王 東，趙 威，邵 銘，成 斌，王 冰，胡琥香

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固定翼飛機(jī)地面紅外輻射特征測(cè)量及分析

王 東，趙 威，邵 銘，成 斌，王 冰，胡琥香

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，光電對(duì)抗測(cè)試評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003）

固定翼飛機(jī)的紅外輻射特征研究具有重要意義。利用MODTRAN軟件計(jì)算大氣透過率和程輻射，用8～14mm長波紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)固定翼飛機(jī)進(jìn)行了紅外輻射測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，地面滑跑階段固定翼飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)身、尾翼部分輻射亮度基本接近，且各個(gè)方向輻射亮度基本一致；尾噴管附近蒙皮輻射亮度遠(yuǎn)高于機(jī)身輻射亮度；尾焰輻射亮度具有方向性，后向輻射最強(qiáng)。

紅外輻射；輻射亮度；固定翼飛機(jī)；大氣透過率；程輻射

0 引言

隨著光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)及背景紅外輻射特性已成為國內(nèi)外重要的研究方向。武器系統(tǒng)論證、研制、檢驗(yàn)等均離不開對(duì)目標(biāo)及背景紅外輻射亮度、強(qiáng)度等特性的測(cè)量分析。各國針對(duì)目標(biāo)及背景紅外輻射特性均建立了不同平臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)[1-6]。

固定翼飛機(jī)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的一種重要的作戰(zhàn)利器，已成為實(shí)施攻擊及精確打擊的主要武器之一。為應(yīng)對(duì)這種威脅，利用固定翼飛機(jī)的紅外輻射導(dǎo)引地面預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施跟蹤鎖定，已成為防空領(lǐng)域的重要防御手段。因此，固定翼飛機(jī)紅外輻射特性研究已成為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，固定翼飛機(jī)紅外輻射特性的研究主要包括實(shí)測(cè)和仿真建模。實(shí)測(cè)研究可以直接獲得固定翼飛機(jī)的紅外輻射特性以及紅外熱圖，是固定翼飛機(jī)紅外輻射特性研究的重要方法。同時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可用于指導(dǎo)理論建模并對(duì)理論模型進(jìn)行校驗(yàn)。近年來，有關(guān)固定翼飛機(jī)紅外輻射特性的研究已有不少報(bào)道[7-8]。本文采用8～14mm長波紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)某型固定翼飛機(jī)地面滑跑狀態(tài)的紅外輻射特性進(jìn)行測(cè)量，得到了其不同部位，不同方向的紅外輻射亮度，給出了輻射亮度與測(cè)試方位關(guān)系圖，并對(duì)其紅外輻射特性進(jìn)行了分析。

1 測(cè)量系統(tǒng)及布局

按圖1所示布置8～14mm長波紅外測(cè)量設(shè)備和目標(biāo)機(jī)。長波紅外測(cè)量設(shè)備架設(shè)在安全距離之外，為了準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的紅外輻射特性，首先在測(cè)量前用面源黑體對(duì)長波紅外測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，目標(biāo)機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道滑跑，長波紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)目標(biāo)機(jī)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。記錄目標(biāo)的狀態(tài)信息，包括目標(biāo)的速度、目標(biāo)距離、視向角等；記錄環(huán)境參數(shù)，包括測(cè)量時(shí)間、溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等地面常規(guī)氣象參數(shù)等。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)布局

2 定標(biāo)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 定標(biāo)及結(jié)果

對(duì)長波紅外測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，用長波紅外測(cè)量設(shè)備測(cè)量不同溫度黑體的輻射亮度，得到長波紅外測(cè)量設(shè)備的輻射亮度響應(yīng)度和其自身偏移值DN0之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定標(biāo)模型如下[9-11]：

DN＝＋DN0(1)

式中：DN為長波紅外測(cè)量設(shè)備的數(shù)碼輸出值；為輻射亮度響應(yīng)度；DN0為長波紅外測(cè)量設(shè)備自身光機(jī)結(jié)構(gòu)熱輻射、散射背景輻射以及探測(cè)器暗電流引起的偏移值；為黑體在長波紅外測(cè)量設(shè)備測(cè)量波段內(nèi)的輻射亮度。

標(biāo)定結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2給出了長波紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)50℃黑體的測(cè)量結(jié)果，圖3給出了輻射定標(biāo)結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為黑體輻射亮度，W×m－2×sr－1，縱坐標(biāo)為長波紅外測(cè)量設(shè)備數(shù)碼輸出值DN。

