對人工紅外光照射地面目標的紅外特性研究＊

杜石明，馮 源，呂相銀，曾 凱，馮云松，袁 飛

（1電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，合肥 230037；2電子工程學(xué)院安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室，合肥 230037；3解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

目標與背景的光學(xué)特性是對可探測與可識別物理量之間的描述，它反映了光波同目標與環(huán)境相互作用的物理現(xiàn)象，揭示了目標與環(huán)境的某種固有屬性。研究目標的光學(xué)特性對于光學(xué)成像、制導(dǎo)和引信等軍用設(shè)備的論證、設(shè)計、仿真、試驗等提供依據(jù)，同時也是精確制導(dǎo)武器等所運用的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。目前，目標探測技術(shù)已越來越受到重視，利用紅外輻射特性探測目標是一種有效的方法，因此，研究目標的紅外特性具有重要的意義。從國內(nèi)外的文獻來看，在自然環(huán)境下對目標紅外特性研究的比較多，對外界采用紅外光源照射目標的紅外特性研究的較少。因此，文中采用人工光源照射目標的方法對目標紅外輻射特性進行了研究，得到了一些有價值的結(jié)論，為目標紅外特征的模擬以及其它相關(guān)技術(shù)的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 人工光源照射目標的理論模型

由于地面目標的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，外界環(huán)境不斷變化，目標表面的溫度隨時間而變化，很難從理論上對人工光源照射目標的紅外特性作出精確的計算與分析，因此，作出假設(shè)對問題進行簡化：1）假設(shè)目標沒有內(nèi)熱源，表面的溫度根據(jù)目標實際的溫度來確定；2）假設(shè)目標為不透明的朗伯體，環(huán)境因素只與太陽、地面、天空大氣、對流以及人工紅外光源有關(guān)；3）目標材料為各向同性的均勻材料，目標室內(nèi)空氣溫度不變，忽略目標內(nèi)壁間的輻射換熱與外壁面的汽化潛熱。

2 目標表面溫度場的確定

2.1 導(dǎo)熱微分方程

利用導(dǎo)熱微分方程可以求出在一定邊界條件作用下目標內(nèi)的溫度隨空間和時間的分布狀態(tài)，由此可以得出目標表面的溫度分布狀態(tài)和隨時間的變化。三維直角坐標系下的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為[2]：

式中：ρ為密度；c為比熱容；τ為時間；κ為導(dǎo)熱系數(shù)；φv為微元單位體積的發(fā)熱功率。

當沒有內(nèi)熱源而且平面板壁的高度和寬度遠大于厚度時，三維導(dǎo)熱則可按一維導(dǎo)熱處理。對于大部分地面目標如方艙式車體外殼、水泥混凝土路面以及建筑物的外墻壁等很多目標外表面結(jié)構(gòu)，大都滿足此條件，溫度場的基本方程可簡化為無內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱微分方程[3]：

2.2 邊界條件的確立

邊界條件通常有三類[2]：第一類邊界條件為規(guī)定沿導(dǎo)熱物體邊界面上的溫度值，第二類邊界條件為給定導(dǎo)熱物體邊界面上的熱流密度，第三類邊界條件為規(guī)定邊界面上的換熱狀態(tài)。對于目標的外邊界，大都屬于第三類邊界條件。由前面的理論模型中的假設(shè)條件可以得外邊界條件為：

式中n為邊界面某處的外法線方向。上式左邊表示由目標表面向內(nèi)部導(dǎo)熱而損失的熱量，右邊表示由輻射和對流綜合作用造成的目標表面得到的熱量。對于目標的內(nèi)邊界，一般情況下其邊界條件仍然滿足此方程式，但對于具有較好保溫結(jié)構(gòu)的目標，由于其內(nèi)部空調(diào)等設(shè)備的控溫調(diào)節(jié)措施，通?？烧J為內(nèi)壁的溫度近似保持不變，此時可簡化為第一類邊界條件。

對于層與層之間的接觸邊界，根據(jù)能量守恒原則，接觸面上不僅溫度一樣，熱流密度也必須保持一致，例如對于第一層和第二層的邊界面，應(yīng)符合以下條件[4]：

此式也通常被稱為第四類邊界條件。

3 仿真計算分析

以合肥某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物上表面為例，其面積為6m×8m，在2010年4月3日上午7點至8點時刻，人工采用氙燈[5]垂直照射目標（指入射角為0°）。對于光源與該表面的角系數(shù)可以采用定義或解析法計算，具體表達式可參考文獻[6]，設(shè)建筑物厚度為0.25m，并把壁面從外向內(nèi)分為5個薄層，且設(shè)底層絕熱，同時令計算時間t＝kΔτ，k＝1，2，3，4……，時間間隔為10s，計算時間為3600s。

