和。当观测角度较小，地表物性较为平均的情况下，大气作用的方向性较弱，上式可以简化为一般的面积加权形式。当地表不均匀，观测倾斜角度较大或者气溶胶光学厚度较大的情况下，需要对每一个子像元对于总该像元的能量贡献分别加以计算，然后求和。

（3）传感器效应模型研究

到达空 / 天成像传感器入瞳处的辐射经过光学系统之后汇聚到探测器焦平面上，由传感器对接收到的辐射进行光电转换和采样，并最终以电压灰度图的形式输出。需要对传感器进行建模，开展可见- 红外复合场景传感器信号仿真，模拟信号经过光学系统、传感器、预处理电路等组件时的物理效应。

经过图形渲染引擎实时渲染后，高级图形渲染引擎输出了二维的场景图像序列。先以高级图形渲染引擎输出的一帧仿真图像为例，研究多个合成器如何处理这一帧图像，然后再扩展到帧序列光电仿真图像的处理。

四、实验与分析

等效模拟图像生成后，需要与同一时间段同区域范围的遥感图像进行对比。图像的相似度计算采用结构相似性（SSIM）作为评价指标，结构相似性的范围为-1 到1，当两张图一样时，SSIM 值等于1。

利用等效模拟图像与实际星载采集图像进行对比，采用结构相似性对比方法，两者的相似度结果达 86.79% 。

五、结论

本文提出一种面向光电对抗领域的空天图像等效模拟方法，利用机载光学红外图像、传感器参数、测量大气参数，以及星载传感器参数，采用机载图像转换成星载图像的方法，实现空 / 天图像等效模拟功能，能够有效模拟敌空 /天侦察对地成像，且采用结构相似性对比方法进行实验分析，模拟准确度较高。

参考文献：

[1] 曾朝阳 , 贾云鹤 , 戴琼松 , 郭海冰 . 红外图像模拟中的红外光学系统影响分析 [J]. 激光与红外 ,2009,39(10):1108-1111

[2] 武红宇 , 王灵丽 , 钟兴 , 苏志强 , 陈关州 , 白杨 . 基于谱段关联的近红外图像模拟方法 [J]. 光子学报 ,2018,47(4):0410001.

[3] 江照意 . 典型目标场景的红外成像仿真研究 [D]. 杭州 : 浙江大学，2007.

[4] 钱喆晔 , 高兰兰 , 余益欣 , 李恬媛 , 井志远 , 回斌硕 . 近红外上转换成像理论模拟研究 [J]. 物理学报 ,2024,73(4):1234-1245.

作者简介：刘子龙（1988 年），男，汉族，硕士，高级工程师，计算机视觉；

贾凡（1990 年），男，汉族，学士，工程师，自动化；

李天慧（1997 年），男，汉族，硕士，助理工程师，图像处理；

杨丽丽（1982 年），女，汉族，硕士，高级工程师，信号与信息处理；

张永利（1978 年），女，汉族，硕士，高级工程师，信息与通信工程。