海上目标可见光波段伪装效果评估方法

可见光探测是被证实直接、有效的探测目标技术手段，包括目视、可见光成像技术等，很早用于探测和隐身对抗研究。随着目标侦察探测手段的日益先进，被探测目标的伪装技术也在不断发展，使用隐身技术抑制或降低目标的特征信号，可使目标更难被发现。对海上目标，如水面舰艇、处于潜望或通气管航态的潜艇升降装置、通气浮筏，在应用先进雷达波隐身技术后，在远距离被探测的概率将大幅降低，在此背景下，中、短距离的隐身能力对于防止可见光波段的探测则显重要。为此，评估海上目标的可见光波段伪装效果非常重要。

通常，在可见光波段范围内，探测系统的探测效果主要取决于海上目标与海洋背景之间的亮度、色度、运动3个视觉信息参数的对比特征，对海上目标的可见光波段伪装主要通过减少以上3个对比特征，实现对目标视觉信号的控制，进而达到隐身的效果。要评估海上目标的可见光波段伪装效果，首先要分析其所采取的伪装方法。

对海上目标，在整体设计上主要通过舰体外表面的特殊外形设计，如将舰艇表面设计成多面体，使光多向散射或者以小水平面多向散射取代大曲面反射（效果与镜面反射相似）[1]。同时，配合使用吸光性能强、反射性能差的颜色，进而使得目标的反射率尽可能与周围海洋环境的反射率一致或接近，如舰艇的甲板油漆采用深褐色、侧壁用深兰灰色，能够达到一定的隐身效果[2]。另外，污迹也会暴露航迹，海上目标还需加强三废的处理和隐蔽排放[3]。

该方法主要通过控制和降低被测目标表面不同部位的亮度对比度，进而提升其隐蔽性。

试验证明，沿着飞机的机冀前缘和发动机整流罩边缘安装一些将光束密封起来的灯，通过调节这些灯的光强度使之与天空匹配，飞机就会与天空的背景浑然一体，海上目标也可以采取这种方法。为了降低海上目标与海洋背景的亮度对比度，可通过直接控制目标运动构件的闪光信号，如通过主动照亮低亮度部位，并使用传感器调节整个目标的亮度，消除不同部位的亮度对比，可达到整个目标与背景亮度的匹配[4]。

改变目标表面的反射和辐射特性，通常采用迷彩涂层，对静止目标则主要采用伪装网。

1）迷彩隐身

迷彩隐身利用涂料、颜料等改变目标和背景的颜色，降低目标显著性，以及通过吸收电磁波达到隐身目的。迷彩涂料分为保护迷彩、仿造迷彩和变形迷彩，保护迷彩适合于单色背景上的固定和小型目标；仿造迷彩适用于多色背景上相对固定的目标；变形迷彩用于多色背景上的活动目标。迷彩涂料图案斑块的颜色、形状大小是影响隐身效果的关键。对水面舰艇，各国普遍采用灰色单色。由于对舰艇的光学探测是多维度的，包括高空、水面和水下，针对不同探测方式、探测角度，舰艇不同部位的彩色配置也不同，如浅舰体色一般选用浅灰色、中灰色、深灰色，深舰体色则选暗海灰，水线以下船体选用舰底红色，甲板选用黄色或灰色。

2）智能伪装涂层

蓝绿激光探测器能够探测到近水面航态下潜艇上部颜色光谱与周围海洋背景光谱的差异。智能伪装涂层可针对该探测方式，起到主动隐身的效果，是可见光波段隐身研究重点方向。目前，正在研制的有光、热、电等致变色隐身涂料，纳米材料在可见光波段隐身领域也取得一定进展，其在较宽频率范围内均显示出均匀的吸波特性。美国加州大学研发的一种可变折射率超材料，可基于光线路径的改变实现可见光隐身效果。英国研发的新型热敏化学隐身材料可实现温度变化变色。俄罗斯研发的电致变色吸波薄膜，在实现飞机可见光智能隐身的同时，还能实现雷达隐身。这类涂层材料对海上目标的智能伪装设计也有借鉴意义。

