紅外成像水面靶標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閻肖鵬,喬　軼

(解放軍91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連　116023)

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紅外成像水面靶標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

閻肖鵬,喬軼

(解放軍91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連116023)

水面靶標(biāo)為反艦武器海上飛行試驗(yàn)提供水面模擬艦船目標(biāo)。介紹了紅外成像靶的功能和技術(shù)指標(biāo),詳細(xì)給出了艦船紅外成像模擬實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)方案、硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方式。海上測(cè)試結(jié)果表明,這種靶標(biāo)能夠較好地實(shí)現(xiàn)艦船紅外熱像模擬,在海上試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用中取得了預(yù)期效果。

水面靶標(biāo);艦船紅外成像;目標(biāo)特性;模擬

水面靶標(biāo)是為海上反艦武器飛行試驗(yàn)提供水面模擬艦船目標(biāo)[1]。紅外成像制導(dǎo)[2]是目前反艦導(dǎo)彈的主要制導(dǎo)方式之一,具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、效費(fèi)比高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),紅外成像水面靶標(biāo)用來(lái)模擬真實(shí)水面作戰(zhàn)艦艇的紅外輻射特性,為搭載紅外成像導(dǎo)引頭的反艦導(dǎo)彈海上飛行試驗(yàn)提供目標(biāo)模擬,考核其搜索、跟蹤與攻擊性能。模擬水面艦艇目標(biāo)的輻射溫度、目標(biāo)和背景的輻射溫差,完成目標(biāo)的形狀和大小等參數(shù)的設(shè)定和控制,是紅外成像水面靶標(biāo)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

1　水面艦艇紅外輻射特性與模擬需求

水面艦艇在海上航行時(shí),其動(dòng)力部分和煙囪等發(fā)熱部位不斷地進(jìn)行紅外輻射[3],同時(shí)接收來(lái)自背景的各種輻射:海面自身的熱輻射、海面反射太陽(yáng)輻射以及海面反射天空大氣輻射。隨著季節(jié)、太陽(yáng)天頂角、光照條件的不同,艦船的紅外輻射特性也會(huì)產(chǎn)生不同的變化[4]。

根據(jù)對(duì)艦艇與海面背景的紅外特性測(cè)量研究結(jié)果,統(tǒng)計(jì)實(shí)際艦艇與海面的紅外輻射溫差為:煙囪外壁與海面平均輻射溫差為10℃～15℃;動(dòng)力艙外壁與海面平均輻射溫差為6℃～8℃;船舷與甲板與海面平均輻射溫差為2℃～4℃。

紅外制導(dǎo)實(shí)際上是利用彈上的紅外探測(cè)器,捕獲和跟蹤水面艦船目標(biāo)自身輻射的紅外能量來(lái)實(shí)現(xiàn)尋的制導(dǎo),紅外導(dǎo)引系統(tǒng)正常工作應(yīng)具備以下三個(gè)條件:一是到達(dá)紅外探測(cè)器的紅外輻射足夠強(qiáng),即入射的輻射波長(zhǎng)與探測(cè)器的工作波長(zhǎng)相匹配,入射的輻射能量足夠多;二是目標(biāo)和背景之間有一定的輻射對(duì)比度;三是目標(biāo)必須具備足夠的尺寸和形狀。

2　紅外成像靶技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1艦船紅外輻射模擬原則

水面靶標(biāo)紅外成像模擬的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)表面發(fā)射率及表面溫度的控制,將靶標(biāo)紅外輻射特性控制在所需范圍之內(nèi)。物體的紅外表面發(fā)射率與表面結(jié)構(gòu)和材料密切相關(guān),當(dāng)表面材料及結(jié)構(gòu)確定時(shí),其表面輻射特性只由溫度決定[5]。

紅外成像靶用來(lái)模擬典型驅(qū)護(hù)艦的紅外輻射特性,考慮到實(shí)際作戰(zhàn)艦艇主體尺寸一般比較大,從靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)的性?xún)r(jià)比考慮,不可能也沒(méi)必要全尺寸地對(duì)所有部位進(jìn)行模擬,一般對(duì)重要部位或?qū)t外輻射貢獻(xiàn)比較大的部位進(jìn)行模擬。同時(shí),采用縮比的方法,以降低紅外成像靶的研制難度、建造成本,以及提高海上使用的便捷和安全。

