夏天元，帥宏進(jìn)，邱亞峰

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.泰州市京泰路街道水利站，江蘇 泰州 225300）

引言

隨著紅外成像制導(dǎo)武器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，人們對紅外成像制導(dǎo)武器性能的要求也更趨嚴(yán)格，有必要在武器正式投入使用前進(jìn)行性能測試，以驗(yàn)證其性能是否滿足使用要求[1]。以往的試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，利用帶有平行光管的紅外靶標(biāo)模擬出無窮遠(yuǎn)處的模擬紅外目標(biāo)，探測器對這些模擬目標(biāo)進(jìn)行觀測從而完成測試[2-3]。然而室內(nèi)比較理想的環(huán)境往往與真實(shí)環(huán)境有著較大區(qū)別，不能很好地反映出使用環(huán)境，例如濕度、霧霾、溫度等參數(shù)對紅外成像制導(dǎo)武器性能的影響。目前，國內(nèi)的外場測試方法通常為在靶場中對飛機(jī)、導(dǎo)彈真實(shí)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)測[4]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法對紅外成像設(shè)備進(jìn)行定量評估。

為了準(zhǔn)確地測試紅外成像制導(dǎo)武器的技術(shù)性能，本文利用面源黑體作為熱源，用刻有不同空間頻率的紅外靶標(biāo)圖案的靶輪作為背景板，設(shè)計(jì)了一套外場使用的可提供不同溫度、不同空間分辨率的紅外測試靶標(biāo)系統(tǒng)，主要用于外場紅外目標(biāo)探測器的最小可分辨溫差（MRTD）測試。

1 MRTD測試原理

最小可分辨溫差（MRTD）是紅外熱像儀的主要成像特性，其定義為：在一個(gè)可為觀察人員分辨的標(biāo)準(zhǔn)周期測試圖案中，目標(biāo)和背景的最小可分辨溫差[5]。用于MRTD測試的靶板如圖1所示。圖1中圖案是高度和寬度比為7:1的4桿圖案，靶桿之間的間距與靶桿的寬度相等[6]。MRTD是目標(biāo)空間頻率的函數(shù)，規(guī)定MRTD的測試需要在至少4個(gè)空間頻率f1234（c/mrad）上進(jìn)行，選擇能反映探測器工作要求的空間頻率，當(dāng)紅外成像系統(tǒng)用于惡劣氣候條件或低溫差目標(biāo)時(shí)，應(yīng)選取更低的空間頻率[7]。

圖1 靶板與空間頻率示意圖Fig.1 Schematic of target board and spatial frequency

紅外4 桿靶的空間頻率由下式計(jì)算：

式中：R為探測器距離靶板的距離；d為4 桿靶靶桿寬度；f為靶板空間頻率，單位c/mrad。

MRTD測試過程為[8]：先將黑體溫度調(diào)至與背景溫度一致，然后逐漸提高面源黑體的溫度，增大靶標(biāo)溫度與背景溫度之間的差值，測試人員通過軟件時(shí)刻觀察采集到的灰度圖像。當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員恰好可以分辨出黑白桿圖案，即整個(gè)靶桿面積的75%時(shí)，此時(shí)溫差記為T1，則紅外成像系統(tǒng)的MRTD值為

式中K表示測量系統(tǒng)的校正系數(shù)。

MRTD測試對于靶板表面溫度的均勻性要求較高，一般要求溫差控制在1.0℃以內(nèi)。目前，為了解決溫度均勻性問題，普遍采用的方法是利用電阻絲加熱整塊黑面板[9-10]，但是采用這種方法，電阻絲分布密集，控制復(fù)雜，難以直接應(yīng)用于外場大型測試靶。針對該問題，本文直接利用面源黑體作為熱源，用刻有不同空間頻率紅外靶標(biāo)圖案的靶輪作為背景板，可有效降低控制難度并提高靶板表面溫度均勻性。

2 紅外靶標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 紅外靶標(biāo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外靶標(biāo)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由靶板、二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和車體組成。靶板提供模擬紅外目標(biāo)，主要包括面源黑體、旋轉(zhuǎn)靶輪與背景板。面源黑體作為熱源，是測試過程中的黑桿部分；靶輪上鑲嵌有不同大小的背景板，不同的背景板上刻有不同空間頻率的條桿圖案；面源黑體放置在靶輪和背景板后，與背景板形成溫差，通過轉(zhuǎn)動靶輪可以切換不同的空間頻率，以此作為MRTD測試的紅外靶標(biāo)。二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)目標(biāo)靶的俯仰角與方位角，包括俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、框架和方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)都包含帶有手輪的蝸輪蝸桿減速器，通過轉(zhuǎn)動手輪對照箱體上的角度刻度即可實(shí)現(xiàn)俯仰角與方位角的調(diào)節(jié)。車體承載整個(gè)設(shè)備，內(nèi)部放置電源、工控機(jī)等裝置，可以在測試結(jié)束后將紅外靶標(biāo)系統(tǒng)移至室內(nèi)進(jìn)行保存。

