劉國(guó)富 鐘小剛

【摘要】根據(jù)反恐夜間訓(xùn)練新需求，針對(duì)實(shí)彈射擊特點(diǎn)，研究一種熱成像目標(biāo)研制方案。方案基于碳纖維電熱膜技術(shù)，設(shè)計(jì)一種通用、高效、低壓電熱膜，通過表面覆蓋不同缺口形狀的隔熱板，模擬不同的熱成像目標(biāo)。方案具有響應(yīng)速度快、紅外特征完整、抗實(shí)彈破損性能好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，滿足反恐訓(xùn)練中目標(biāo)樣式多、實(shí)彈破損量大、訓(xùn)練成本低等要求。

【關(guān)鍵詞】兵器科學(xué)與技術(shù);紅外目標(biāo);碳纖維電熱膜;高效;遮擋

0.引言

依靠先進(jìn)的紅外夜視裝備，掌握暗黑環(huán)境下的主動(dòng)權(quán)，發(fā)動(dòng)突襲，克敵制勝，目前已是各大國(guó)夜間反恐作戰(zhàn)中的主要手段。我國(guó)武裝力量也開始配備多種紅外夜視器材，如車載紅外夜視監(jiān)控云臺(tái)、狙擊紅外瞄準(zhǔn)鏡等，硬件水平已大大提高。但缺少專業(yè)的反恐夜訓(xùn)紅外目標(biāo)，導(dǎo)致部隊(duì)夜間訓(xùn)練多采用燈帶、電熱毯等方式來模擬，而此類簡(jiǎn)易目標(biāo)存在模擬程度低、模擬目標(biāo)少、抗實(shí)彈破損能力差等問題，嚴(yán)重制約了部隊(duì)反恐夜訓(xùn)工作。

近年來，碳纖維電熱膜技術(shù)發(fā)展迅速，它采用上下兩層絕緣薄膜夾一層導(dǎo)電碳漿涂層和兩條電極的方式，將電能轉(zhuǎn)換為熱能。相比傳統(tǒng)電熱絲，碳纖維電熱膜具有高達(dá)90%的電熱轉(zhuǎn)換效率、80%紅外輻射效率等優(yōu)點(diǎn)，已在取暖、紅外醫(yī)療等民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且紅外輻射多集中在5～18um波長(zhǎng)范圍，處于紅外夜視設(shè)備的有效探測(cè)范圍之內(nèi)，這些特點(diǎn)非常適合用于制作紅外目標(biāo)。

目前反恐訓(xùn)練中，目標(biāo)種類較多，常用的有武裝人員、平民、人質(zhì)等人物類型，以及正面、側(cè)面、全身、半身、頭部等部位靶型。此外，這些目標(biāo)形狀也不規(guī)則，這些因素大大增加電熱膜涂層的設(shè)計(jì)難度，制造成本也很高，這也是碳纖維電熱膜技術(shù)沒有實(shí)際應(yīng)用于紅外目標(biāo)制作的主要原因。

1.設(shè)計(jì)方案

本文基于碳纖維電熱膜技術(shù)，針對(duì)反恐訓(xùn)練中敵我目標(biāo)種類較多、實(shí)彈射擊破損量大等特點(diǎn)，兼顧制作成本、使用安全性等要求，提出一種低電壓直流、高效、模塊化設(shè)計(jì)方案。

方案設(shè)計(jì)一種24V直流、面狀、通用的發(fā)熱薄膜，通過表面覆蓋不同缺口形狀的隔熱板（或隔熱涂層），模擬不同紅外目標(biāo)特征。

1.1 總體方案

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 靶板結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)主要由碳纖維電熱靶板（一下簡(jiǎn)稱靶板）、微處理控制器、24V電池組和I/O接口等4部分組成。其中，靶板用于顯隱紅外圖像，微處理控制器用于信號(hào)采集、處理，采用PWM控制方式給靶板供電以調(diào)整輸出功率。系統(tǒng)采用24V直流電源，操作安全，也便于野外靶場(chǎng)使用。

靶板由碳纖維電熱膜和帶缺口的隔熱板組成，以側(cè)面跑步目標(biāo)為例，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中隔熱板上的缺口可制成不同形狀，通過遮擋方式，顯現(xiàn)不同紅外目標(biāo)圖案。

1.2 高效發(fā)熱涂層

系統(tǒng)采用24V直流電源工作，而民用220V電熱膜碳漿方阻過大，發(fā)熱效率低，無法使用，須計(jì)算并選擇合適的涂層碳漿參數(shù)以確保系統(tǒng)發(fā)熱效率滿足紅外目標(biāo)快速顯現(xiàn)要求。

紅外目標(biāo)快速顯現(xiàn)指標(biāo)，對(duì)于靶板來說就是溫升速率。根據(jù)現(xiàn)有熱成像紅外探測(cè)設(shè)備的溫差靈敏度（0.1℃），和夜間訓(xùn)練顯靶時(shí)間要求（10s），可計(jì)算出溫升速率為0.01℃/s。為適應(yīng)不同環(huán)境及系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，溫升速率指標(biāo)取0.1℃/s。

