吳晨成

（陜西科林天成科技有限公司，陜西西安 710000）

紅外仿型靶標采用溫度可調(diào)的高溫紅外發(fā)射源陣列，經(jīng)仿真結構設計，滿足輻射均勻性大于等于85%，發(fā)散角大于20°，工作狀態(tài)下向外輻射3～5 μm、8～12 μm 的中長波紅外光，且輻射功率連續(xù)可調(diào)，具備模擬不同紅外輻射特征的目標由遠及近、由近及遠或懸停的能力。使用時，無人機載紅外仿型靶部署在不同高度的天空背景下，主要用于模擬來襲飛機、導彈、無人機等具備中長波紅外輻射特征的空中來襲目標。因此，本文研究典型大氣環(huán)境紅外輻照特性并通過相關計算，完成了無人機載紅外仿型靶系統(tǒng)設計和檢測方案。

1 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)由結構殼體及電連接器、轉(zhuǎn)接安裝板、光源組件、散熱組件、輻照功率調(diào)節(jié)組件、二次電源組件、通信模塊電池充放電保護組件、電源輸入管理組件組成。

2 上位機軟件設計

紅外仿型靶標通過無線數(shù)據(jù)鏈與地面控制端通信，接收控制指令并返回相關狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、上下電輻照功率的調(diào)節(jié)動作，是整個系統(tǒng)的控制平臺，如圖1 所示。

圖1 控制臺界面

3 系統(tǒng)技術指標設計及關鍵指標分析

3.1 技術指標設計

輻射波長為3～5 μm 中波紅外輻射和8～12 μm 長波紅外輻射。最大作用距離大于等于1 km（參試品被試品基本對準，最小可探測溫差為6 ℃，中等氣象條件下）。瞬時輻射視場大于等于20°。輻射均勻性大于等于85%（大于等于1 km 時的瞬時視場）。工作狀態(tài)可控（如需遠程遙控，需使用載具提供的無線數(shù)據(jù)鏈）。模擬源上下電可通過串口下發(fā)指令完成控制。輻射功率衰減調(diào)制時模擬源輻射功率可通過串口下發(fā)指令完成控制，滿功率連續(xù)可調(diào)（需使用無線數(shù)據(jù)鏈）。可保障連續(xù)訓練時間大于等于12 h（由系留無人機載具供電能力決定）。上位機軟件功能為可在線控制紅外模擬源的輻照功率，并顯示其工作狀態(tài)、運行參數(shù)。用電功耗小于等于35 W，車載、機載紅外目標模擬源質(zhì)量小于等于2.5 kg（不含選配組件），模擬源結構尺寸（長、寬、高）小于等于230 mm×90 mm×120 mm。實際應用在機載條件時，還有結構及散熱設計優(yōu)化空間，進一步降低質(zhì)量、減小體積，以延長無人機續(xù)航時間。環(huán)境適應性指標為可在-20～50 ℃高低溫中工作，可在-30～60 ℃高低溫中存儲。

3.2 關鍵指標分析

無人機載紅外仿型靶標由中長波紅外輻照系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輻照功率調(diào)制系統(tǒng)等構成。

3.2.1 中長波紅外輻照系統(tǒng)

輻照系統(tǒng)由4 個紅外發(fā)光體組成陣列，安裝在可調(diào)光具座上。系統(tǒng)上電后，受輻照功率調(diào)制系統(tǒng)在線調(diào)控，實現(xiàn)不同功率的中長波紅外光，經(jīng)系統(tǒng)前端出光口光學光闌后，從產(chǎn)品前端以固定發(fā)射角出射。

3.2.1.1 紅外發(fā)光體輻出譜段分析

所選紅外發(fā)光體的最大工作溫度可達700 ℃，當發(fā)光體在500～700 ℃溫度區(qū)間工作時，其譜段分布如圖2 所示。

圖2 500～700 ℃時工作區(qū)域譜段分布圖（包絡面積為1）

為提高可靠性和使用壽命，系統(tǒng)進行了降額設計，只使用發(fā)光體最高工作溫度區(qū)間內(nèi)30%～90%的區(qū)域：210～630 ℃。其譜段分布如圖3、圖4 所示，輻照譜段滿足指標要求：3～5 μm、8～12 μm。

圖3 210 ℃時紅外譜段分布圖（包絡面積為1）

圖4 630 ℃時紅外譜段分布圖（包絡面積為1）

3.2.1.2 均勻性及輻照視場分析

所選中長波紅外發(fā)光體在40°發(fā)散角范圍內(nèi)，其輻射功率分布均勻。所選中長波紅外發(fā)光體不同角度能量密度分布測試數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 不同角度能量密度分布

滿足項目要求的輻射均勻性大于等于85%（瞬時視場內(nèi)）指標要求。

根據(jù)紅外發(fā)光體的空間能量密度分布情況，系統(tǒng)采用2×2 光源陣列布局進行了光源組件設計，光源布局如圖6 所示。

圖6 空間分布圖

系統(tǒng)設計所采用的2×2 光源陣列，假設每2 個光源間距為50 mm，各產(chǎn)生40°的均勻輻射區(qū)域，在距離光源一定距離后，即可產(chǎn)生40°范圍的均勻輻射區(qū)域（圖6 左邊陰影區(qū)域）。

