楊 旭, 趙 泉, 潘枝峰, 潘旭輝

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)探測距離地面測量與評估方法

楊 旭, 趙 泉, 潘枝峰, 潘旭輝

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(IRST)是一種光電成像探測設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)載平臺。介紹了一種適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)評估IRST目標(biāo)探測距離指標(biāo)的工程實(shí)踐方法：將考核條件轉(zhuǎn)換為目標(biāo)輻射照度，利用靈敏度測量系統(tǒng)精確模擬目標(biāo)輻射出射度，將IRST探測距離的評估有效轉(zhuǎn)換為目標(biāo)探測靈敏度的測量。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對多款I(lǐng)RST產(chǎn)品在相同條件下完成測量，通過類比分析完成了目標(biāo)探測距離的評估，試驗(yàn)方法簡便又高效。

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)； 輻射照度； 靈敏度； 測量系統(tǒng)； 類比分析； 探測距離

0 引言

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(IRST)采用被動(dòng)探測方式工作,具有角精度高、搜索視距遠(yuǎn)、可全天候工作和隱蔽性好等特點(diǎn)。由于IRST實(shí)施大范圍區(qū)域搜索探查時(shí)搜索速度快、探測靈敏度高[1-2]，能夠勝任對海上、空中及水面等目標(biāo)的警戒任務(wù),是雷達(dá)理想的輔助和替代設(shè)備，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)載平臺[3-5]。

目前，IRST探測距離可達(dá)近百公里，在交付用戶前多試裝于應(yīng)用平臺并依照考核條件開展對特定目標(biāo)的探測試驗(yàn)，直接測量探測距離指標(biāo)。而在產(chǎn)品研發(fā)或檢測時(shí)，往往不具備實(shí)體目標(biāo)和遠(yuǎn)程路徑等測試條件，因此在實(shí)驗(yàn)室如何有效評估目標(biāo)探測距離是IRST產(chǎn)品研發(fā)中面臨的重要問題[6]。

1 探測距離與靈敏度的轉(zhuǎn)換

考核IRST探測距離時(shí)均規(guī)定有考核條件，其主要包括觀測目標(biāo)種類、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)行高度和氣象條件等，利用專用軟件可完成目標(biāo)自身輻射強(qiáng)度和路徑大氣透過率的計(jì)算，再結(jié)合探測距離就可計(jì)算出目標(biāo)輻射出射度[7]。所計(jì)算的目標(biāo)輻射出射度即是在規(guī)定條件下IRST接收到的目標(biāo)輻射照度[8]，也就是滿足考核條件時(shí)IRST應(yīng)具備的最低探測靈敏度，這樣對IRST探測距離的評定就轉(zhuǎn)換為對其探測靈敏度的測量，考核條件、目標(biāo)輻射出射度和IRST探測靈敏度三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

設(shè)計(jì)靈敏度測量系統(tǒng)模擬輻照出射度可調(diào)節(jié)的無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的輻射,如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括標(biāo)準(zhǔn)黑體、孔徑光闌、長焦平行光管和扇形光闌。其中：黑體作為定標(biāo)源提供輻射量精確可控的全光譜熱輻射；孔徑光闌可提供多組尺度的通光圓孔，用于調(diào)節(jié)目標(biāo)尺度和輻射通量；長焦平行光管用于將黑體和孔徑光闌形成的點(diǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，并對外投射均勻的熱輻射；而扇形光闌具備精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)角度，通過調(diào)節(jié)可設(shè)定長焦平行光管能量通過比率，整個(gè)系統(tǒng)通過多項(xiàng)參數(shù)設(shè)定可精確模擬所需的目標(biāo)輻射出射度。

圖1 考核條件、目標(biāo)輻射出射度和探測靈敏度轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.1 Transformation relation of evaluation conditions,radiant exitance and detective sensitivity

圖2 靈敏度測量系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Composition of measurment system for sensitivities

2 靈敏度測試原理

2.1 測量系統(tǒng)輻射出射度計(jì)算

靈敏度測量系統(tǒng)利用黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，所模擬的輻射出射度為

(1)

式中:Sb為靈敏度測量系統(tǒng)的輻射出射度；εh為黑體的輻射系數(shù)；A為扇形光闌透光比例；τ為平行光管透過率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；T為黑體絕對溫度；Ts為環(huán)境溫度；D為孔徑光闌孔直徑； f為平行光管焦距。

2.2 波段內(nèi)輻射計(jì)算

已知黑體輻射普朗克[9]公式為

(2)

式中:Wbλ為單位波長的光譜輻射通量密度,λ為波長；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)。

溫度T的黑體在λ1～λ2波段的輻射通量密度為

(3)