通過不同功率下的溫升試驗(yàn)，選擇200W/M2的單位面積加熱功率，可以確保0.1℃/s的溫升速率。

圖3 200W/M2加熱功率下的溫升速率曲線

將面狀涂層等效為純電阻R（如圖4），設(shè)電壓U，涂層面積S（長(zhǎng)L寬B），碳漿方阻R□，單位面積加熱功率△P。

圖4 發(fā)熱涂層等效電路

根據(jù)直流電阻電路關(guān)系，可得發(fā)熱涂層的單位面積加熱功率△P為：

（1）

其中：代入（1）可得：

（2）

公式（2）中U、△P為設(shè)計(jì)已知量，確定面狀涂層長(zhǎng)度L即可得出方阻R□。

針對(duì)實(shí)彈射擊，設(shè)計(jì)兩側(cè)安裝導(dǎo)電電極、中間涂覆面狀導(dǎo)電碳漿的涂層方案（如圖5），可有效降低系統(tǒng)破損失效概率，提高使用壽命，并且形狀規(guī)則，便于大批量生產(chǎn)。

圖5 發(fā)熱涂層方案

代入L值（兩條導(dǎo)電電極間距），由公式（2），即可得出碳漿方阻R□，作為碳漿調(diào)配參數(shù)指標(biāo)。

1.3 控制電路

微處理器（圖7）負(fù)責(zé)觸發(fā)信號(hào)采集、PWM方式控制輸出加熱模塊通斷、狀態(tài)顯示，以及與靶機(jī)通信等功能。

圖6 電源模塊

圖7 微處理器模塊

圖8 輸出加熱模塊

輸出加熱模塊（圖8）輸出功率驅(qū)動(dòng)靶板，以顯現(xiàn)紅外目標(biāo)圖像。采用PWM控制方式，實(shí)現(xiàn)大功率啟動(dòng)，小功率維持等功能，有效利用能源。

圖9 串口模塊

串口模塊（圖9）用于系統(tǒng)自檢、參數(shù)設(shè)置、功能擴(kuò)展等應(yīng)用。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是PWM控制算法，為節(jié)約能源，提高發(fā)熱次數(shù)（打靶次數(shù)），設(shè)計(jì)采用如表1算法：

表1 PWM控制算法

1 2 3

工作過程 啟動(dòng) 維持 關(guān)閉

時(shí)間階段 0～10s 10～20s 20s～

輸出功率 100% 50% 0

采用表1算法，每個(gè)顯隱周期可節(jié)省25%的電能，增加電池的工作次數(shù)。

2.樣品測(cè)試

在上述設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制作實(shí)物樣品，通過測(cè)試，驗(yàn)證方案正確性。

圖10 高效碳纖維電熱膜

圖11 系統(tǒng)效果圖

圖12 側(cè)面跑步目標(biāo)和正面目標(biāo)紅外特征照片

2.1 紅外目標(biāo)特征及發(fā)熱效率測(cè)試

制作了一塊通用高效碳纖維電熱膜（圖10），通過表面覆蓋不同缺口的隔熱板，以遮擋的方式，模擬側(cè)面跑步目標(biāo)和正面目標(biāo)的紅外特征。如圖12所示，目標(biāo)紅外特征明顯、辨識(shí)度高，實(shí)現(xiàn)輪廓特征模擬功能。

如圖13所示為發(fā)熱涂層在PWM控制工作方式下的溫升情況，樣品在啟動(dòng)階段100%功率驅(qū)動(dòng)下，溫升速率達(dá)到0.3℃/s;在維持階段50%功率驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)溫度保持功能;在關(guān)閉階段，溫度以-0.1℃/s的速率恢復(fù)。上述數(shù)據(jù)表明，樣品滿足紅外目標(biāo)快速顯現(xiàn)要求。

圖13 PWM控制下的溫升曲線

圖14 模擬實(shí)彈破損試驗(yàn)

2.2 發(fā)熱涂層實(shí)彈破損模擬測(cè)試

為了研究發(fā)熱涂層在實(shí)彈射擊后的發(fā)熱效率，制作一塊涂層樣品（圖14），根據(jù)實(shí)彈射擊彈著點(diǎn)正態(tài)分布規(guī)律（靶板中心位置中彈率較高），在樣品中心位置（10cm×10cm區(qū)域內(nèi)）穿孔110發(fā)5.8mm槍彈后，測(cè)試其破損區(qū)域和非破損區(qū)域的溫升速率變化，如圖14所示。

圖14中的紅外照片表明，破損區(qū)域中溫度呈兩極分化，既有溫度暗點(diǎn)，也有溫度亮點(diǎn);破損區(qū)域左右兩側(cè)的扇形區(qū)域內(nèi)溫度降低。

圖14中的溫升曲線表明，加熱10s時(shí)（啟動(dòng)階段），破損區(qū)兩側(cè)發(fā)熱效率明顯降低，但仍能達(dá)到0.1℃/s，完全能滿足部隊(duì)夜間訓(xùn)練中快速顯現(xiàn)的要求。

上述測(cè)試表明，本文所研究的方案，具有多種目標(biāo)模擬簡(jiǎn)便、紅外特征明顯、發(fā)熱效率高、抗破損能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足部隊(duì)反恐夜間訓(xùn)練及實(shí)彈射擊的要求。

紅外照片和溫升曲線均采用FLIR E40熱像儀獲得，儀器誤差不在本文考慮范圍內(nèi)。

3.結(jié)論

研究一種模塊化遮擋方案，解決碳纖維電熱膜技術(shù)在反恐紅外目標(biāo)領(lǐng)域的應(yīng)用難題。并通過計(jì)算和試驗(yàn)，確定高效發(fā)熱涂層參數(shù)、高效控制電路，滿足實(shí)彈射擊訓(xùn)練中目標(biāo)快速顯現(xiàn)、抗破損性能高、使用成本低等要求。

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作者簡(jiǎn)介：

劉國(guó)富（1965—），男，高工，現(xiàn)供職于總參六十所，研究方向：電子工程。

鐘小剛（1978—），男，工程師，現(xiàn)供職于上海升廣科技有限公司，研究方向：精密機(jī)械。