直升機紅外輻射強度探測影響研究范文

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摘要：分析了蒙皮、發動機排氣系統等主要輻射源的紅外輻射特性，結合紅外輻射理論、實測數據以及經驗公式，建立了某型直升機紅外輻射強度簡化算法，分析了不同觀測角度下機體不同部位對紅外輻射的貢獻值，得到了3～5μm、8～14μm波段紅外輻射強度全向分布曲線，驗證了計算模型的可行性。結果表明，直升機紅外輻射具有很強的方向性，其輻射強度與觀測角度有很大關系，迎頭方向輻射最小，機體側后方的輻射最強，且長波輻射強度要強于中波輻射；長波輻射主要來自于蒙皮自身輻射，不低于總體輻射的70％；中波波段輻射主要來自于發動機排氣管部分，且在機體側后方輻射最大。最后，利用計算結果仿真分析了不同角度襲來的目標對探測距離的影響。對于迎頭襲來的目標的探測距離最小，對于機體側后方約110°方位的探測距離最大。研究對直升機紅外輻射探測系統探測距離評估具有重要的意義。

關鍵詞：紅外輻射特性；輻射強度；探測距離；觀測角度

引言

紅外目標特性預測與評估對紅外偵察作用距離評估、紅外點源制導性能評估、紅外誘餌彈設計與使用、紅外隱身設計等都具有十分重要的現實意義［1～5］。空中目標紅外輻射特性研究可以利用實際飛行試驗測量和理論分析計算兩種方法進行［6～8］。實際飛行測量可以得到直升機在真實飛行狀態下的紅外輻射特性，但耗資巨大，工作繁瑣；理論分析計算和實際飛行試驗相比，所需經費少，也可以在一定程度上模擬直升機的紅外輻射特性。近年來，關于直升機的紅外輻射特性研究已有不少報道［9～11］。文中研究分析了蒙皮、發動機排氣系統等直升機重點部位的紅外輻射，建立了某型直升機紅外輻射強度簡化算法，分析了不同觀測角度下機體不同部位對紅外輻射的貢獻值，得到了3～5μm、8～14μm波段紅外輻射強度全向分布曲線，并與實測結果進行分析比對；最后，利用模型計算結果仿真分析了不同角度襲來的目標對探測距離的影響。

1直升機典型部位紅外輻射強度簡化計算方法

文章重點從機身蒙皮和發動機排氣系統兩個主要輻射源對直升機紅外輻射強度進行計算。

1．1紅外輻射強度計算蒙皮輻射主要包含兩個方面，一是自身輻射，二是蒙皮對環境輻射的反射。其中，蒙皮自身輻射主要來自于蒙皮溫度，把蒙皮看作一個發射光譜連續的灰體，假定蒙皮溫度是均勻的，只要確定了蒙皮的溫度Ts、有效輻射面積Ap以及發射率ε，就可以由式（1）計算出蒙皮在λ1～λ2波段的輻射強度［12］。式中，C1、C2為第一、第二輻射常數。蒙皮表面反射的環境輻射主要來自于太陽輻射，其輻射主要集中在短波和中波，長波波段的紅外輻射比例很小。由于蒙皮的有效輻射面積很大，所以長波波段的紅外輻射也不容忽視。飛機的蒙皮反射太陽光的輻射強度可以寫為［13］：式中，Esun（λ）為太陽的有效輻射照度，ε為蒙皮的發射率，θ為太陽入射角。排氣系統輻射主要來自于排氣口和外露的排氣管的高溫輻射。通過紅外熱像儀可以測得蒙皮、排氣口以及排氣管等典型部位的溫度，通過外形尺寸計算得到相對應的輻射面積，若已知其發射率，則可以通過式（1）計算得到這兩個部分的紅外輻射強度。

1．2輻射面積計算直升機典型部位的有效輻射面積可以根據紅外熱像儀的成像尺寸來估算。假設測量距離為L，紅外熱像儀光學系統焦距為f，各部位對應的像素數為n，單個像元面積為s，則該部位的有效輻射面積可以用下式來估算：

2實測計算結果分析

以某型直升機為例，已知其機身長26m，寬2．5m，高5m，蒙皮外的排氣管面積為0．18m2，排氣口面積為0．1413m2，發射率取0．9。利用中波紅外熱像儀、長波紅外熱像儀從不同方向角度對直升機的表面溫度進行測量，測得排氣口正面溫度約800K，排氣管正面溫度約400K，蒙皮的溫度約305K。以直升機迎頭方向為0°，通過計算得到該型直升機在不同俯仰、方位角度下，不同部位紅外輻射強度所占比例分布，見圖1和圖2，在不同俯仰角度、方位角度上的紅外輻射強度分布見圖3和圖4。從圖1～圖4來看，可以得出以下結論：1）無論是俯仰方向還是方位方向，其紅外輻射均具有很強的方向性，輻射強度與探測角度有很大關系，迎頭方向輻射最小，機體側后方的輻射最強，且長波輻射強度要強于中波輻射；2）在8～14μm長波波段，由于蒙皮面積比排氣管部分的面積大很多，且排氣系統只有在飛機側面可見，因此，無論是俯仰方向還是方位方向，直升機的長波輻射主要來自于蒙皮自身輻射，不低于總體輻射的70％；3）在3～5μm中波波段，蒙皮輻射的貢獻很小，除了迎頭方向，直升機在中波波段輻射主要來自于發動機排氣管部分，且在機體側后方貢獻最大。

3對紅外探測距離的影響分析

紅外探測系統對直升機的探測距離方程可由下式表示［14］：透過率，τ0為光學系統透過率，D0為系統通光口徑，F為光學系統F數，D＊為探測器歸一化探測率，SNR為系統信噪比，tint為探測器積分時間，ω為瞬時視場角，Ap為有效輻射面積，Lb為背景亮度，I為目標紅外輻射強度。當直升機從不同方向θ襲來時，對于探測系統來說其最大探測距離是不同的。這主要是由于直升機紅外輻射強度的方向性差異，對于不同方向襲來的直升機，紅外探測系統接收到目標的紅外輻射強度是不同的，其最大探測距離也是不同的。因此，對于紅外探測系統來說，對目標的探測距離不僅與目標的紅外輻射特性有關，還與目標襲來的方向有關。圖6是相同氣象條件下、同一紅外探測系統對不同方向襲來的某型直升機的探測距離仿真曲線。可以看出，在相同氣象條件下，同一紅外探測系統對某型直升機的探測距離受目標襲來的方向影響很大，對于迎頭襲來的目標的探測距離最小，對于機體側后方約110°方位的探測距離最大，這與圖3和圖4目標在不同方位俯仰上的輻射強度分布基本一致。

4結束語

結合紅外輻射理論、實測數據以及經驗公式，推導的直升機紅外輻射強度算法簡單便捷，具有一定的準確性，可以反映直升機的紅外輻射強度特性，對于紅外探測系統探測距離評估具有重要的意義。

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作者：王冰 張巖岫 高穹 曲衛東 單位：中國洛陽電子裝備試驗中心