圖2 紅外靶標(biāo)系統(tǒng)三維圖Fig.2 3D schematic of infrared target system

進(jìn)行MRTD測試時(shí)，測試人員設(shè)定期望的黑體溫度，工控機(jī)通過控制控制器使黑體加熱到指定溫度與背景板之間形成所需的溫差。旋轉(zhuǎn)靶輪可以更換不同的目標(biāo)靶，從而為MRTD測試提供不同的空間頻率。圖像采集單元可以采集探測器接收到的含有目標(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)，經(jīng)過軟件分析完成被測探測器的性能評估，最后工控機(jī)將測試數(shù)據(jù)發(fā)送到信息

管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存。

2.2 目標(biāo)靶板設(shè)計(jì)

2.2.1 熱力學(xué)分析

紅外靶標(biāo)系統(tǒng)的主要功能就是使目標(biāo)與背景之間形成所需要的溫差，并在目標(biāo)溫差下保持熱平衡，包括系統(tǒng)自身提供熱能的過程和與外界交換熱能的過程[11]。只有在任一工作時(shí)刻內(nèi)紅外靶標(biāo)系統(tǒng)輸入的熱能量與耗散的熱能量相等才能保證系統(tǒng)工作時(shí)的熱平衡。

紅外靶標(biāo)放置在室外環(huán)境除系統(tǒng)自身電源提供熱量外，還會與外界進(jìn)行熱交換，主要是對流換熱與輻射換熱。設(shè)系統(tǒng)提供的熱能為Q1，系統(tǒng)的對流換熱能量為Qf，系統(tǒng)的輻射換熱能量為Qe，?Q為一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)實(shí)際吸收的熱能。則單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的對流換熱能量可以表示為

式中：A為傳熱面積；Tu是物體的表面溫度；Te是流體溫度；h為對流換熱系數(shù)，與物體的幾何尺寸、溫度及物理特性有關(guān)。

紅外靶標(biāo)系統(tǒng)總的輻射換熱能量為

式中：ε為系統(tǒng)的黑度；A為傳熱面積；σ0為黑體輻射常數(shù)；T為系統(tǒng)最終溫度；T∞為環(huán)境初始溫度。

根據(jù)能量守恒定律可知：

黑體升溫時(shí)要求 ?Q ＞0，熱穩(wěn)定平衡時(shí)要求?Q=0。

2.2.2 靶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靶板所要求的技術(shù)參數(shù)如下：

1) 溫度范圍為5℃～100℃；

2) 靶面溫度均勻性＜2℃；

3) 輻射率≥0.95。

本系統(tǒng)的靶板由背景板、面源黑體和旋轉(zhuǎn)靶輪組成。背景板上鏤出12組不同大小的4 桿靶圖案，以提供不同的空間頻率。靶板空間頻率的選擇以被測紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)與使用單位的需求為標(biāo)準(zhǔn)，通過不同距離估算，制作不同空間頻率的紅外靶板，對應(yīng)的靶標(biāo)頻率見表1所示。黑體置于背景板后方，其發(fā)出的熱輻射透過背景板的鏤空部分形成4 桿圖案作為測試時(shí)的目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 靶標(biāo)頻率表Table1 Target frequency

圖3 靶板三維圖Fig.3 3D schematic of target board

系統(tǒng)使用為上海福源光電有限公司定制的面源黑體，可實(shí)現(xiàn)?5℃～105℃的溫度調(diào)節(jié)，溫度分辨率可達(dá)0.001℃，溫度均勻性可保持在±（0.2～0.3）℃，其表面發(fā)射率在0.985 以上，滿足靶板所要求的技術(shù)參數(shù)。

本系統(tǒng)直接將黑體作為被測目標(biāo)，且黑體表面積相對整個(gè)靶板較小，可有效減少黑體與外界發(fā)生熱交換并降低控制難度，使得系統(tǒng)具有較高的溫度均勻性、溫控精度和升溫速率，顯著提高了靶板的工作性能。背景板材料為光學(xué)玻璃，背面涂覆高反射率的涂層，正面黑化，使其表面輻射率與黑體相同，達(dá)到0.95 以上。