為了模擬不同艦艇,紅外成像靶的設(shè)計(jì)一般要求輻射面積和形狀可根據(jù)需求,進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整變化,以完成不同水面艦艇熱像模擬,因此紅外模擬部分采用模塊化組合。通過(guò)對(duì)不同艦艇的研究,獲得不同艦艇的紅外輻射源紅外輻射面積為:大面積為700m2、中等面積為500m2～600m2、小面積為300m2～400m2。在具體技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上可利用多組基本紅外模塊,構(gòu)成不同的紅外輻射特性模擬組合,從而得到不同水面艦艇的紅外輻射特性模擬。

水面靶標(biāo)紅外輻射特性模擬的設(shè)計(jì)主要完成內(nèi)容包括三個(gè)方面:一是完成艦艇形狀大小,即輻射面積的模擬;二是完成艦艇輻射亮度,即輻射溫度的模擬;三是完成艦艇與海面的輻射溫差的模擬。

2.2紅外成像靶功能與技術(shù)指標(biāo)

模擬目標(biāo)類(lèi)型:典型驅(qū)護(hù)艦;

模擬內(nèi)容:模擬典型艦艇的主要輻射源面積和輻射溫度分布等紅外特性;

平均輻射溫差:靶標(biāo)主要輻射源與海面平均輻射溫差,Ti=2K～18K;

模擬舷角范圍:要求模擬0°、正橫±45°舷角范圍內(nèi)目標(biāo)艦艇的主要紅外特性(輻射溫度和輻射面積);

典型目標(biāo)等效輻射面積模擬近似度:≥0.85;

靶標(biāo)從開(kāi)始加溫到溫度穩(wěn)定時(shí)間:≤30min。

具體功能:模擬典型驅(qū)護(hù)艦基本外形與紅外輻射溫度分布特性;手動(dòng)/遙控完成紅外輻射單元的開(kāi)關(guān)機(jī)及溫度、工作狀態(tài)等技術(shù)參數(shù)檢測(cè)、顯示和記錄;具有拼裝、組合和調(diào)整紅外輻射模塊位置和尺寸;可對(duì)目標(biāo)紅外特性分析評(píng)估,根據(jù)試驗(yàn)要求完成不同目標(biāo)的紅外特性分析,生成靶標(biāo)紅外輻射單元配置方案;完成對(duì)比誤差分析與模擬近似度分析。

2.3紅外成像靶總體設(shè)計(jì)

如圖1所示,紅外成像靶主要由紅外輻射單元、測(cè)溫控溫模塊、氣象站以及船體、控制分系統(tǒng)、定向側(cè)推裝置和船體航向測(cè)量等組成。由于靶標(biāo)工作時(shí)無(wú)人值守,控制分系統(tǒng)完成系統(tǒng)各部分的控制,而其指令的發(fā)出實(shí)際上由位于陸地的遙控地面站通過(guò)遙控實(shí)現(xiàn)。

測(cè)溫控溫模塊主要由加熱、溫度測(cè)量與控制以及電源等部分組成;由于艦船的紅外輻射特性與周?chē)沫h(huán)境密切相關(guān),氣象站可提供試驗(yàn)海域的風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫度、濕度和海水溫度等氣象參數(shù);紅外成像靶使用時(shí),要求船體的艏艉線角度與反艦導(dǎo)彈攻擊方向在一定的角度范圍內(nèi),定向側(cè)推裝置的作用是將船體的航向保持在一定的范圍內(nèi)。

地面站的遙控操作人員,根據(jù)預(yù)定的試驗(yàn)方案、海上的實(shí)時(shí)氣象參數(shù)與預(yù)模擬的海上典型目標(biāo),由艦船紅外特性分析評(píng)估軟件,確定紅外靶上各部分加熱模塊的加熱溫度,通過(guò)遙控計(jì)算機(jī)發(fā)出遙控指令。紅外特性分析評(píng)估軟件[6]由典型目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)庫(kù)、靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)及紅外特性分析處理模塊等組成。