從零到無窮大的波長范圍內(nèi)積分普朗克公式，得到全波段輻射通量密度，即為斯蒂芬-波爾茲曼定律[8]

W=σT4

(4)

式中,W為輻射通量密度。

結(jié)合上述公式計(jì)算溫度T的黑體在波段λ1～λ2的輻射出射度占全光譜輻射出射度的比值B為

(5)

由于IRST具備波段選擇范圍，因此在λ1～λ2工作波段內(nèi)，靈敏度測量系統(tǒng)所模擬的輻射出射度S為

上次蘇秋琴去城里，并沒有去找白天明，她是和癩阿小一起去城里耍子的。誰知癩阿小身上也沒什么錢，玩了兩天就囊中羞澀；癩阿小想到他的表妹杏花在一家洗腳屋里干活，很有錢的，蘇秋琴也想去瞧瞧，癩阿小就帶她去了。這一去，蘇秋琴就讓杏花說動(dòng)了心，她也接起客來，這城里男人的錢太好掙了，她呆在洗腳屋里不想走了。誰知派出所的人找來了，嚇得癩阿小連個(gè)人影都不見了，她不得不跟他們回來。

S=Sb×B 。

(6)

2.3 IRST目標(biāo)探測距離計(jì)算

任何溫度的物體均存在熱輻射，目標(biāo)向空間輻射的能量經(jīng)過大氣路徑傳輸后被IRST的光學(xué)窗口接收，若IRST能夠響應(yīng)如此微弱的能量，則可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信息的測量。目標(biāo)輻射強(qiáng)度、路徑條件和IRST產(chǎn)品的目標(biāo)探測靈敏度之間的關(guān)系為

S′=τ(λ,R)J/R2

(7)

式中：S′為IRST所探測目標(biāo)的輻射照度；τ(λ,R)為路徑內(nèi)的大氣透光率；J為目標(biāo)輻射強(qiáng)度；R為目標(biāo)探測距離。

3 試驗(yàn)方法

3.1 基本測量方法

測量時(shí)，將IRST與靈敏度測量系統(tǒng)固定，使IRST的光學(xué)窗口完全處于測量系統(tǒng)的輻射孔徑內(nèi)。預(yù)先設(shè)定好黑體溫度和孔徑光闌，在長焦平行光管入瞳處安裝扇形光闌，調(diào)節(jié)扇形光闌的透光比例改變所模擬出射的輻射通量密度，直至IRST對目標(biāo)探測狀態(tài)降低到規(guī)定的探測概率時(shí)為止，探測概率即有效探測的機(jī)率，可在固定時(shí)間內(nèi)查看IRST輸出的畫面，計(jì)算有效探測目標(biāo)次數(shù)與總掃描周期數(shù)的比值，此時(shí)，靈敏度測量系統(tǒng)所模擬的輻射出射度S恰好使得IRST處于臨界探測狀態(tài)，即S′=S，將其代入式(7)可計(jì)算出IRST對特定目標(biāo)的最大探測距離為

(8)

依照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室IRST測試，所需的參數(shù)多、計(jì)算量大且操作復(fù)雜，同時(shí)過程參量“大氣透過率”和“目標(biāo)輻射強(qiáng)度”依賴仿真計(jì)算軟件，其精度對探測距離評估結(jié)果影響較大，工程計(jì)算中一般應(yīng)留有20%以上的余量。

3.2 類比測量評估方法

當(dāng)已掌握某IRST在實(shí)際考核條件下的探測距離指標(biāo)后，可開展類比測量用于評估新型產(chǎn)品，選取不同IRST進(jìn)行作用距離對比可知

(9)

由式(1)可知，測量系統(tǒng)的故有參數(shù)如εh，τ，σ，f可消去，而Sb1，Sb2，B1和B2與試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)設(shè)定有關(guān)，一般情況下，影響評估結(jié)果的試驗(yàn)變量包括扇形光闌透光比例、黑體溫度、環(huán)境溫度和孔徑光闌孔直徑等，因此將式(1)代入式(9)，簡化后可得

(10)

進(jìn)一步，在類比測量時(shí)，可對靈敏度測量系統(tǒng)設(shè)定相同的孔徑光闌孔直徑和黑體溫度，則式(10)進(jìn)一步簡化為

(11)

此時(shí)，試驗(yàn)中只需針對“扇形光闌透光比例”進(jìn)行調(diào)節(jié)和測試即可。這樣不僅簡化了試驗(yàn)操作，大幅降低計(jì)算復(fù)雜度，且所獲得結(jié)果更加直觀，同時(shí)將利用相同算法或者工具軟件仿真計(jì)算的大氣透過率和目標(biāo)輻射強(qiáng)度進(jìn)行對比，也在一定程度上降低了誤差，進(jìn)一步提高了測量與評估精度。

