余慧娟，王麗偉，劉相新，韋學(xué)中

車輛紅外特征控制系統(tǒng)研究

余慧娟，王麗偉，劉相新，韋學(xué)中

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

地面軍事車輛有諸多熱源，在行駛過程中，車體與不斷變化的地物背景熱慣量差異懸殊，使得車輛與地物背景紅外特征存在較大差異，易被紅外成像偵察設(shè)備和制導(dǎo)武器識別和跟蹤。文中提出了通過紅外特征隱身、特征示假和特征變化來破壞紅外成像探測，并研究了基于相變溫控裝置、低發(fā)射率光子晶體裝置、熱源疏導(dǎo)與隔熱裝置、動態(tài)電致變溫裝置和應(yīng)急紅外對抗裝置組成的車輛紅外特征控制系統(tǒng)，經(jīng)樣件試驗驗證了應(yīng)用效果明顯。

紅外特征控制；紅外對抗；紅外特征；隱身；相變溫控

0 引言

當(dāng)前，紅外成像偵察系統(tǒng)作用距離長、探測視場廣、分辨率高，對地面靜止和行駛中的目標(biāo)反偵察構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]；紅外成像制導(dǎo)武器具有制導(dǎo)范圍廣、命中精度高、抗干擾能力強和準(zhǔn)全天候工作能力，能夠在復(fù)雜地物背景中準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)[2]。目標(biāo)紅外特征是紅外成像偵察系統(tǒng)和制導(dǎo)武器進行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、識別、鎖定和跟蹤的主要信息源[3]，有效控制目標(biāo)紅外特征是規(guī)避紅外成像探測的關(guān)鍵[4-5]。本文以地面軍事車輛（導(dǎo)彈發(fā)射車、裝甲車和坦克等，以下簡稱車輛）為研究對象，系統(tǒng)研究車輛紅外特征控制的需求、原理、技術(shù)途徑和系統(tǒng)方案，解決車輛難隱蔽和易損性等問題。

1 車輛紅外特征控制需求

車輛行駛性能較好地滿足了機動作戰(zhàn)的需要，但不同地物背景具有較大差異性，使得車輛紅外特征控制需求差異大，具體表現(xiàn)在：

1）車輛長時間行駛后車載發(fā)動機、車載電源、排氣管等熱源產(chǎn)生大量熱量，各熱源點附近結(jié)構(gòu)表面升溫產(chǎn)生強的紅外輻射，與地物背景（瀝青路面、林地等）形成顯著的紅外輻射對比度，易成為紅外成像探測的重要判據(jù)。

2）車輛外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣且熱慣量差異懸殊，導(dǎo)致車輛各部位表面溫度的變化速率不一致；且車輛材料與地物背景的熱慣性不同，造成一天之內(nèi)不同時間段車輛與地物背景輻射溫度不一致，車輛與地物背景紅外特征存在差異。

3）車輛行駛過程中地物背景時刻變化，傳統(tǒng)針對特定環(huán)境和地物背景的車輛靜態(tài)偽裝材料或器材無法根據(jù)地物背景自適應(yīng)變化，經(jīng)過紅外偽裝隱身設(shè)計的車輛在某時刻或某地域反而成為新的顯著性紅外暴露特征。

車輛紅外特征控制是通過抑制、模擬或改變目標(biāo)在紅外波段上的輻射強度，減弱車輛與地物背景紅外輻射對比度，隱蔽車輛紅外暴露顯著性，變化車輛紅外圖像特征信號，降低車輛被紅外成像探測概率。

2 紅外特征控制原理

紅外成像偵察和制導(dǎo)的作用過程大致分為3個階段：目標(biāo)探測和發(fā)現(xiàn)——識別和認(rèn)清——跟蹤和定位[6]。目標(biāo)和地物背景的紅外特征經(jīng)過大氣傳輸媒介后到達成像探測系統(tǒng)；紅外成像系統(tǒng)的攝像頭攝取目標(biāo)和地物背景的紅外圖像并進行預(yù)處理，得到數(shù)字化圖像，經(jīng)圖像處理和圖像識別，區(qū)分出目標(biāo)、地物背景信息，識別出要攻擊目標(biāo)并抑制噪聲信號；跟蹤處理器形成的跟蹤窗口的中心按預(yù)定的跟蹤方式跟蹤目標(biāo)圖像，并把誤差信號送到攝像頭跟蹤系統(tǒng)，控制紅外攝像頭繼續(xù)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，同時向?qū)椀目刂葡到y(tǒng)發(fā)出導(dǎo)引指令信息，控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)，使導(dǎo)彈飛向選定的目標(biāo)。因此，可通過上述作用過程的薄弱環(huán)節(jié)對抗紅外成像偵察和制導(dǎo)，即紅外特征控制原理如下：