3.1 計算方法

在采用Matlab數(shù)值法求解目標溫度場時，首先應(yīng)對區(qū)域進行離散化，然后利用后向差分法得出內(nèi)部接點方程：

最后經(jīng)過整理得：

對于邊界節(jié)點方程，則對式（3）進行變形并利用能量平衡方法可以得出邊界接點方程為：

對于底層絕熱時的節(jié)點方程經(jīng)過整理可得：

圖1 距離2m、光照時間為10s時光照功率與目標溫度場的關(guān)系

圖2 距離2m、照射功率為103 W時光照時間與目標溫度場的關(guān)系

圖3 光照時間10min、光照功率103 W時光照距離與溫度場的關(guān)系

3.2 結(jié)果分析

從圖1～圖3中可以看出，目標溫度場與人工光源照射功率、光照時間以及光源的照射距離有很大關(guān)系。在照射距離一定的條件下，光源的照射功率越大，對目標照射時間越長，目標溫度場變化越明顯，在相同條件下，目標表面溫度變化速率比較明顯，而內(nèi)層的溫度變化比較緩慢。隨著功率的增加、時間的增長，目標外表面與內(nèi)表面的差值越來越大。對表面而言，在短時間里溫度改變緩慢，如對目標照射10s時，功率從100W增加到103W時，目標的溫度改變0.3K，但是隨著時間的增長，目標表面的溫度改變比較明顯，在功率為103W時，對目標照射1h，其表面溫度可以改變8K左右。在不考慮其他影響因素下，光源距離一定時，隨著時間的增長、功率的增加，目標表面溫度的改變就越明顯。當照射時間與照射功率一定時，目標的表面溫度隨著光照距離的增大而減小，光源越靠近目標，目標的溫度場變化越明顯，光源越遠離目標，目標的溫度場變化越不明顯，當距離遠到一定位置時，目標的溫度場趨于平衡，最終目標與背景保持原來的狀態(tài)，這時光源對目標溫度的影響幾乎可以忽略。因此，在外界條件影響很小的情況下，在合理的條件下，對目標采用人工光照可以使目標的溫度場發(fā)生改變，從而改變目標的紅外特性。

4 目標的紅外輻射特性

4.1 目標的反射輻射

目標的反射輻射由兩部分組成，一部分是目標對太陽、天空大氣以及地面的反射，在本理論模型中已經(jīng)作了假設(shè)，即以某一時刻來算，可以近似的把太陽、天空大氣以及地面的總輻射看作是一個不變量；另一部分就是人工光源照射目標時目標的反射。則目標的反射輻射可以表示為：

式中，ρe為等效反射系數(shù)，則目標反射的輻射亮度可由漫反射源的輻射特性得出：

4.2 目標的自身輻射

在上面計算出目標表面溫度以后，根據(jù)全電磁波段輻射出射度的公式M＝εσT4可以計算目標自身的輻射出射度。則目標的輻射亮度為：

綜上所述，目標總的輻射亮度為L＝Ls＋Lr。

4.3 計算結(jié)果與分析

圖4、圖5為在光照距離2m的情況下，目標在不同光照功率與不同光照時間時的輻射亮度，為了便于分析結(jié)果，同時給出了溫度場曲線與目標反射的輻射亮度曲線。

由圖4、圖5可以看出，對目標進行人工光源照射時目標的紅外特性將發(fā)生改變，不管是短時間還是長時間的光照（文中以1h為例），目標的紅外特性將發(fā)生改變。在短時間照射時，改變的程度主要取決于反射輻射，而自身輻射改變量可以忽略；在不考慮其他因素時，光照功率越大，目標反射輻射部分越大，目標總的輻射亮度越大，目標的紅外特性變化越大。以10s來計算，功率從100W變化到103W時，目標的總輻射亮度改變32W／（m2·sr）。對于長時間的光照，由于目標表面的溫度變化較明顯，因此自身輻射將不能忽略，所以改變的程度主要取決于自身輻射與反射輻射。綜上所述，人工采用紅外光源照射目標時，目標的紅外輻射特性將發(fā)生改變，條件的不同，改變的程度將不同。

圖4 在光照時間為10s功率與表面溫度、目標輻射亮度關(guān)系

圖5 在光照功率為103 W照射時間與表面溫度、目標輻射亮度關(guān)系

5 結(jié)束語

文中在對采用人工紅外光照射目標時紅外特性的研究中，通過分析，對一些情況作了合理的假設(shè)，采用數(shù)值計算的方法對目標紅外特性進行了計算與分析，這些數(shù)據(jù)與曲線圖代表了人工光源照射目標時目標溫度場與紅外特性變化的一種趨勢，對目標的探測、識別、紅外特性的模擬以及成像系統(tǒng)的研制具有一定的參考價值。

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