地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性研究

黃　莉， 周方方， 祁　鳴, 徐振亞

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽　471009)

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地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性研究

黃莉， 周方方， 祁鳴, 徐振亞

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽471009)

摘要：對地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性的研究以實測數(shù)據(jù)為依托， 以地面雷達(dá)目標(biāo)和環(huán)境為研究對象， 建立一套地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性測試、 計算、 仿真流程。 通過結(jié)合實測數(shù)據(jù)和仿真模型， 來研究地面雷達(dá)目標(biāo)與地面背景在不同時間段相對輻射特性變化情況， 為武器研制提供地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅外輻射； 地面雷達(dá); 溫度； 大氣傳輸； 仿真

0引言

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展， 對目標(biāo)與環(huán)境紅外輻射特性的研究越來越受到各國專家學(xué)者和有關(guān)機(jī)構(gòu)的重視， 目前已成為紅外成像制導(dǎo)型武器研究不可缺少的部分， 直接影響到紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)的性能。

二十世紀(jì)七八十年代， 西方一些發(fā)達(dá)國家從仿真建模和外場實測兩方面入手， 對模型紅外圖像仿真進(jìn)行了大量的研究工作。 1980年， Jacobs率先模擬在各種天氣下， 對建筑物、 公路等簡單幾何外形的物性仿真。 1987年， Gerhart等人提出了模塊化的熱圖像模型計算程序TTIM(TACOM Thermal Image Model)， 物體表面溫度由環(huán)境輻射、 環(huán)境溫度、 表面熱參數(shù)等的函數(shù)組成， 通過對物體表面溫度計算， 仿真繪制出物體的紅外熱圖像。 1988年， Cathcart提出了不同背景的物體紅外仿真模型,得到了物體表面的輻射分布。 1994年， Nandhakumar等人引入內(nèi)熱源的影響， 以及對形成目標(biāo)紅外特征的重要作用， 提出了以八叉樹模型來反映內(nèi)仿真熱源作用的紅外圖像模型。 以上這些方法雖在一定程度上求解了目標(biāo)的紅外輻射特性， 但存在很多的缺陷， 因為其主觀隨意性較大， 原理、 方法以及對環(huán)境因素影響表示過于簡單， 效果都不太理想。

本文借助較為成熟的硬件資源(如短波熱像儀、 中波熱像儀、 長波熱像儀、 光譜輻射計)和軟件資源(如SE-WORKBENCH-IR， VEGA， MODTRAN， JRM)， 結(jié)合紅外輻射特性測試、計算、 仿真流程， 通過實測數(shù)據(jù)和仿真模型， 來研究地面雷達(dá)目標(biāo)與地面背景在不同時間段相對輻射特性變化情況。該研究充分考慮了環(huán)境因素影響， 仿真效果理想， 能為武器研制提供地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)。

1測試實驗

使用紅外熱像儀和光譜輻射計進(jìn)行地面雷達(dá)目標(biāo)的紅外輻射實際測量。 在晴朗天氣下， 用熱像儀測得的地面球形雷達(dá)紅外圖像如圖1所示。

圖1　熱像儀全天測試圖像

由圖1可以看出， 雷達(dá)目標(biāo)周圍的地物背景非常復(fù)雜， 但綜合可以分為植被、 樓房樓頂、 道路。 從全天的數(shù)據(jù)來看， 雷達(dá)罩體平均溫度最高的時間是在15點到17點之間， 溫度最低的時間是在4點到5點左右。 就雷達(dá)罩與周圍地物背景的溫度差別而言， 溫差最大的時間是在15點到16點左右， 溫差最小的時間是在3點至4點左右。

2地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射計算

根據(jù)目標(biāo)溫度分布， 計算目標(biāo)輻射出射度：

M=εσT4

(1)

式中：M為地面雷達(dá)輻射出射度；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε為地面雷達(dá)發(fā)射率；T為地面雷達(dá)表面溫度。

地面雷達(dá)的紅外輻射除了與結(jié)構(gòu)和內(nèi)部熱源有關(guān)外， 還與周圍的環(huán)境有關(guān)。 影響地面雷達(dá)目標(biāo)表面溫度的因素有：入射地面雷達(dá)目標(biāo)上的輻射、 地面雷達(dá)目標(biāo)的吸收率、 地面雷達(dá)目標(biāo)的反射率、 地面雷達(dá)目標(biāo)的熱傳導(dǎo)等。 地面雷達(dá)目標(biāo)的紅外輻射包含兩個方面：自身紅外輻射和環(huán)境輻射。

(1) 自身紅外輻射計算

計算地面雷達(dá)目標(biāo)自身紅外輻射時， 要綜合考慮物體與環(huán)境以及物體各部分之間的各種熱交換。 可以把地面雷達(dá)分成若干部分， 各部分假設(shè)為理想四邊形單元， 任取第k個單元, 單元之間的熱交換如圖2所示。

