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直升机红外辐射强度探测影响研究

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摘要:分析了蒙皮、发动机排气系统等主要辐射源的红外辐射特性,结合红外辐射理论、实测数据以及经验公式,建立了某型直升机红外辐射强度简化算法,分析了不同观测角度下机体不同部位对红外辐射的贡献值,得到了3~5μm、8~14μm波段红外辐射强度全向分布曲线,验证了计算模型的可行性。结果表明,直升机红外辐射具有很强的方向性,其辐射强度与观测角度有很大关系,迎头方向辐射最小,机体侧后方的辐射最强,且长波辐射强度要强于中波辐射;长波辐射主要来自于蒙皮自身辐射,不低于总体辐射的70%;中波波段辐射主要来自于发动机排气管部分,且在机体侧后方辐射最大。最后,利用计算结果仿真分析了不同角度袭来的目标对探测距离的影响。对于迎头袭来的目标的探测距离最小,对于机体侧后方约110°方位的探测距离最大。研究对直升机红外辐射探测系统探测距离评估具有重要的意义。

关键词:红外辐射特性;辐射强度;探测距离;观测角度

引言

红外目标特性预测与评估对红外侦察作用距离评估、红外点源制导性能评估、红外诱饵弹设计与使用、红外隐身设计等都具有十分重要的现实意义[1~5]。空中目标红外辐射特性研究可以利用实际飞行试验测量和理论分析计算两种方法进行[6~8]。实际飞行测量可以得到直升机在真实飞行状态下的红外辐射特性,但耗资巨大,工作繁琐;理论分析计算和实际飞行试验相比,所需经费少,也可以在一定程度上模拟直升机的红外辐射特性。近年来,关于直升机的红外辐射特性研究已有不少报道[9~11]。文中研究分析了蒙皮、发动机排气系统等直升机重点部位的红外辐射,建立了某型直升机红外辐射强度简化算法,分析了不同观测角度下机体不同部位对红外辐射的贡献值,得到了3~5μm、8~14μm波段红外辐射强度全向分布曲线,并与实测结果进行分析比对;最后,利用模型计算结果仿真分析了不同角度袭来的目标对探测距离的影响。

1直升机典型部位红外辐射强度简化计算方法

文章重点从机身蒙皮和发动机排气系统两个主要辐射源对直升机红外辐射强度进行计算。

1.1红外辐射强度计算蒙皮辐射主要包含两个方面,一是自身辐射,二是蒙皮对环境辐射的反射。其中,蒙皮自身辐射主要来自于蒙皮温度,把蒙皮看作一个发射光谱连续的灰体,假定蒙皮温度是均匀的,只要确定了蒙皮的温度Ts、有效辐射面积Ap以及发射率ε,就可以由式(1)计算出蒙皮在λ1~λ2波段的辐射强度[12]。式中,C1、C2为第一、第二辐射常数。蒙皮表面反射的环境辐射主要来自于太阳辐射,其辐射主要集中在短波和中波,长波波段的红外辐射比例很小。由于蒙皮的有效辐射面积很大,所以长波波段的红外辐射也不容忽视。飞机的蒙皮反射太阳光的辐射强度可以写为[13]:式中,Esun(λ)为太阳的有效辐射照度,ε为蒙皮的发射率,θ为太阳入射角。排气系统辐射主要来自于排气口和外露的排气管的高温辐射。通过红外热像仪可以测得蒙皮、排气口以及排气管等典型部位的温度,通过外形尺寸计算得到相对应的辐射面积,若已知其发射率,则可以通过式(1)计算得到这两个部分的红外辐射强度。

1.2辐射面积计算直升机典型部位的有效辐射面积可以根据红外热像仪的成像尺寸来估算。假设测量距离为L,红外热像仪光学系统焦距为f,各部位对应的像素数为n,单个像元面积为s,则该部位的有效辐射面积可以用下式来估算:

2实测计算结果分析

以某型直升机为例,已知其机身长26m,宽2.5m,高5m,蒙皮外的排气管面积为0.18m2,排气口面积为0.1413m2,发射率取0.9。利用中波红外热像仪、长波红外热像仪从不同方向角度对直升机的表面温度进行测量,测得排气口正面温度约800K,排气管正面温度约400K,蒙皮的温度约305K。以直升机迎头方向为0°,通过计算得到该型直升机在不同俯仰、方位角度下,不同部位红外辐射强度所占比例分布,见图1和图2,在不同俯仰角度、方位角度上的红外辐射强度分布见图3和图4。从图1~图4来看,可以得出以下结论:1)无论是俯仰方向还是方位方向,其红外辐射均具有很强的方向性,辐射强度与探测角度有很大关系,迎头方向辐射最小,机体侧后方的辐射最强,且长波辐射强度要强于中波辐射;2)在8~14μm长波波段,由于蒙皮面积比排气管部分的面积大很多,且排气系统只有在飞机侧面可见,因此,无论是俯仰方向还是方位方向,直升机的长波辐射主要来自于蒙皮自身辐射,不低于总体辐射的70%;3)在3~5μm中波波段,蒙皮辐射的贡献很小,除了迎头方向,直升机在中波波段辐射主要来自于发动机排气管部分,且在机体侧后方贡献最大。

3对红外探测距离的影响分析

红外探测系统对直升机的探测距离方程可由下式表示[14]:透过率,τ0为光学系统透过率,D0为系统通光口径,F为光学系统F数,D*为探测器归一化探测率,SNR为系统信噪比,tint为探测器积分时间,ω为瞬时视场角,Ap为有效辐射面积,Lb为背景亮度,I为目标红外辐射强度。当直升机从不同方向θ袭来时,对于探测系统来说其最大探测距离是不同的。这主要是由于直升机红外辐射强度的方向性差异,对于不同方向袭来的直升机,红外探测系统接收到目标的红外辐射强度是不同的,其最大探测距离也是不同的。因此,对于红外探测系统来说,对目标的探测距离不仅与目标的红外辐射特性有关,还与目标袭来的方向有关。图6是相同气象条件下、同一红外探测系统对不同方向袭来的某型直升机的探测距离仿真曲线。可以看出,在相同气象条件下,同一红外探测系统对某型直升机的探测距离受目标袭来的方向影响很大,对于迎头袭来的目标的探测距离最小,对于机体侧后方约110°方位的探测距离最大,这与图3和图4目标在不同方位俯仰上的辐射强度分布基本一致。

4结束语

结合红外辐射理论、实测数据以及经验公式,推导的直升机红外辐射强度算法简单便捷,具有一定的准确性,可以反映直升机的红外辐射强度特性,对于红外探测系统探测距离评估具有重要的意义。

参考文献

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作者:王冰 张岩岫 高穹 曲卫东 单位:中国洛阳电子装备试验中心

激光与红外杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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