评估海上目标的可见光波段伪装效果，还需要分析对手的可见光波段探测方式，分析其探测模型。目前，可见光探测器一般与红外探测设备一起构成前视红外/电视搜索系统，其工作方式与搜索雷达基本类同。

用于可见光波段探测的波长为400～750 nm，探测设备的衍射角分辨率δ和引起的衍射极限斑直径d分别为：

其中，λ为波长， ${f'}$ 为探测设备焦距， ${\rm{6}}{\rm{.4}} \pm {\rm{1}}{\rm{.5}}$ 为光学口径。目前，用作可见光探测的设备主要为电视成像系统，其参数主要是分辨率和颜色选择及视场。

1）分辨率

目前，用于海上目标探测的电视成像系统传感器器件主要为彩色高分辨率成像CCD（电耦合元件），通常分辨率在600×800以上。

2）视场

电视成像系统的视场角一般为：大视场4.3°（俯仰）×5.8°（方位），误差±5%；小视场1.4°（俯仰）×1.9°（方位），误差±5%。通常，用于海上目标探测的电视成像系统的视场角可调，范围一般应为0.92°×0.69°～24°×18°，可选择变焦工作方式。

电视系统的作用距离在目标成像对比度足够的条件下，由系统空间分辨率所决定，而空间分辨率是由光学镜头焦距和CCD像元尺寸组合后决定，即空间分辨率等于像元尺寸除以焦距。当CCD像元数一定时，空间分辨率则由电视视场大小来决定。当长焦距镜头配上大尺寸CCD（如770 mm配上1 in CCD）或短焦距镜头配上小尺寸CCD（如385 mm配上1/2 inCCD），可实现相同的视场大小和相同的空间分辨率，两者作用距离、对目标的成像效果也一样，只是后者的体积和重量比前者小。

1）空间分辨率计算模型

对空间分辨率的计算主要由Johnson法则估算探测距离。目标对系统的张角应大于或等于观察等级所要求的空间分辨率，即

其中：H为目标高度；Ne为不同观察等级要求下的目标等效线对数；R为探测距离；θ为空间分辨率。

2）探测器感光探测

通常，在可见光0.38～0.76 μm波段，太阳光对海上目标的辐照度可表示为：

对有效反射面积为L×W的平面目标，若太阳–平面连线与目标表面法线矢量的夹角为θ1，探测系统–平面连线与目标表面法线的夹角为θ2，则根据目标的反射特性及余弦定律，入射光波经目标反射后，在距离目标R处的辐照度为：

则经目标反射的光信号经过入瞳处的光能量为：

其中，S为光学系统的入瞳面积，S=π（D/2）2。当像元尺寸为α，目标识别要求为4像元×4像元时，探测器焦平面单位面积接收的辐照度为：

当Φ1不小于CCD所能响应的最低照度Φmin时，目标才能被探测。一般的CCD 探测器的最低辐照度为10−2～10−3，则探测器最低照度影响下的对目标的极限探测距离为：

在掌握对手可见光探测能力情况的前提下，可基于自身所采取的可见光波段伪装方法，开展伪装效果评估。相比陆地伪装，海面没有多样化的地势及遮掩物，海水颜色和波浪纹理是海上目标进行伪装设计的重要考虑因素。目前，针对可见光伪装的评估方法主要有基于图像特征相似度评估方法和基于图像质量分析评估算法[5]。此2种方法通过将RGB颜色空间的彩色图像转换为灰度图像来进行算法处理，但这一处理会导致图像颜色信息的缺失。而颜色是迷彩伪装中不可或者缺的重要特征，使得2种方法在评估的准确性和真实性上存在一定误差。另外，现实中迷彩伪装设计不能忽略视觉感知信息的影响，以应对观察者的视觉感知能力。为此，对海上目标伪装效果的评估需综合考虑图像色差和图像纹理特征的影响，其伪装效果评估的流程框图如图3所示，伪装效果评估中图像转换后的目标图像如图4所示。