1）紅外特征隱身

在紅外成像系統(tǒng)探測和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)階段，通過控制目標(biāo)紅外輻射強度的下降，使得敵方紅外成像傳感器接收到的目標(biāo)特征強度不夠，圖像信號的信噪比降低，難以在地物背景中檢測目標(biāo)；

紅外特征隱身是通過消除和降低目標(biāo)與地物背景的紅外輻射強度對比度，使其低于紅外成像檢測閾值，從而實現(xiàn)目標(biāo)圖像融合于地物背景雜波之中難以被檢測。

2）紅外特征示假

在紅外成像系統(tǒng)識別和認(rèn)清目標(biāo)階段，通過控制目標(biāo)紅外特征的示假，使得目標(biāo)紅外成像圖像信號與其它目標(biāo)具有相似特征，干擾紅外成像系統(tǒng)對某類目標(biāo)的正確選擇；

紅外特征示假是通過總體特征模擬、局部特征隱身或細(xì)節(jié)特征增強，使得其它假目標(biāo)或軍事價值不高的目標(biāo)紅外特征與真目標(biāo)特征相似，從而干擾敵方對目標(biāo)正確選擇和執(zhí)行任務(wù)。

3）紅外特征變換

在紅外成像系統(tǒng)跟蹤和定位目標(biāo)階段，控制目標(biāo)紅外特征的變化，使得目標(biāo)紅外圖像瞬時發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致敵方跟蹤和定位點發(fā)生較大的偏差，破壞穩(wěn)定跟蹤和攻擊；

紅外特征變換是通過主動控制和改變目標(biāo)紅外特征分布，實現(xiàn)目標(biāo)特征的兩種或多種應(yīng)急變化或根據(jù)需要不斷變換，從而達到破壞紅外成像系統(tǒng)精確識別和跟蹤定位。

3 車輛紅外特征控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 總體思路

車輛外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度分布不均，因此需要依據(jù)車輛結(jié)構(gòu)特點和使用工況進行紅外特征控制系統(tǒng)的研究。據(jù)調(diào)查和測試，車輛典型結(jié)構(gòu)的紅外特征分布主要有以下幾類：

1）表面紅外特征完全受太陽輻射影響的車輛結(jié)構(gòu)，主要包括鋼質(zhì)材料的駕駛室、儀器艙、頂甲、前甲等，簡稱為Ⅰ類結(jié)構(gòu)；

2）表面大量散熱引起的顯著紅外暴露特征的車輛結(jié)構(gòu)，主要包括暴露在外的排煙管、輪胎、水箱等，簡稱為Ⅱ類結(jié)構(gòu)；

3）表面紅外特征受封閉空間內(nèi)部熱流傳導(dǎo)影響的車輛結(jié)構(gòu)，主要包括車載電源艙、空調(diào)艙等，簡稱為Ⅲ類結(jié)構(gòu)；

4）表面紅外特征單一需要進行紅外特征多樣變化的車輛結(jié)構(gòu)，主要包括彈艙、炮筒、駕駛室、艙體等車輛頂面隨機結(jié)構(gòu)，簡稱為Ⅳ類結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)紅外特征控制方法包括偽裝涂料、降溫、遮障等，基本上均是針對特定環(huán)境條件精心設(shè)計的，普遍存在偽裝靜態(tài)化、環(huán)境適應(yīng)性差等問題。因此需要依據(jù)上述車輛結(jié)構(gòu)控制要求，在傳統(tǒng)控制方法基礎(chǔ)上，延伸和開展新型動態(tài)紅外控制方法和系統(tǒng)研究，根據(jù)各類方法的使用特點確定適用于車輛部位和場合，以達到各類方法相輔相成，組合使用效果最佳，共同形成車輛紅外特征控制系統(tǒng)，并從理論分析和樣機試驗中初步探索系統(tǒng)應(yīng)用效果。