由圖6 可知，在距離大于133.2 mm 后，所需20°視場被40°均勻輻射區(qū)域覆蓋，即距離大于133.2 mm后，即可形成20°均勻輻射區(qū)域。根據(jù)項目所述工作距離指標大于等于1 km，133.2 mm 可忽略不計。因此整個光源組件的光學參數(shù)設計符合項目要求的大于等于20°視場均勻輻射要求。

3.2.1.3 作用距離分析

大氣中吸收紅外輻射最強烈的成分是水蒸氣、二氧化碳，所以對大多數(shù)紅外系統(tǒng)而言，著重考慮的并非是大氣窗口處的紅外吸收光譜，而是紅外輻射通過實際大氣時，中長波紅外窗口的透過率[1]。

設δ（λ，x）為衰減系數(shù)，β（λ，x）為水蒸氣透過率，γ（λ，x）為二氧化碳透過率，得出：

查詢“紅外1～14 μm 波長間隔0.1 μm 上大氣平均透過率表”得到中等氣象條件下（降雨量小于等于10 mm）[2-3]，大氣厚度小于等于1 km 時，紅外輻射平均透過率：

由被測紅外探測系統(tǒng)參數(shù)得知，該探測系統(tǒng)在1 km 作用距離處（正對）可響應的最小輻射強度I0=0.28 W/sr，所以只需計算出機載紅外目標源發(fā)射口處的輻射強度Is即可。為保證特殊環(huán)境下的正常使用，方案采用4×4 陣列形式的降額設計，位于焦平面的4個輻射源在距離50.8 mm 處的光斑已完全重合。

單個輻射源輻射強度的測量需要使用標準紅外輻射照度計對工作狀態(tài)下的目標源發(fā)射窗口進行測量[4]，測量過程省略，代入如下公式：

所選3～5 μm 及8～12 μm 雙面增透紅外窗口平均透過率分別為98%及80%。

得出紅外目標源輻射強度Is：

結論：Is＞I0，滿足設計指標中最大作用距離大于等于1 km 的要求。

3.2.2 電源系統(tǒng)

為兼容外部寬范圍電壓輸入條件下產(chǎn)品能夠正常工作，保障電子艙各單板正常工作，電源輸入管理系統(tǒng)選用了寬泛電壓輸入范圍的電源管理芯片，其Vin范圍為DC10～60 V。確保電源輸入管理系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地為電池組充放電保護組件和二次電源組件提供所需的直流+5 V 電源，遵循軍用產(chǎn)品設計要求，對主要功率元器件進行降額設計，以提供穩(wěn)定、充足的輸出功率。

3.2.3 輻照功率調(diào)制系統(tǒng)

輻照功率調(diào)制系統(tǒng)由CPU 調(diào)節(jié)電路和負反饋測量電路組成，根據(jù)紅外發(fā)光體的實際工作電壓范圍，可對輻照功率調(diào)制系統(tǒng)進行精度計算。

依據(jù)數(shù)據(jù)計算，對I進行數(shù)學建模：I=k·U+C，計算k、C參數(shù)得：k=0.436，C=0.032。

同理，依據(jù)Vp=3.00 V，Cp=1.34 A，Pp=4.0 W，對功率與溫度進行數(shù)學建模：t=kk·w+cc，計算kk、cc參數(shù)得：kk=168.75，cc=25。

因此，得到溫度與電壓的關系：

代入?yún)?shù)并簡化后得到溫度與調(diào)制電壓的數(shù)學模型：

為配合項目描述的被測產(chǎn)品探測能力（最小可識別溫差6 ℃），可計算出輻照功率調(diào)制系統(tǒng)的最小電壓調(diào)制分辨率。

即在0.5～3 V 的電壓調(diào)制區(qū)間內(nèi)，要保證調(diào)制可被識別（溫度分辨率6 ℃），所需的電壓調(diào)制分辨率為0.013 V。

根據(jù)上述數(shù)學建模和計算結果，需要達到0.013 V電壓調(diào)制分辨率，輻照功率調(diào)制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)電路主芯片需選擇1 024 位，調(diào)制精度0.005 V，以實現(xiàn)項目指標要求的輻射功率在可以識別前提下連續(xù)可調(diào)。

4 結束語

文章設計的無人機載紅外仿型靶標系統(tǒng)具備特殊環(huán)境下無人值守特點，可按照不同目標高度保持長時留空。并根據(jù)不同目標特征要求設置自身紅外輻射特性，同步記錄紅外仿型靶標的變化曲線。更好地滿足了現(xiàn)代化軍隊全流程實景化及高精度可量化的模擬對抗、訓練要求，提供了作業(yè)能力、裝備能力的評估檢驗條件。