當(dāng)紅外靶標(biāo)系統(tǒng)在工作時(shí)，靶輪時(shí)刻受到后方面源黑體的輻射，靶輪的溫度易受到環(huán)境的影響而發(fā)生改變，會對測試的穩(wěn)定性帶來影響，因此制作靶輪的材料應(yīng)具有良好的耐熱性。不同材料的熱傳導(dǎo)能力可通過下式來體現(xiàn)：

式中：c比為熱傳導(dǎo)層的比熱容；ρ為熱傳導(dǎo)層的密度；d為熱傳導(dǎo)層的厚度；C為熱傳導(dǎo)層的熱導(dǎo)率；t為響應(yīng)速率，t值越大，代表傳熱能力越差。

本系統(tǒng)選用聚甲醛（POM）作為靶輪的制作材料。聚甲醛被譽(yù)為“超鋼”，在具有超高硬度的同時(shí)又具有良好的隔熱特性[12]。將幾種常用材料的性能參數(shù)代入（6）式，可以計(jì)算出一定溫度下這些材料在厚度相同情況下的響應(yīng)速率。不同材料響應(yīng)時(shí)間如圖4所示。由圖4可見，厚度相同時(shí)，銅、鋁合金、45#鋼的響應(yīng)速率相近，而POM的響應(yīng)速率遠(yuǎn)大于另外3種材料，為銅的980倍，可見POM的隔熱性很好。若采用POM 制作靶輪，可以有效地防止環(huán)境影響引起的溫度變化。

2.3 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 不同材料響應(yīng)時(shí)間圖Fig.4 Response time of different materials

在實(shí)際控溫過程中，環(huán)境溫度無法保持恒定不變，黑體時(shí)刻與外界進(jìn)行能量交換，這就需要不斷對黑體的溫度進(jìn)行調(diào)整。

溫控系統(tǒng)主要部件是背景板與黑體上的測溫元件Pt100，Pt100 具有尺寸小、穩(wěn)定性好、寬溫度范圍、精度高等優(yōu)點(diǎn)[13]。為了維持系統(tǒng)的熱平衡，首先需要確定黑體的當(dāng)前溫度T0。溫度值通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，與目標(biāo)值T1進(jìn)行對比，將其差值?T作為控制量反饋給溫度控制器，從而使黑體的實(shí)際溫度不斷逼近目標(biāo)溫度。具體控制原理如圖5所示。

圖5 溫控原理圖Fig.5 Schematic of temperature control

由于受到Pt100 測量的黑體內(nèi)部溫度與靶板表面的實(shí)際溫度不同，以及黑體輻射率等因素的影響，靶板溫度與系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度會產(chǎn)生誤差，需要對靶板表面進(jìn)行溫度校正，然后在軟件上設(shè)置一個(gè)修正量進(jìn)行補(bǔ)償，從而使測試結(jié)果更加真實(shí)可信。

靶板的標(biāo)定需定期進(jìn)行。首先對背景板與黑體上的測溫回路進(jìn)行校正，以保證靶板溫度的控制精度與準(zhǔn)確性，然后利用高精度紅外測溫儀對靶板進(jìn)行溫度測量并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的黑體溫度進(jìn)行對比，以此來完成靶板的標(biāo)定。

2.4 二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)說明

二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所要求的技術(shù)參數(shù)如下：

1) 方位角為±60°，手動調(diào)節(jié)；

2) 俯仰角為±45°，手動調(diào)節(jié)；

3) 調(diào)節(jié)精度為1°。

二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為直接與靶板相連的部分，不僅起到承載靶板的作用，還需要能夠在滿足一定技術(shù)要求的情況下對靶板進(jìn)行二維角度調(diào)節(jié)。主要包括俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、框架與方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維圖Fig.6 3D schematic of 2D regulating mechanism

俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接與靶板相連，俯仰軸一端與靶板連接，一端與帶有手輪的渦輪蝸桿減速器相連，端蓋處刻有±45°的標(biāo)記，通過轉(zhuǎn)動手輪就可以改變靶板的俯仰角度?？蚣芷鸬竭B接俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用，由45#矩形鋼焊接而成，其壁厚為8 mm。方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)承載整個(gè)系統(tǒng)，其主體轉(zhuǎn)盤采用厚度為35 mm的45#鋼制成，方位軸下端與帶有手輪的渦輪蝸桿減速器相連，通過轉(zhuǎn)動手輪可實(shí)現(xiàn)±60°的方位角調(diào)整。