紅外輻射單元的種類(lèi)、加熱控制手段和在船體上的安裝組合是紅外成像靶的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。根據(jù)模擬艦艇部位的不同,紅外輻射單元包括加熱輻射單元和非加熱輻射單元兩部分。

1) 加熱輻射單元

靶標(biāo)上的加熱輻射單元模擬艦船的煙囪、動(dòng)力艙外壁,加熱輻射單元由多塊溫度可控的加熱輻射模塊拼裝而成。紅外加熱輻射單元采用“反射加隔熱”的加熱技術(shù),加熱輻射單元為封閉的金屬外殼,內(nèi)有玻纖硅橡膠加熱片、鋁箔反射膜、橡塑聚酯膜作為隔熱絕緣材料。

紅外加熱輻射單元的拼接處于垂直于海面的平面上,而在實(shí)際艦船上是三維立體分布,在陽(yáng)光的照射下,由于遮擋和表面法線與入射太陽(yáng)光線的夾角不同,形成明暗不同的紅外分布特征。這些細(xì)節(jié)用一個(gè)平面組合表現(xiàn)十分困難,技術(shù)上也難以實(shí)現(xiàn)。紅外成像靶是將真實(shí)艦船的關(guān)鍵部位的紅外分布特性進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)艦的紅外特性模擬,這些特性已能夠滿(mǎn)足目前紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)海上跟蹤要求。

2)非加熱輻射單元

非加熱輻射單元模擬艦船的部位為艦橋、船舷。非加熱輻射單元采用涂漆方式實(shí)現(xiàn)。理論和實(shí)驗(yàn)表明,漆層的表面顏色決定其吸收率和發(fā)射率,在陽(yáng)光照射條件下可形成不同的表面輻射溫度。利用這一原理對(duì)艦橋、船舷表面采用不同發(fā)射率的涂漆,靠陽(yáng)光照射和不同時(shí)間環(huán)境溫度變化的影響形成具有溫度梯度的溫度分布特性,構(gòu)成局部的紅外輻射分布特征,達(dá)到與海水輻射溫差值。

3)紅外輻射單元安裝固定

加熱和非加熱兩種單元結(jié)構(gòu)的安裝尺寸完全相同,便于安裝固定和不同位置的互換。通過(guò)紅外輻射單元的拼接和組裝,完成模擬典型艦船煙囪外壁、動(dòng)力艙外壁、艦橋和船舷等相應(yīng)單元的尺寸和位置。

通過(guò)紅外特性分析軟件,根據(jù)典型艦艇的拼接方案庫(kù)得到紅外輻射單元安裝位置和溫度控制范圍。按照紅外特性分析軟件提供的拼接方案完成靶船紅外輻射單元的整體拼接。整個(gè)拼接過(guò)程在碼頭完成,局部單元調(diào)整可依靠手工完成。單元調(diào)整時(shí)吊裝方法如圖2所示,吊裝架為輕型鋼支架,利用滑輪和繩索,進(jìn)行吊裝。

2.4測(cè)溫控溫模塊

紅外成像靶上的控溫模塊多達(dá)幾十個(gè),從加電到滿(mǎn)足溫度要求時(shí)間一般小于30分鐘,采用PWM輸出接口,實(shí)現(xiàn)PID溫度控制。溫控算法采用脈寬調(diào)制法進(jìn)行,當(dāng)每個(gè)獨(dú)立加電單元的溫度值低于目標(biāo)溫度值時(shí),根據(jù)實(shí)測(cè)溫度值與目標(biāo)溫度值之間的差值大小,進(jìn)行頻率相同但占空比不同的脈沖加熱方式,頻率設(shè)計(jì)為5Hz,占空比為1%～100%。測(cè)溫模塊為非控溫只測(cè)量的點(diǎn)?？販啬K和測(cè)溫模塊可進(jìn)行硬件擴(kuò)展。紅外成像靶的紅外模擬面積一般為幾百平方米,因此各溫度區(qū)域需要分散測(cè)量控制。溫度傳感器選用鉑電阻pt100,優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、線性好、精度高。