3.2 Ⅰ類結(jié)構(gòu)紅外特征控制系統(tǒng)方案

車輛Ⅰ類結(jié)構(gòu)與地物背景熱慣量差異造成的目標(biāo)白天溫度高于地物背景，而夜晚溫度低于地物背景，需要實現(xiàn)Ⅰ類結(jié)構(gòu)與地物背景在一個自然天內(nèi)或不同季節(jié)時間段內(nèi)與地物背景紅外特征融合，由此設(shè)計了相變溫控裝置（PCTCD）解決該問題，屬于紅外特征隱身技術(shù)領(lǐng)域。

PCTCD利用相變材料在發(fā)生相變時，溫度近似不變，卻可以吸收和放出大量的相變潛熱的機理[7]，因此白天通過相變材料吸收熱量來降低車輛表面溫度，在晚上通過相變材料釋放熱量來保持車輛溫度，從而控制和平衡車輛目標(biāo)表面與地物背景晝夜溫差。

PCTCD具體應(yīng)用于Ⅰ類結(jié)構(gòu)時，需要在分析目標(biāo)與地物背景輻射溫差的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的相變潛熱、導(dǎo)熱系統(tǒng)和相變溫度進行優(yōu)化匹配設(shè)計，其中相變材料的相變溫度區(qū)間選擇尤為關(guān)鍵，其上限應(yīng)與地物背景溫度的最高值接近，而相變區(qū)間的下限不應(yīng)低于地物背景溫度的最低值。圖1為PCTCD應(yīng)用試驗效果示意圖，結(jié)果表明，目標(biāo)表面輻射溫度與地物背景具有較好融合性。

相變材料設(shè)計形式多種多樣，包括涂覆型、膠囊型、容器封裝型等，PCTCD具體應(yīng)用于車輛Ⅰ類結(jié)構(gòu)為容器封裝型，具有良好穩(wěn)定性、便于結(jié)構(gòu)封裝、導(dǎo)熱性優(yōu)良、易于移動操作等優(yōu)點。

圖1 PCTCD調(diào)溫效果圖

3.3 Ⅱ類結(jié)構(gòu)紅外特征控制系統(tǒng)方案

車輛Ⅱ類結(jié)構(gòu)在長時間行駛后產(chǎn)生大量熱量引起目標(biāo)表面迅速升溫，使之成為車輛上典型高溫輻射熱源，無法通過單純的降溫消除紅外暴露特征，需要抑制Ⅱ類結(jié)構(gòu)在紅外大氣窗口（3～5mm和8～14mm）的紅外輻射強度，由此設(shè)計了低發(fā)射率光子晶體裝置（LEPCD）解決解決該問題，屬于紅外特征隱身技術(shù)領(lǐng)域。

LEPCD由兩種或兩種以上不同介電常數(shù)的材料呈周期性重復(fù)排列，排列周期為光波波長數(shù)量級，具有光子能帶和光子帶隙，可以抑制光波在其中傳播，從而降低目標(biāo)在紅外波段的輻射[8]。光子晶體系統(tǒng)在未明顯改變目標(biāo)表面實際溫度的基礎(chǔ)上大幅度降低目標(biāo)表面紅外輻射強度，使得目標(biāo)與地物背景紅外輻射對比度下降。

LEPCD具體應(yīng)用于Ⅱ類結(jié)構(gòu)時，需要在分析目標(biāo)與地物背景輻射溫差的基礎(chǔ)上，得到目標(biāo)表面發(fā)射率指標(biāo)要求，對系統(tǒng)中光子晶體的帶隙與晶格結(jié)構(gòu)、晶格尺寸、填充率和組成材料的折射率比等進行優(yōu)化匹配設(shè)計。圖2為LEPCD應(yīng)用試驗效果示意圖，結(jié)果表明，目標(biāo)表面紅外輻射強度得到明顯抑制。

光子晶體制備方法為真空熱蒸鍍，LEPCD具體應(yīng)用于車輛Ⅱ類結(jié)構(gòu)為粘貼于目標(biāo)外表面的薄膜材料，應(yīng)用過程中需要重點解決系統(tǒng)表面清潔問題，否則將影響低發(fā)射率性能的發(fā)揮。