4 測量數(shù)據(jù)及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室分別對4款I(lǐng)RST產(chǎn)品進(jìn)行探測靈敏度測量，其中，A型和B型為待測新品，其他兩型為已完成性能鑒定的產(chǎn)品。

4.1 測試試驗(yàn)Ⅰ

將待測IRST與X型IRST產(chǎn)品進(jìn)行目標(biāo)迎頭探測靈敏度類比測量，測試時(shí)，設(shè)定靈敏度測量系統(tǒng)的黑體溫度為35 ℃、光闌孔徑為0.5 mm，調(diào)節(jié)扇形光闌透光比直至IRST達(dá)到規(guī)定的檢測概率時(shí)為止，測量結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)Ⅰ靈敏度測試結(jié)果

4.2 測試試驗(yàn)Ⅱ

將待測IRST與Y型IRST產(chǎn)品進(jìn)行目標(biāo)尾后探測靈敏度類比測量，測試時(shí)設(shè)定測量系統(tǒng)的黑體溫度為100 ℃,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)Ⅱ靈敏度測試結(jié)果

4.3 測量結(jié)果與分析

4.3.1 不同波段產(chǎn)品探測性能對比分析

首先待測IRST在中長波波段的目標(biāo)探測性能進(jìn)行對比分析。對于迎頭探測狀態(tài)，參照式(11)，依照表1的測量結(jié)果，對A型和B型的中長波探測距離進(jìn)行對比,即RA/RB=1.06，可見，對于同一目標(biāo)迎頭時(shí)A型IRST產(chǎn)品優(yōu)于Y型IRST產(chǎn)品。

綜上分析得出結(jié)論：迎頭探測目標(biāo)時(shí)選擇A型IRST產(chǎn)品，而尾后探測目標(biāo)時(shí)選擇B型IRST產(chǎn)品更加有效。

4.3.2 探測距離評估

已知在相應(yīng)考核條件下，X型IRST的目標(biāo)迎頭探測距離可達(dá)15 km，利用表1的測量結(jié)果，參照式(10)，計(jì)算A型IRST產(chǎn)品的目標(biāo)迎頭探測距離RAl為17.2 km。

已知在相應(yīng)的考核條件下，Y型IRST的目標(biāo)尾后探測距離可達(dá)22 km，利用表2的測量結(jié)果，計(jì)算B型IRST產(chǎn)品的目標(biāo)尾后探測距離RBm為54.8 km。

5 結(jié)論

本文介紹了一種適用于評估IRST目標(biāo)探測距離指標(biāo)的工程實(shí)踐方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用靈敏度測量系統(tǒng)，在相同條件下將新型IRST與已完成性能鑒定的IRST產(chǎn)品完成類比測量，通過分析可快速給出目標(biāo)探測距離結(jié)果，試驗(yàn)簡便、高效。借鑒本文的測量方法，不僅加快IRST產(chǎn)品的研發(fā)效率，也有助于技術(shù)狀態(tài)改進(jìn)并降低試飛、試航等試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 宋豐華.現(xiàn)代空間光電系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

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A Method for Ground Measurement and Evaluation of IRST Detection Distance

YANG Xu, ZHAO Quan, PAN Zhi-feng, PAN Xu-hui

(Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang 471000,China)

Infrared Search and Track (IRST) system is an optical imaging detection equipment used widely onboard the aircrafts.A method for evaluating the detection distance of IRST system is presented here,which is adaptive for use in the lab.Taking the target irradiance as the index,and by using a measurement system to accurately simulate the target irradiance,the evaluation of IRST detecting distance is transformed into the measurement of target detection sensitivity.We made test to multiple IRST products in the lab under the same conditions,and carried out the evaluation to the detecting distance through analogy analysis.The result shows that the method is simple and efficient.

infrared search and track system; irradiance; sensitivity; measurement system; analogy analysis; detection distance

楊旭,趙泉,潘枝峰,等.紅外搜索跟蹤系統(tǒng)探測距離地面測量與評估方法[J].電光與控制，2017，24(9)：69-71,94.YANG X,ZHAO Q,PAN Z F,et al.A method for ground measurement and evaluation of IRST detection distance[J].Electronics Optics & Control,2017,24(9):69-71,94.

2016-09-30

2017-07-03

楊 旭(1984 —),男，遼寧沈陽人，碩士生，研究方向?yàn)楣怆妭鞲衅飨到y(tǒng)性能仿真與測試。

TN215

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.09.015