靶標(biāo)上通信模塊包括兩部分:數(shù)傳電臺(tái)完成與遙控地面站的通信;電力載波通信接口,實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)上各加熱模塊與中心控制計(jì)算機(jī)之間的通訊。

由于采集的溫度點(diǎn)多且分散,將采集的溫度點(diǎn)分組,利用CAN總線連接,控制器與總線之間通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。每個(gè)加熱單元配備一個(gè)溫度控制器。各個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的溫度目標(biāo)值,然后控制固態(tài)繼電器通斷,使加熱單元溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值上,溫差控制在0.5℃以?xún)?nèi),脈寬調(diào)制加熱由TMS320F2812的PWM輸出實(shí)現(xiàn)[7]。加熱區(qū)域?yàn)闊焽韬蛣?dòng)力艙共90m2,每個(gè)加熱單元尺寸為1.5m×1.5m,共40個(gè)。對(duì)于非溫控單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集8路溫度傳感器信號(hào),非溫控的溫度傳感器共36個(gè),設(shè)置5個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器采集溫度。另設(shè)置一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)控制器向數(shù)傳電臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)溫度、采集氣象數(shù)據(jù)以及太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)。

2.5紅外特性分析評(píng)估軟件

紅外特性分析軟件的主要功能包括:典型目標(biāo)結(jié)構(gòu)分析;典型目標(biāo)主要輻射源特性和主要輻射源組合特性分析計(jì)算;紅外成像靶模擬組合特性分析計(jì)算;對(duì)比誤差分析與模擬近似度分析計(jì)算。紅外特性分析軟件由典型目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)庫(kù)、靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)及紅外特性分析處理模塊等組成。紅外特性分析評(píng)估軟件各部分關(guān)系如圖3所示。

圖3　紅外特性分析評(píng)估軟件各部分關(guān)系圖

1) 靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)

靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)存儲(chǔ)模擬典型艦船目標(biāo)的幾何模型、在不同觀測(cè)方向上的投影圖像以及投影面積等信息,同時(shí)存儲(chǔ)紅外成像靶模擬此典型目標(biāo)的紅外輻射單元安裝設(shè)置方案。靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)的技術(shù)要求包括典型目標(biāo)、典型水平觀測(cè)方向(0°,±10°,±20°,±30°,±40°,±45°)和輻射面積模擬近似度(≥0.85)。由于船體形狀固定,只有紅外輻射面板的數(shù)量和位置可變,一旦確立紅外輻射單元的數(shù)量、類(lèi)型、安裝位置和幾何形狀,紅外成像靶的幾何形狀就可確定。

2) 紅外特性分析處理模塊

目標(biāo)特性分析處理模塊完成靶標(biāo)的幾何構(gòu)型[8]、紅外模型運(yùn)算以及紅外特性顯示[9]。

靶標(biāo)的幾何構(gòu)型生成包括以下功能:根據(jù)典型目標(biāo)艦艇在給定方向上對(duì)輻射面積的要求,設(shè)置紅外輻射單元的位置和需要的基本輻射源模塊數(shù)量;從靶標(biāo)設(shè)計(jì)方案庫(kù)中載入已有典型靶船幾何構(gòu)型;存儲(chǔ)新生成的靶船幾何構(gòu)型配置方案。

紅外模型運(yùn)算的功能是調(diào)用典型目標(biāo)紅外輻射特性數(shù)據(jù)庫(kù),基于典型目標(biāo)煙囪、動(dòng)力艙外壁、艦橋、艦舷等的溫度與海面溫度,以及目前海面氣象參數(shù),計(jì)算提供靶標(biāo)與海面的紅外特性、以及靶船與海面的紅外輻射溫差。由兩個(gè)部分組成:靶船目標(biāo)紅外特性計(jì)算和海面輻射特性分析。