利用最小二乘法對(duì)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到長波紅外測(cè)量設(shè)備輻射亮度響應(yīng)關(guān)系為：

DN＝1000×＋4800 (2)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)量固定翼飛機(jī)紅外輻射特性時(shí)，大氣會(huì)造成固定翼飛機(jī)輻射的衰減，同時(shí)紅外測(cè)量設(shè)備與固定翼飛機(jī)之間的大氣程輻射又會(huì)造成輻射的疊加。因此，紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)固定翼飛機(jī)的輻射測(cè)量模型為[8-9]：

DN＝?t＋path?＋DN0(3)

式中：t為固定翼飛機(jī)的輻射亮度；為固定翼飛機(jī)與紅外測(cè)量設(shè)備之間的大氣透過率；path為固定翼飛機(jī)與紅外測(cè)量設(shè)備之間的大氣程輻射亮度。其中，大氣透過率、大氣程輻射亮度path利用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件計(jì)算得到。

由式(3)可反演得到固定翼飛機(jī)輻射亮度為：

3 對(duì)固定翼飛機(jī)測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)式(4)，為獲得固定翼飛機(jī)輻射亮度，根據(jù)測(cè)試期間的大氣能見度、溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)，計(jì)算了固定翼飛機(jī)和長波紅外測(cè)量設(shè)備之間的大氣透過率和程輻射。利用長波紅外測(cè)量設(shè)備輻射定標(biāo)結(jié)果及由MODTRAN計(jì)算得到的大氣透過率、大氣程輻射亮度結(jié)果，反演得到了固定翼飛機(jī)地面滑跑狀態(tài)的輻射亮度。圖4的極坐標(biāo)圖給出了反演后固定翼飛機(jī)各部位的輻射亮度與測(cè)試方位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中角度表示測(cè)試方位與固定翼飛機(jī)機(jī)頭方向的夾角。

3.2 結(jié)果分析

1）目標(biāo)機(jī)滑跑階段速度較低，其蒙皮輻射較低，從測(cè)量結(jié)果看，機(jī)頭、機(jī)身、尾部、尾翼4部分輻射亮度基本接近，且各個(gè)方向的測(cè)量結(jié)果也基本一致，均略高于背景輻射亮度。

2）目標(biāo)機(jī)在跑道經(jīng)過一定時(shí)間的滑行，機(jī)輪部位溫度明顯升高，成為一個(gè)較強(qiáng)的輻射熱源區(qū)，其輻射亮度高于機(jī)身輻射亮度。

圖2 對(duì)50℃黑體測(cè)量圖像

圖3 標(biāo)定結(jié)果

3）從側(cè)面觀測(cè)，尾噴管附近蒙皮受到尾噴管及內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱，溫度很高，呈現(xiàn)出一片高溫度區(qū)輻射亮度，明顯高于機(jī)身及背景輻射亮度。

4）從側(cè)前方觀測(cè)，由于機(jī)身遮擋，觀測(cè)到尾焰輻射較低；從側(cè)面觀測(cè)，尾焰輻射亮度遠(yuǎn)高于機(jī)身及背景輻射亮度；從尾部觀測(cè)，尾焰輻射亮度最強(qiáng)，說明尾焰輻射具有方向性。

5）目標(biāo)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰為高溫燃?xì)?，受尾焰加熱影響，飛機(jī)尾焰周圍空氣溫度升高，輻射亮度高于其他背景輻射亮度。

4 結(jié)束語

利用8～14mm長波紅外測(cè)量設(shè)備對(duì)固定翼飛機(jī)進(jìn)行了跟蹤測(cè)量，利用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件對(duì)大氣透過率和程輻射進(jìn)行了計(jì)算，通過反演得到了固定翼飛機(jī)各部位在地面滑跑狀態(tài)的輻射亮度。經(jīng)分析，對(duì)固定翼飛機(jī)進(jìn)行偵察探測(cè)時(shí)，在迎頭方向，由于尾焰輻射受機(jī)身遮擋，對(duì)偵察探測(cè)起主要作用的是機(jī)頭、機(jī)身等部位的蒙皮輻射；在側(cè)向及尾追方向，由于尾噴管、尾焰輻射亮度較高，對(duì)偵察探測(cè)起主要作用的是尾噴管、尾焰輻射，此時(shí)偵察探測(cè)距離將大于迎頭方向的偵察探測(cè)距離。論文的測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論對(duì)目標(biāo)偵察探測(cè)、紅外偵察裝備研制及檢測(cè)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 錢昂, 何友金, 劉亮. 反艦導(dǎo)彈中波與長波紅外成像制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)對(duì)比研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(8): 671-675.