CIELAB空间只适用于评价孤立的均匀色块，仅采用CIELAB颜色空间无法准确地评价复杂图像在色彩上的差异。为了模拟人眼观察效果，需采用人眼对比度敏感函数（Contrast Sensitivity Functions，CSF）描述视觉的空间特性，有研究提出基于S-CIELAB模型[5]的海面舰艇的图像颜色相似度算法。将输入的目标和背景图像剪裁为同样像素尺寸，将输入图像由RGB空间转换到三维坐标空间，再对输入进行色彩分离，根据人眼视觉特性将图像分离为亮度图像（黑–白图像）和对比色图像（红–绿图像、黄–蓝图像）。对图像进行S-CIELAB空间滤波，再进行颜色空间转换，进而根据CIE 1976中的算法，可获取目标和背景的 $ {{{{L}}}}^{\mathrm{*}}{{{{a}}}}^{\mathrm{*}}{{{{b}}}}^{\mathrm{*}} $ 值。

各个像素点之间的色差（ICS）可表示为：

式中： $ {I}{C}{S}({i}) $ 表示第 $ {i} $ 个像素点位置的色差； $ {\Delta {L}}^{\mathrm{*}}({i}) $ ， $ {\Delta {a}}^{\mathrm{*}}({i}) $ ， $ {\Delta {b}}^{\mathrm{*}}({i}) $ 为两图之间第 $ {i} $ 个像素点位置的亮度差和各对比色色差值。

由于平均色差会忽视偏离色差的远近，图像色差可采用各像素点的色差标准差来表示。

其中： ${N} $ 为图像的总像素数； $ {I}{C}{S}{M} $ 为图像各像素点色差的均值。 $ {I}{C}{S}{I} $ 评价指标的取值越小，目标伪装和背景的色差越小，表明两图之间图貌相似程度越高。

人眼视觉系统HVS对图像结构信息较敏感，在伪装效果评估中需考虑HSV特性。相比于图像的平坦区域，人眼对图像边缘纹理区域更敏感，且边缘纹理区域能反馈图像大部分细节信息，利用图像梯度能高效表达HVS高度敏感的图像局部结构信息。对海上目标，海浪纹理是海洋环境迷彩伪装斑纹分布的设计依据，可将梯度幅值相似性偏差算法（GMSD）用于海上目标迷彩伪装斑纹设计的伪装效果评估，采用Sobel算子可检测海上目标和海洋背景图像的边缘纹理。通过卷积运算可得到背景图像与伪装目标图像的梯幅值 $ {{G}}_{{b}}({i}) $ 和 $ {{G}}_{{c}}({i}) $ 。

梯度幅值相似度GMS为：

GMS函数进行均方根处理，得到梯度结构相似度偏差为：

其中：N为图像像素数； $ {i} $ 为图像像素点位置。 $ {G}{M}{S}{D} $ 值越小，表明伪装目标与背景之间的纹理相似度程度越高。

ICSI通过目标和背景的颜色相似性来评价伪装效果的好坏，GMSD则通过目标和背景的边缘纹理特征来评价伪装效果的优劣，将两者相互结合可对目标的迷彩伪装效果进行更全面、精确的评价。为了更准确反映图像特点，应综合评估2个评价指标的影响，并采用熵权法计算评价指标ICSI和GMSD的相应权重 $ {\omega }_{ICSI} $ ， $ {\omega }_{GMSD} $ ，进而将2个指标加权求和，得到海上目标可见光波段的伪装效果综合评估结果：

本文在分析海上目标可见光波段伪装方法基础上，基于对可见光探测器探测物理量的分析，建立了海上目标探测模型，确定了海上目标可见光波段伪装效果的评估因子和评估方法，可以海上目标的可见光波段伪装效果综合评估提供方法和参考。