圖2 LEPCD抑制紅外輻射強度效果圖

3.4 Ⅲ類結(jié)構(gòu)紅外特征控制系統(tǒng)方案

車輛Ⅲ類結(jié)構(gòu)具有功率大、散熱量高和封閉空間等特點，結(jié)構(gòu)表面常設(shè)計有柵格排導(dǎo)熱量，受其影響周圍結(jié)構(gòu)表面輻射溫度高于地物背景，柵格排熱結(jié)構(gòu)無法應(yīng)用LEPCD，由此設(shè)計了熱源疏導(dǎo)與隔熱裝置（HEID）解決該問題，屬于紅外特征隱身技術(shù)領(lǐng)域。

HEID具體應(yīng)用于Ⅲ類結(jié)構(gòu)時，需要在保持車輛艙體功能、位置和整體框架結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，通過速度場、壓力場和溫度場的優(yōu)化設(shè)計，艙內(nèi)氣流的分區(qū)域、分層次的有效組織，促進艙內(nèi)熱量的有效排導(dǎo)；同時利用多層隔熱材料（聚酯薄膜鍍金屬薄層、玻璃纖維等）的許多高反射率的屏面的層層反射，對輻射熱流造成很高的熱阻，從而阻隔大量的熱傳至車體表面，全面降低艙體紅外特征信號。圖3為HEID應(yīng)用試驗效果示意圖，結(jié)果表明，裝置能夠有效抑制內(nèi)部熱量向結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鲗?dǎo)，從而初步抑制目標(biāo)紅外輻射強度。

HEID應(yīng)用于車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要與其它功能結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計，同時更要結(jié)合PCTCD的應(yīng)用，來實現(xiàn)目標(biāo)與地物背景的紅外特征融合。

3.5 Ⅳ類結(jié)構(gòu)紅外特征控制系統(tǒng)方案

車輛Ⅳ類結(jié)構(gòu)在紅外圖像中占據(jù)較大面積，且紅外特征單一，無法根據(jù)應(yīng)急需要瞬時調(diào)整目標(biāo)紅外圖像特征，需要實現(xiàn)Ⅳ類結(jié)構(gòu)表面的溫度瞬時變換，由此設(shè)計了動態(tài)電致變溫裝置（DEVTD）解決該問題，屬于紅外特征變換技術(shù)領(lǐng)域。

圖3 HEID控制熱量效果圖

DEVTD利用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)[9]，通過向兩種不同導(dǎo)體（N型元件和P型元件）組成的環(huán)路通以直流電流時，在接點處會出現(xiàn)放熱（目標(biāo)表面溫度升高）和吸熱（目標(biāo)表面溫度降低）現(xiàn)象，放熱和吸熱工況取決于工作電流方向，而溫度變化幅值則取決于通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定。

DEVTD具體應(yīng)用于Ⅳ類結(jié)構(gòu)時，由威脅告警模塊、目標(biāo)和地物背景輻射溫度動態(tài)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、半導(dǎo)體調(diào)溫模塊組成。通過動態(tài)獲取威脅告警信息和溫度調(diào)節(jié)信息，并將獲取的信息傳送給數(shù)據(jù)處理與控制模塊，其按照一定的控制策略驅(qū)動半導(dǎo)體調(diào)溫模塊調(diào)節(jié)目標(biāo)表面溫度高低，目前可在Ⅳ類結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)溫度上升溫20℃、降溫10℃。圖4為DEVTD應(yīng)用試驗效果示意圖，結(jié)果表明，目標(biāo)表面輻射溫度可按一定策略任意調(diào)高調(diào)低，甚至與地物背景紅外特征融合。

DEVTD作為獨立器件直接組裝于車輛Ⅳ類結(jié)構(gòu)表面，可根據(jù)需要進行拆裝，具有連續(xù)工作時可靠性高、調(diào)節(jié)相應(yīng)時間短、結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。應(yīng)用該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表面無需再次設(shè)計PCTCD，僅需啟動目標(biāo)和地物背景輻射溫度動態(tài)采集模塊，動態(tài)獲取目標(biāo)表面和地物背景輻射溫度差值并驅(qū)動半導(dǎo)體調(diào)溫模塊加熱或制冷，直至目標(biāo)表面和地物背景輻射溫度相同即可。