圖2　單元之間熱交換

圖中， 雷達(dá)單元面積為Ak； 單元溫度為Tk； 單元外表面發(fā)射率為ε1k； 單元內(nèi)表面發(fā)射率為ε2k；J為入射能量流密度；G為出射能量流密度。

雷達(dá)內(nèi)表面的輻射能量流密度為

(2)

雷達(dá)外表面的輻射能量流密度為

(3)

雷達(dá)面元k之間的熱傳導(dǎo)為

(4)

內(nèi)外表面的對流可用牛頓冷卻公式表示為

Ecv=Akh(Tk-Tair)

(5)

式中：Tin為內(nèi)部溫度；εin為內(nèi)倉發(fā)射率；Fk-j為面元之間的輻射交換因子；qenv為面元接收到的環(huán)境輻射特性；λ為導(dǎo)熱率；Tk和Tn(k)分別為相鄰面元溫度；Tair為單元面壁接觸氣體的溫度；h為對流換熱系數(shù)。

(2) 環(huán)境輻射計算

環(huán)境輻射包括太陽、 天空、 地面輻射三個方面， 即

qenv=qsun+qsky+qgrd

(6)

太陽輻射可分為直接輻射、 漫反射輻射和間接輻射三部分。 直接輻射為全波段太陽輻射， 其能量與當(dāng)?shù)貧夂颉?時間、 空間有關(guān)， 一般由實測給出， 也可以由MODTRAN軟件計算出來； 漫反射輻射為太陽光能量經(jīng)天空、 大氣等散射后， 形成的上半球空間的輻射能量， 其值與當(dāng)?shù)貧夂颉?時間、 空間有關(guān)， 一般由實測給出， 也可以由MODTRAN軟件計算出來； 間接輻射時太陽光經(jīng)其他面元輻射到達(dá)該面元， 并被吸收能量， 與直接輻射、 漫反射輻射能量以及面元與太陽波段輻射交換因子有關(guān)， 可由經(jīng)驗公式得到。

天空輻射主要為上半球空間的長波輻射， 輻射強(qiáng)度一般由太陽、 云層等氣象條件所決定， 可由實測和經(jīng)驗公式得到， 也可通過MODTRAN等軟件計算出來。

地面輻射不僅跟氣候有關(guān)， 還跟地面背景輻射多樣性有關(guān)； 不僅要考慮地面的直接輻射， 還要考慮環(huán)境輻射的反射， 其輻射較為復(fù)雜， 一般由實測獲得。

3地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性仿真

地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性仿真采用“相對等效”原理，模擬地面雷達(dá)與環(huán)境在典型實戰(zhàn)情況下生成的等效特征紅外圖像。 主要包含四個步驟：

(1) 根據(jù)相關(guān)的場景信息， 建立地面雷達(dá)和環(huán)境的幾何模型；

(2) 根據(jù)傳導(dǎo)熱學(xué)原理， 建立地面雷達(dá)的熱模型， 計算地面雷達(dá)的表面溫度分布；

(3) 根據(jù)紅外輻射理論， 建立地面雷達(dá)的紅外輻射模型， 計算地面雷達(dá)表面的輻射分布；

(4) 設(shè)置大氣條件參數(shù)， 計算地面雷達(dá)紅外輻射分布經(jīng)過大氣路徑的衰減。

在地面雷達(dá)紅外輻射特性仿真中， 對地面雷達(dá)表面的溫度分布確定是最為關(guān)鍵的， 通過地面雷達(dá)表面溫度來計算地面雷達(dá)的紅外輻射。

通過以下三種方法進(jìn)行紅外特性仿真：

(1) 基于國外仿真軟件包的方法

目前用于紅外特性仿真的專業(yè)軟件有美國的SE和法國的JRM。專業(yè)軟件具有模型豐富、 仿真結(jié)果可信度高、 可快速開發(fā)等優(yōu)點， 同時也有費用高、 不便定制等不足。

(2) 基于傳導(dǎo)熱學(xué)模型的方法

通常結(jié)合紅外傳感器模型和大氣傳輸模型來完成仿真， 其工作主要集中于目標(biāo)與背景表面溫度場的計算， 通過綜合考慮目標(biāo)背景的材質(zhì)、 大氣影響、 太陽輻射等因素， 建立目標(biāo)背景溫度場的熱模型， 計算出目標(biāo)和地面背景的表面輻射量， 在此基礎(chǔ)上通過映射目標(biāo)背景場景的輻射量來得到目標(biāo)背景的紅外模擬圖， 其仿真框圖如圖3所示。

