任成才，李佩軍，陳振興，秦少剛，侯習(xí)平

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紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用

任成才，李佩軍，陳振興，秦少剛，侯習(xí)平

（白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001）

紅外熱像儀在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，為解決其對(duì)多類型目標(biāo)及不同目標(biāo)與背景環(huán)境之間溫差條件下探測(cè)距離的科學(xué)評(píng)定難題，論證了紅外標(biāo)準(zhǔn)仿真靶標(biāo)系統(tǒng)，并成功研制和應(yīng)用。系統(tǒng)具有模擬目標(biāo)種類多、靶元分辨率高、溫差控制精度高和系統(tǒng)架設(shè)傾角可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)；仿真系統(tǒng)；多類型目標(biāo)；熱單元靶

0 引言

對(duì)紅外熱像儀的探測(cè)距離考核時(shí)，由于受到觀察目標(biāo)種類少和目標(biāo)與環(huán)境背景之間溫差不能精確控制等條件限制，對(duì)探測(cè)距離的評(píng)定會(huì)出現(xiàn)不同程度偏差，為解決該問(wèn)題，需要對(duì)紅外熱像儀所觀察的各類目標(biāo)進(jìn)行模擬仿真，并能夠?qū)δ繕?biāo)與環(huán)境背景之間不同溫差進(jìn)行精確控制等問(wèn)題進(jìn)行研究，因此論證了紅外標(biāo)準(zhǔn)仿真靶標(biāo)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上成功研制。該系統(tǒng)由多個(gè)可控?zé)釂卧小⒈尘皢卧?、控制系統(tǒng)和其他輔助設(shè)施組成，可模擬生成多種類型目標(biāo)，滿足測(cè)量紅外熱像儀的MDTD、MRTD、視距[1]等參數(shù)的試驗(yàn)需要；另外，因反射率低，滿足制導(dǎo)武器系統(tǒng)試驗(yàn)需要，也可用于目標(biāo)指示器的照射偏差角試驗(yàn)；又因具有普通靶標(biāo)特性，還能用于其他軍用觀瞄裝備的測(cè)距范圍、測(cè)距精度、作用距離等指標(biāo)的試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成及使用流程設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

仿真系統(tǒng)主要由目標(biāo)模擬系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和方艙組成。目標(biāo)模擬系統(tǒng)由288塊可控?zé)釂卧校?.5m×0.5m）和672塊背景單元靶組成，兩者具有相同的紅外輻射特性。仿真系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)需要生成0.5m×0.5m～3.0m×6.0m不同尺寸、不同溫差（1～10K，精度0.5K）、不同形狀的模擬目標(biāo)；綜合控制系統(tǒng)由溫控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)組成，是整個(gè)模擬靶標(biāo)系統(tǒng)的核心，可根據(jù)試驗(yàn)要求，將接收的含有目標(biāo)與背景紅外輻射特性數(shù)據(jù)的二維灰度圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)熱靶靶元體上的電熱器的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)紅外熱圖模擬；溫度測(cè)量系統(tǒng)由紅外熱像儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)上產(chǎn)生的紅外目標(biāo)和背景的紅外輻射溫度，并可根據(jù)需要傳送給綜合控制系統(tǒng)?系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖1。

1.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程分為安裝與初始化、無(wú)線通訊[2]與靶元控制定位、目標(biāo)控制輸出、停止控制4個(gè)環(huán)節(jié)?安裝與初始化階段主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電輸入、溫度控制器和首位靶元的定位輸入、環(huán)境溫度與時(shí)標(biāo)校正等參數(shù)初始化；無(wú)線通訊與靶元控制定位主要是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)靶元位置坐標(biāo)的智能化識(shí)別，確定各靶元排列位置；目標(biāo)控制輸出主要是輸出需要的紅外熱圖，它可手動(dòng)生成，也可由數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入；停止控制主要是控制全系統(tǒng)停止工作?具體系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖2。

圖1 紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)仿真系統(tǒng)組成原理

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)處理生成模擬的紅外目標(biāo)圖像，并根據(jù)圖像將單元靶對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)傳入由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與溫度控制器組成的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)，以閉環(huán)控制的方式完成對(duì)單元靶的溫度控制，并實(shí)時(shí)將溫度控制結(jié)果回傳給計(jì)算機(jī)。溫度控制器是主要的溫控執(zhí)行器件，安裝在熱單元靶元內(nèi)，工作時(shí)，溫度控制器通過(guò)對(duì)溫度的采樣，實(shí)時(shí)采集單元靶表面的溫度，再通過(guò)相應(yīng)軟件控制產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，控制電熱絲的實(shí)時(shí)輸出功率，從而達(dá)到溫度控制目的。靶標(biāo)溫控電路原理示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 靶標(biāo)溫控電路原理

3 熱單元靶設(shè)計(jì)

紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)仿真系統(tǒng)在野外露天環(huán)境下使用，因使用地區(qū)具有冬季寒冷、夏季炎熱的特點(diǎn)，對(duì)熱單元靶提出了苛刻要求，在溫度控制方面要求精度高；在與環(huán)境熱能交換方面要求少。熱單元靶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮：內(nèi)部導(dǎo)熱材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，確保大靶靶面溫度具有較高的一致性；同時(shí)為保證大靶靶面溫度穩(wěn)定性，要求導(dǎo)熱部分的熱單元靶熱容量足夠大?