圖4 DEVTD變溫效果圖

3.6 整車外加式紅外特征控制系統(tǒng)方案

為實現(xiàn)車輛能夠根據(jù)來襲威脅預(yù)警信息或?qū)嶋H作戰(zhàn)需要迅速從一種紅外特征狀態(tài)變換到另外一種或幾種紅外特征狀態(tài)，從而造成紅外圖像信號發(fā)射較大變化影響敵方繼續(xù)跟蹤，由此設(shè)計了整車外加式的應(yīng)急紅外對抗裝置（EICD）解決該問題，屬于紅外特征變換技術(shù)領(lǐng)域。

EICD由偽裝遮障釋放裝置和煙幕釋放裝置組成。偽裝遮障釋放裝置由具有紅外圖像分割效果的多塊復(fù)合材料“布料”組成，平時以卷曲的形式由頂端磁石固定于車體，啟動后車體側(cè)面遮障利用重力作用直接展開，偽裝遮障下端安裝磁石，可以使其展開后固定在車體側(cè)面，在幾秒鐘之內(nèi)完全遮蔽目標(biāo)，應(yīng)用效果示意圖如圖5所示。煙幕釋放裝置由具有的紅外衰減特性的固體紅外干擾粉末煙劑組成，通過發(fā)射器瞬時在車輛外形成大面積的中/遠紅外遮蔽煙幕，大幅度改變目標(biāo)紅外特征，應(yīng)用效果示意圖如圖6所示。

EICD方案適用于車輛外部，作為單獨器件與車輛功能結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計。其中煙幕釋放裝置的應(yīng)用效果首先與車輛行駛風(fēng)速或者自然環(huán)境風(fēng)速影響。

圖5 偽裝遮障釋放裝置應(yīng)用效果示意圖

圖6 煙幕釋放裝置應(yīng)用效果示意圖

4 結(jié)論

從紅外成像探測過程中的薄弱環(huán)節(jié)及目標(biāo)紅外特征控制的原理來說，文中提出的基于紅外特征隱身、特征示假和特征變化的設(shè)計思想具有很強的指導(dǎo)意義，較好地解決了傳統(tǒng)靜態(tài)偽裝材料和器材無法根據(jù)地物背景自適應(yīng)或應(yīng)急變化車輛紅外特征的問題，將能有效對抗紅外成像偵察系統(tǒng)和制導(dǎo)武器。從車輛紅外特征控制效果上看，根據(jù)車體紅外暴露特征分布及各技術(shù)方案特點設(shè)計完成的車輛紅外特征控制系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值，區(qū)別于以往研究論文重點闡述技術(shù)原理和特點，從系統(tǒng)工程角度論證并形成了基于車輛的系統(tǒng)方案。結(jié)合具體目標(biāo)實際工況和應(yīng)用特點，該系統(tǒng)方案還可應(yīng)用于其它地面固定和機動軍事裝備中，能極大提高裝備反紅外成像探測的能力。

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Research on Infrared Signature Control System for Vehicle

YU Hui-juan，WANG Li-wei，LIU Xiang-xin，WEI Xue-zhong

(,100076,)

By reason of the surface high temperature and thermal inertia disparity between the vehicle body and the ground background in the process of maneuvering of military ground vehicle, the infrared signature of vehicle couldn't blend with the ground background, and is easily identified and tracked by infrared imaging reconnaissance equipment and guided weapons. The vehicle infrared signature control technology including infrared signature stealth, infrared signature decoy and infrared signature change to disrupt and damage the infrared imaging detection was presented. The vehicle infrared signature control system based on the phase change temperature control device (PCTCD), low emissivity photonic crystal device (LEPCD), heat exhaust and insulation device (HEID), dynamic electrochromic variable temperature device (DEVTD) and emergency infrared countermeasure device (EICD) was study. The prototype experimental results show that the system application effect is obvious.

infrared signature control，infrared warfare，infrared signature，stealth，phase change temperature control

TN219

A

1001-8891(2015)07-0608-05

2015-03-31；

2015-06-09。

余慧娟（1985-），女，江西人，工程師，碩士，主要從事目標(biāo)特性研究。E-mail：yuhuijuan15@163.com。