紅外特性顯示模塊調(diào)用紅外模型運(yùn)算子模塊計(jì)算出靶船及海面的紅外特性,以紅外成像方式顯示靶船的紅外成像,以及靶船與海面的紅外輻射溫差。

3　紅外成像靶海上測(cè)試

實(shí)際上經(jīng)常采用的艦艇紅外輻射特性測(cè)量可利用紅外成像儀、激光測(cè)距儀(如距離遠(yuǎn)可采用兩端GPS定位獲取測(cè)量距離)和氣象計(jì)等設(shè)備來(lái)進(jìn)行。待測(cè)目標(biāo)艦進(jìn)行機(jī)動(dòng),使船體在預(yù)定距離的不同方位對(duì)準(zhǔn)紅外成像儀,從而獲得不同距離、方位的艦艇紅外輻射圖像。同時(shí)利用氣象計(jì)進(jìn)行環(huán)境輻照氣象測(cè)量,測(cè)量記錄試驗(yàn)海區(qū)的溫度、濕度、氣壓值,風(fēng)速。

紅外靶各部位分別布有多個(gè)溫度傳感器,測(cè)量溫度Ti,并且有該部件的外形尺寸,以及對(duì)應(yīng)的表面材料發(fā)射率ε,同時(shí)可測(cè)得對(duì)應(yīng)波段的天空輻照度Lb,得到在觀測(cè)方向上靶船對(duì)應(yīng)部位的輻亮度L,并可計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的輻射溫度Tb。紅外成像靶的海上實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

利用紅外熱像儀定量分析處理軟件對(duì)紅外成像靶各輻射源和全船、對(duì)比典型目標(biāo)艦艇的的強(qiáng)輻射源和全船以及海面背景紅外輻射特性進(jìn)行分析處理[9]。為檢驗(yàn)理論模型的計(jì)算精度,將理論模型計(jì)算結(jié)果與熱像儀測(cè)量的實(shí)際輻射溫度進(jìn)行比較,對(duì)比分析理論模擬目標(biāo)紅外熱像的近似度。靶船模擬近似度評(píng)價(jià)包含幾何外形以及輻射面積兩個(gè)方面。理論建模計(jì)算紅外成像靶以及海面的輻射溫度,存在較多誤差因素,加之理論建模的簡(jiǎn)化,理論模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量圖像存在一定誤差,主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面:

1)發(fā)射率的精確度[10]。靶標(biāo)表面材料的發(fā)射率通過(guò)測(cè)量獲得,發(fā)射率測(cè)量在長(zhǎng)波波段誤差在±0.05以?xún)?nèi);

海面發(fā)射率通過(guò)理論計(jì)算獲得,也存在一定的誤差;

2)靶船和海面的測(cè)量溫度。靶船和海面的輻射溫度基于測(cè)量溫度數(shù)據(jù),此誤差直接影響最終計(jì)算的輻射溫度,并且對(duì)最終輻射溫度的影響較大。

3)背景輻照度的測(cè)量誤差。輻射溫度的計(jì)算中需要用到輻照計(jì)測(cè)量的在7.7μm～9.5μm的紅外輻照度Lb,該部分測(cè)量誤差也會(huì)反映到輻射溫度的理論計(jì)算中。

4　結(jié)束語(yǔ)

在總結(jié)分析反艦導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭對(duì)海上艦船熱像要求的前提下,提出水面靶標(biāo)紅外輻射特性模擬原則,給出紅外成像靶的系統(tǒng)功能組成和實(shí)現(xiàn)原理,利用加熱單元與非加熱單元組合的技術(shù)手段完成艦船紅外輻射特性的模擬。此紅外成像靶標(biāo)通過(guò)海上實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,已在反艦武器海上飛行試驗(yàn)中多次成功使用,達(dá)到了預(yù)期目的。

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Design and Realization of a Infrared Imaging Target Ship

YAN Xiao-peng, QIAO Yi

(Element 93 of Unit 91550 of PLA, Dalian 116023,China)

A target ship provides the simulating naval surface target in a anti-ship weapon launching test at sea. The functionality and technical parameters of the infrared imaging target is introduced,and the overall project design,the realization method of hardware and software are given in details.The experimental result shows that the infrared imaging target ship not only can simulate infrared image of sea warship,but also works well at sea engineering environment.

target ship;ship infrared image; target characteristics; simulation

1673-3819(2016)04-0119-04

2016-05-22

2016-06-13

閻肖鵬(1973-),男,吉林德惠人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榘袌?chǎng)測(cè)控技術(shù)。

喬軼(1986-),女,工程師。

TJ760.6

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.024