3.1 熱單元靶的熱交換模型

紅外標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)仿真系統(tǒng)主要工能，就是使各熱單元靶表面溫度達(dá)到目標(biāo)值，并在目標(biāo)值狀態(tài)下保持熱平衡，這個(gè)過(guò)程是基于系統(tǒng)與外界環(huán)境的熱交換、自身熱能量補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行的，也就是任一工作時(shí)刻，每個(gè)熱單元靶熱能量的輸入功率與靶元外環(huán)境耗散的輸出功率相等。

假定熱單元靶的輸入熱能為I，熱單元靶輸出到機(jī)械結(jié)構(gòu)體上的傳導(dǎo)熱能為c，熱單元靶耗散的對(duì)流熱能為f，熱單元靶的輻射熱能為e，熱單元靶吸收外界環(huán)境的輻射熱能為a，D為一段時(shí)間內(nèi)熱單元靶本身吸收的熱能。根據(jù)能量守恒定律：

I－c－f－(e－a)＝D(1)

熱單元靶升溫時(shí)要求D＞0，熱穩(wěn)定平衡時(shí)要求D＝0。將(1)式寫(xiě)成瞬態(tài)微分方程：

I￠－c￠－f￠－(e￠－a￠)＝￠(2)

1）傳導(dǎo)熱能c

給熱單元靶通電加熱時(shí)，大部分熱能以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給機(jī)械結(jié)構(gòu)體，同時(shí)有小部分熱能在隔熱材料中損耗。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，有效傳導(dǎo)作用距離為在單位時(shí)間內(nèi)所傳導(dǎo)的能量為：

式中：為導(dǎo)熱系數(shù)；為導(dǎo)熱時(shí)間；為熱單元靶與機(jī)械結(jié)構(gòu)體框架的接觸面積；為有效的傳導(dǎo)作用距離；u為熱單元靶溫度；m機(jī)械結(jié)構(gòu)體框架溫度。

2）對(duì)流熱能f

自然對(duì)流空間內(nèi)，豎直放置的熱單元靶表面的呈現(xiàn)層流換熱狀態(tài)。對(duì)流換熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)固體表面向流體放熱的熱量可以表示為：

式中：為傳熱面積；u是物體的表面溫度；e是流體溫度；為對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：

3）輻射輸出熱能e：

式中：為熱單元靶面積；()為熱單元靶發(fā)射率；后項(xiàng)為普朗克黑體輻射方程。

4）輻射吸收熱能a

a為環(huán)境輻射熱能，對(duì)于熱單元靶吸收的環(huán)境輻射熱能，需要通過(guò)實(shí)測(cè)，最終通過(guò)比較分析確定。

3.2 熱單元靶導(dǎo)熱特性及材料選擇

為保證目標(biāo)與背景之間具有滿足試驗(yàn)要求的溫度差，熱單元靶必須具有升溫或降溫功能，考慮到研制成本，本系統(tǒng)采用升溫方式制造溫差，熱能由內(nèi)部熱靶單元的電路中的電熱絲產(chǎn)生，假設(shè)熱能通過(guò)熱傳導(dǎo)層到熱單元靶表面時(shí)熱能為，熱傳導(dǎo)層與電熱絲的熱流密度[3]關(guān)系：

式中：D1為電熱絲面和熱單元靶面間的溫度差值；1為熱傳導(dǎo)層的設(shè)計(jì)厚度?

熱單元靶面的熱流量：

熱傳導(dǎo)層的時(shí)間響應(yīng)1：

1＝/(9)

若(9)式成立，則電熱絲在1時(shí)間最終輸出熱能I＞，情況相反，所以需要電熱絲補(bǔ)充能量，所需時(shí)間2：

2＝/(10)

式中：為消耗功率。由(9)、(10)式得到，要保證熱單元溫度穩(wěn)定，則希望1、2越小越好，因此，應(yīng)該選用具有高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料、同時(shí)，對(duì)電熱絲的功率、材料、耐熱性也有較高要求?