Qian Ang, He You-jin, Liu Liang. A comparative study of the advantage of infrared imaging guidance anti-ship missiles based on medium wave and long-wave[J]., 2014, 36(8): 671-675.

[2] 張孝霖. 紅外技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

Zhang Xiao-lin.[M]. Beijing: Chem- ical Industry Press, 2004.

[3] 張建奇. 紅外物理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004.

Zhang Jian-qi.[M]. Xi’an: Xidian University, 2004.

[4] 韓玉閣, 宣益民. 目標(biāo)與背景的紅外輻射特性研究及應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù), 2002, 24(4): 16-19.

Han Yu-ge, Xuan Yi-min. The Study and Application of the IR Feature of Target and Background[J]., 2002, 24(4): 16-19.

[5] 劉敬海, 孫志勇. 目標(biāo)紅外光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 1996(6): 20-27.

Liu Jing-hai, Sun Zhi-yong. Study on measurement of target infrared spectra l intensity[J]., 1996(6): 20-27.

[6] 王國強(qiáng), 吳元昊. 空間目標(biāo)紅外輻射特征的地基測(cè)量[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(9): 1634-1639.

Wang Guo-Qiang, Wu Yuan-Hao. Ground-based measurement on the infrared characteristic of space object[J]., 2011, 40(9): 1634-1639.

[7] 陳炳峰, 方亦浩, 徐曉剛. 飛機(jī)的紅外輻射特征研究[J]. 航空兵器, 2005(5): 30-32.

Chen Bing-feng, Fang Yi-hao, Xu Xiao-gang. Study on the IR radiation of aeroplane[J]., 2005(5): 30-32.

[8] 劉德成, 張國英. 飛機(jī)紅外輻射特性飛行試驗(yàn)測(cè)量[J]. 飛行試驗(yàn), 2003, 19(2): 22-26.

Liu De-Cheng, Zhang Guo-Ying. Flight test measurement of infrared radiation characteristics of an airplane[J]., 2003, 19(2): 22-26.

[9] 羅易雪, 湯心溢, 王宇, 等. 基于參考輻射源標(biāo)定的紅外成像非均勻校正技術(shù)[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(4): 281-285.

Luo Yi-xu, Tang Xin-yi, Wang Yu, et al. Non-uniformity correction technique for IR imaging based on thermoelectric reference sources[J]., 2014, 36(4): 281-285.

[10] 楊詞銀, 張建萍, 郭立紅, 等. 基于大氣修正的目標(biāo)紅外輻射測(cè)量[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010(4): 1-4.

Yang Ci-yin, Zhang Jian-ping, Guo Li-hong, et al. Infrared signature measurement of targets based on atmospheric correction[J]., 2010(4): 1-4.

[11] 魏合理, 陳秀紅, 詹杰, 等. 紅外輻射測(cè)量的大氣修正[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 2(6): 472-478.

Wei He-li, Chen Xiu-hong, Zhan Jie, et al. Atmospheric correction in the measurement of infrared radiance[J]., 2007, 2(6): 472-478.

IR Radiation Measurement and Analysis of Land Airplane

WANG Dong，ZHAO Wei，SHAO Ming，CHENG Bin，WANG Bing，Hu Hu-xiang

（，，471003，）

The study on the IR radiation of fixed-wing airplane is important for military affairs. Based on atmospheric parameters，the atmospheric transmittance and the air path radiation were calculated by using the MODTRAN software. A long wave infrared measure equipment was used to perform infrared signature measurement experiment on a fixed-wing airplane. The results showed that the radiant intensity of caput、airframe、empennage were similar, and accord at different angle, and the radiant intensity of nozzle skin was higher than the radiant intensity of airframe; The radiant intensity of exhaust gases was marked differences at different angle, at the angle of back attaining maximum.

IR radiation，radiant intensity，wing airplane，atmospheric transmittance，air path radiation

TN219

A

1001-8891(2015)06-0519-04

2014-12-03；

2014-12-21.

王東（1978-），男，內(nèi)蒙古磴口人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail：wd.hardman@163.com。