圖3　紅外輻射特性仿真框圖

(3) 基于實測與理論相結(jié)合的方法

理論與實測相結(jié)合的方法克服了理論實驗數(shù)據(jù)少、 獲得較難、 花費較大以及紅外仿真誤差較大的弊端， 通過實測數(shù)據(jù)的修正， 使仿真結(jié)果更加真實、 準(zhǔn)確。 但由于經(jīng)驗參數(shù)與實驗數(shù)據(jù)關(guān)系密切， 所建立模型的精度與對實驗數(shù)據(jù)的分析和經(jīng)驗參數(shù)的取值相關(guān)， 還要確保實驗可行。

4結(jié)束語

本文對地面雷達(dá)目標(biāo)紅外輻射特性的研究主要基于實測數(shù)據(jù)， 結(jié)合仿真模型， 研究了各種環(huán)境因素以及模型中各參數(shù)的選取對目標(biāo)溫度和紅外輻射的影響作用， 同時分析了不同時間段地面雷達(dá)與環(huán)境的相對紅外輻射的差異性， 以歷史氣候積累光熱模型完成地面目標(biāo)特性計算， 并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行校驗， 對提高建模的準(zhǔn)確性研究有一定幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡方明. 光電成像系統(tǒng)建模及性能評估技術(shù)研究[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2005.

[2] 何國經(jīng). 紅外成像系統(tǒng)性能評估方法研究[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2008.

[3] Marshall A, Mruphy K S J.Modeling and Simulation of IR Scenes and Sensors in the UK: Current and Future Capabilities[C]∥SPIE Proceedings on Infrared Technology and Applications XXII, 1996: 591-598.

[4] Wigren C.Model of Image Generation in Optronic(Electro-Optical)Sensor Systems(IGOSS)[C]∥SPIE Proceedings on Infrared Imaging Systems:Design,Analysis,Modeling and Testing IX, 1998: 89-94.

[5] Garnier C, Colloree R, Flifla J, et al.Physically-Based Infrared Sensor Efforts Modeling[C]∥SPIE Proceedings on Infrared Imaging Systems: Design, Analysis,Modeling and Testing X, 1999: 81-94.

[6] McKee D C，Howe D B, Ferrarac F. Sensor Modeling Using a Universa Programmable Interface for Hardware-in-the-Loop IR/EO Testing[C]∥SPIE Proceedings on Technologies for Synthetic Environments:Hardware-in-the-Loop Testing IV, 1999: 470-481.

[7] 劉鑫.三維地面場景紅外仿真方法研究[D].西安: 西安電子科技大學(xué), 2003.

[8] 張紅坡. 紅外成像系統(tǒng)的測試與評價[D].北京： 中國科學(xué)院, 2004.

[9] 藺向明. 基于紅外成像的小目標(biāo)檢測技術(shù)研究[J].航空兵器, 2014(3)：12-15.

[10] 程永強(qiáng), 秦玉亮， 陶永寬， 等. 主動雷達(dá)導(dǎo)引頭地面雷達(dá)站識別技術(shù)研究[J].電子與信息學(xué)報, 2009， 31(10)： 2498-2503.

[11] 韓玉閣, 宣益民.目標(biāo)與背景的紅外輻射特性研究及應(yīng)用[J].紅外技術(shù), 2002(4)： 16-19.

[12] 馮艷華, 岳慧. 海天背景紅外輻射特性研究[J].制導(dǎo)與引信, 2004(4)： 39-43.

[13] 阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京： 國防工業(yè)出版社, 1993.

[14] 馮曉磊, 韓長喜, 鄧大松.世界地面防空雷達(dá)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].信息化研究, 2010(9)： 6-9.

[15] 沈利新, 孫珮瓊. 地面雷達(dá)罩材料的發(fā)展[J].玻璃鋼, 2007(3).

Study on Infrared Radiation Characteristics of Ground-Based Radar Target

Huang Li, Zhou Fangfang, Qi Ming， Xu Zhenya

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:The infrared radiation characteristics of ground-based radar target is studied according to the true testing data, and the research objects contain both ground-based radar target and environment, and the testing, calculation and simulation flow of infrared radiation characteristics of ground-based radar target are designed in this paper. Furthermore, by combining the true testing data and the simulation model, the relative infrared radiation characteristics changes of ground-based radar target and environment in different time are studied as well, and this study can provide infrared radiation characteristics of ground-based radar target data for designing weapons.

Key words:infrared radiation； ground-based radar； temperature； transmission in atmosphere； simulation

作者簡介：黃莉(1983-)，女，貴州銅仁人，工程師，研究方向為紅外目標(biāo)與環(huán)境特性。

收稿日期：2015-07-27

中圖分類號：TN215

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048(2015)06-0063-03