熱傳導(dǎo)層厚度與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)有關(guān)，厚度時(shí)選取應(yīng)充分考慮系?設(shè)計(jì)的熱單元面積為25.0cm×25.0cm。在熱單元靶穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，依據(jù)比熱容公式(4)：

式中：比為熱傳導(dǎo)層的比熱容；為熱傳導(dǎo)層的密度；為熱傳導(dǎo)層的質(zhì)量。

(11)式改寫(xiě)：

＝比××××D(12)

(12)式左右兩邊微分得：

將(12)和(13)式聯(lián)立：

(14)式左右兩邊取積分得：

其中，可以看作是控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性，即上式可表示成：

比××2＝×(16)

初步選定銅、鐵、鋁3種材料作為導(dǎo)熱層所選材料，將三者物理特性進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

將表1中導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等參數(shù)代入(16)式，得到在一定溫度下，銅、鐵、鋁的時(shí)間響應(yīng)特性和導(dǎo)熱體厚度之間關(guān)系圖，如圖4。

圖4 導(dǎo)熱體厚度與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

由圖4可以看出，相同體積時(shí)，銅、鋁的導(dǎo)熱特性較接近，大大優(yōu)于鐵。由于鋁價(jià)格比銅低，因此，確定鋁作為靶元的導(dǎo)熱材料，同時(shí)考慮溫度控制響應(yīng)速度，材料熱導(dǎo)的時(shí)延越小越好，時(shí)延選在10ms時(shí)，鋁板的厚度約為2mm?設(shè)計(jì)的熱靶單元結(jié)構(gòu)示意如圖5。

3.3 熱單元靶表面涂層及加工

表面涂層材料選擇主要與兩個(gè)因素有關(guān)，一是需要涂層材料有較高發(fā)射率[4]；二是保證對(duì)1.064mm激光的漫反射系數(shù)為0.2～0.3。選擇表面涂層時(shí)主要考慮：一是溫度與發(fā)射率[5]之間關(guān)系；二是填充材料與發(fā)射率之間的關(guān)系，即材料種類、復(fù)合程度、顆粒大小對(duì)發(fā)射率的影響特性。加工單元靶時(shí)，在電熱絲與輻射板中間填充熱硅脂，保證靶面熱輸出的均勻性?通過(guò)對(duì)仿真系統(tǒng)的單元靶的表面涂層及熱硅脂的高溫＋80℃、低溫－40℃的48h實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)單元靶性能穩(wěn)定，各單元靶之間無(wú)明顯熱影響，滿足使用要求。

表1 銅、鋁、鐵導(dǎo)熱體材料的物理特性

4 應(yīng)用舉例

根據(jù)某型紅外熱像儀的識(shí)別距離考核項(xiàng)目的試驗(yàn)需要，在夏季夜晚系統(tǒng)模擬坦克側(cè)面、正面目標(biāo)，坦克目標(biāo)與背景之間的溫度差為4K時(shí)。并用紅外熱像儀[6]對(duì)模擬目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，系統(tǒng)所模擬生成的目標(biāo)圖像見(jiàn)圖6(a)、(b)；在白天模擬坦克、卡車側(cè)面目標(biāo)，目標(biāo)與背景之間的溫度差為2K時(shí)。并用紅外熱像儀對(duì)模擬目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，系統(tǒng)模擬生成的目標(biāo)圖像見(jiàn)圖6(c)、(d)。

5 結(jié)論

仿真系統(tǒng)安置在地勢(shì)較高的開(kāi)闊平原地帶，可滿足今后一段時(shí)間內(nèi)常規(guī)武器裝備的新一代紅外系統(tǒng)的探測(cè)與識(shí)別距離[7]（最遠(yuǎn)16km）的試驗(yàn)需要；仿真系統(tǒng)的溫度高、范圍廣，控制范圍1～10K，控制精度0.5K，可以滿足某些紅外系統(tǒng)目標(biāo)與背景之間小溫差（D≤2K）的考核需要；仿真系統(tǒng)靶面材料對(duì)1.06mm激光漫反射系數(shù)0.2～0.3，可以作為評(píng)定激光目標(biāo)指示器的激光照射精度的標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)。

圖5 靶元結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 系統(tǒng)在夜晚、白天模擬不同目標(biāo)紅外熱圖

[1] 張幼文. 紅外光學(xué)工程[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社.

[2] 蘇建志. 指揮自動(dòng)化系統(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1999: 36-100.

[3] 鄭魏婧. 大型紅外靶板熱輻射控制系統(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2009.

[4] 程顯東. 紅外目標(biāo)模擬靶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2010.

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Standard Target Simulation System for Infrared Thermal Imager

REN Cheng-cai，LI Pei-jun，CHEN Zhen-xing，QIN Shao-gang，HOU Xi-ping

（,137001,）

Infrared thermal imagers are widely applied in military field. To solve the problem of the scientific assessment on the temperature difference between different types of target or between target and its background environment, the simulation system for standard infrared target is discussed and manufactured. The system can simulate multi-type targets with the characteristics of point target or area target, and it also can satisfy the test demand of the irradiating precision under the way of infrared observation. Our system has many advantages, such as high resolution of target cell, wide range of simulated temperature difference, high precision of temperature control, and flexible obliquity set of targets.

infrared standard target，simulation system，multi-type targets，hot target cell

TN216

A

1001-8891(2015)07-0593-05

2013-08-08；

2015-03-18。

任成才（1974-），男，碩士研究生，主要從事光電裝備試驗(yàn)科研工作。

國(guó)防基金項(xiàng)目。