2.4.2 二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力分析

靶板方位角與俯仰角的調(diào)節(jié)均為手動調(diào)節(jié)，慣性負(fù)載小，因此只需重點(diǎn)分析二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的靜載能力即可。Ansys是一款大型的有限元分析軟件，功能強(qiáng)大，模塊眾多，在國內(nèi)外大中型企業(yè)以及高校中得到了廣泛的應(yīng)用[14]。本文利用Ansys進(jìn)行靜力學(xué)分析。

俯仰軸直接與靶板相連，承載靶板的質(zhì)量，受到靶板的重力與軸承的支撐反作用力的作用，俯仰軸如果強(qiáng)度不夠，將發(fā)生較大的形變，使旋轉(zhuǎn)阻力變大，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生斷裂。為確保俯仰軸有足夠的強(qiáng)度承載靶板的質(zhì)量，通過Ansys Workbench對俯仰軸的受力進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，俯仰軸的最大應(yīng)變出現(xiàn)在軸的中間位置，為5.17e-5，其應(yīng)變可忽略不計(jì)，說明俯仰軸完全可以承載靶板的質(zhì)量。

圖7 俯仰軸等效應(yīng)變云圖Fig.7 Equivalent strain diagram of pitch axis

框架左右受到所支撐機(jī)構(gòu)向下的壓力，框架底部橫梁的中心會產(chǎn)生較大的彎矩，若橫梁剛度不足則會發(fā)生較大變形。圖8為框架的等效應(yīng)變云圖。由圖8可看出，最大應(yīng)變出現(xiàn)在橫梁的中心位置，為1.5e-4，其應(yīng)變可忽略不計(jì)，說明框架的強(qiáng)度滿足使用要求。

圖8 框架等效應(yīng)變云圖Fig.8 Equivalent strain diagram of frame

方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)承載其上方所有機(jī)構(gòu)的質(zhì)量并與箱體連接，方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)盤作為支撐件會受到極大的壓力與支撐反作用力，若強(qiáng)度不足會產(chǎn)生較大的變形，圖9為轉(zhuǎn)盤的等效應(yīng)變云圖。由圖9可以看出，最大應(yīng)變?yōu)?.5e-5，其應(yīng)變可忽略不計(jì)，說明轉(zhuǎn)盤的強(qiáng)度滿足使用要求。

圖9 轉(zhuǎn)盤等效應(yīng)變云圖Fig.9 Equivalent strain diagram of swivel plate

3 紅外靶標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用

此系統(tǒng)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

1） 對內(nèi)場測試后的紅外探測設(shè)備再次進(jìn)行外場檢驗(yàn)；

2） 作用距離的測量；

3） 不同氣象條件下紅外探測設(shè)備的MRTD測試。

此紅外靶標(biāo)系統(tǒng)采用與傳統(tǒng)MRTD測試相同的方法進(jìn)行檢測，但是在外場情況下，大氣透過率對紅外輻射的傳播有著很大的影響[15]，因此在測試之前應(yīng)先對外場環(huán)境的相關(guān)因素進(jìn)行測量，例如大氣濕度、背景溫度、氣溶膠含量等。充分考慮大氣傳輸特性的影響，這樣才能真實(shí)地反映紅外成像制導(dǎo)武器在多種環(huán)境下的工作性能。如果測試結(jié)果與內(nèi)場結(jié)果有出入，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮當(dāng)時(shí)的外界環(huán)境因素再進(jìn)行分析比較。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套外場使用的紅外靶標(biāo)系統(tǒng)，使用面源黑體作為目標(biāo)源，可進(jìn)行-10℃～150℃范圍內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)，輻射率達(dá)到0.95 以上，溫度均勻性在1℃以下，滿足外場MRTD的測試要求。使用旋轉(zhuǎn)靶輪可進(jìn)行不同空間頻率的切換，有效減少了面源黑體的面積與控制難度，提高了黑體的溫度均勻性。運(yùn)用三維軟件對整個(gè)紅外靶標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并對二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行了力學(xué)分析與仿真計(jì)算，結(jié)果表明其強(qiáng)度滿足使用要求。

應(yīng)用此系統(tǒng)為紅外成像制導(dǎo)武器提供更真實(shí)測試環(huán)境的同時(shí)，還可替代傳統(tǒng)的外場實(shí)飛檢驗(yàn)，大大降低了外場檢驗(yàn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。