紅外雙波段自適應(yīng)偽裝裝置研究

何士浩，劉 劍,2，張俊舉，曾 萌,2

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紅外雙波段自適應(yīng)偽裝裝置研究

何士浩1，劉 劍1,2，張俊舉1，曾 萌1,2

（1.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.無錫市星迪儀器有限公司，江蘇 無錫 214000）

對紅外雙波段自適應(yīng)偽裝裝置的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了理論分析，并詳細(xì)介紹了裝置的組成、設(shè)計(jì)方案和硬件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的自適應(yīng)偽裝效果。裝置可以在近紅外和遠(yuǎn)紅外雙波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)偽裝，對自適應(yīng)偽裝裝置的研發(fā)有一定的參考價(jià)值。

近紅外；遠(yuǎn)紅外；雙波段；自適應(yīng)偽裝

0 引言

由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事偵察和精確打擊能力大幅度提高，紅外高技術(shù)偵察手段顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢和作用。在這種條件下，軍事目標(biāo)的生存防衛(wèi)顯得尤為重要。偽裝是提高軍事目標(biāo)戰(zhàn)場生存能力的一種重要手段。妨礙敵人偵察和干擾制導(dǎo)武器攻擊目標(biāo)的偽裝遮蔽物稱為遮障，具有偽裝頻域?qū)挕r(jià)格低廉，使用方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，集中體現(xiàn)了隱真、遮蔽、融合等3項(xiàng)偽裝技術(shù)，被廣泛用于地面固定工程設(shè)施及裝備的偽裝，在條件允許的情況下，還可作為大面積施工地域以及集群目標(biāo)的偽裝。

偽裝遮障有兩點(diǎn)要考慮的因數(shù)。一方面，偽裝材料所仿造的斑點(diǎn)、圖案、表面狀態(tài)及波譜特征（如顏色、亮度、雷達(dá)散射系數(shù)和中遠(yuǎn)紅外輻射特性）要與背景特征相匹配。對于特定的環(huán)境，一般可以找到與背景波譜特征相匹配的材料。但當(dāng)目標(biāo)所處環(huán)境的溫度、亮度等發(fā)生改變時(shí)，目標(biāo)的波譜特征也相應(yīng)的發(fā)生變化，這時(shí)偽裝材料的波譜特征難以與之相匹配，偽裝失效。另一方面，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，敵方的偵察已不僅僅是單一的偵察形式，而是多種偵察手段綜合運(yùn)用。在這種情況下，偽裝遮障系統(tǒng)應(yīng)是包括紫外、可見光、近紅外、遠(yuǎn)紅外以及毫米波、厘米波等波段的全波段兼容的綜合性器材，又應(yīng)是在各個波段的單一頻波上有最佳性能的器材，以有效的對付全波段內(nèi)的相應(yīng)的探測器材的綜合性或單一性、高分辨率的探測。針對以上兩點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種紅外雙波段自適應(yīng)控溫變色偽裝裝置。

1 原理分析

紅外雙波段自適應(yīng)控溫變色偽裝裝置中的雙波段指波長1～3mm的近紅外波段和波長8～14mm的遠(yuǎn)紅外波段。通過采集目標(biāo)溫度及環(huán)境照度等信息，可自動調(diào)控偽裝板溫度及表面近紅外補(bǔ)償，使其與背景的紅外輻射特性相對一致，達(dá)到目標(biāo)對近紅外與遠(yuǎn)紅外波段的自適應(yīng)智能偽裝效果。

1.1 遠(yuǎn)紅外自動控溫功能

通過感知環(huán)境紅外信號和裝置自身的遠(yuǎn)紅外信號，經(jīng)由控制電路處理，輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號驅(qū)動半導(dǎo)體芯片，使裝置的紅外輻射溫度能根據(jù)環(huán)境溫度快速變溫，形成遠(yuǎn)紅外迷彩大斑點(diǎn)，達(dá)到自適應(yīng)迷彩偽裝效果；或者通過PC機(jī)的人為調(diào)控，改變紅外大斑點(diǎn)的溫度，形成所需迷彩；隨著溫度的改變，裝置表面的遠(yuǎn)紅外特性也進(jìn)行相應(yīng)改變，使目標(biāo)在遠(yuǎn)紅外部分達(dá)到與環(huán)境特征動態(tài)融合的效果，實(shí)現(xiàn)溫度可調(diào)式自適應(yīng)變化。

1.2 近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償功能

近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償模塊主要實(shí)現(xiàn)裝置在近紅外波段的偽裝。通過采集環(huán)境光的照度信息，并將采集到的照度信息傳送到主控電路模塊；主控電路根據(jù)采集到的照度信號，結(jié)合裝備及目標(biāo)的近紅外反射率，計(jì)算輸出電壓驅(qū)動信號，采用PWM驅(qū)動調(diào)制，通過電壓占空比的變化自動改變補(bǔ)償量；補(bǔ)償驅(qū)動模塊接收主控電路模塊輸出的驅(qū)動信號，驅(qū)動LED發(fā)光，LED發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動信號的變化而變化，達(dá)到近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

裝置由偽裝板單元模塊、光度探頭、熱釋電探頭、單片機(jī)主控模塊、電源模塊、PC機(jī)構(gòu)成，原理框圖如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

Fig.1 Device structure

2.1 電源模塊

裝置工作電壓為標(biāo)準(zhǔn)市電電壓，即220V交流電。電源模塊內(nèi)置12V變壓器，電源模塊硬件方面采用低壓差線性穩(wěn)壓芯片，將12V電壓轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的5V電壓。5V電壓用于運(yùn)算放大器、EEPROM、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、熱釋電探頭、LED驅(qū)動等，12V電壓用于驅(qū)動H橋電路。

2.2 溫度采集模塊

裝置中包含2個采溫裝置，一是通過溫度傳感器（AD590）探測偽裝板的溫度，二是通過非接觸式紅外溫度傳感器（熱釋電紅外傳感器），探測背景環(huán)境的溫度，選用型號為TN901。TN901采用高靈敏度、高精度、低功耗的設(shè)計(jì)，保證了采用的優(yōu)良特性，同時(shí)，TN901自帶內(nèi)部協(xié)議，包含模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，熱釋電紅外探頭接收到目標(biāo)的紅外輻射，根據(jù)紅外測溫原理將目標(biāo)的紅外輻射信息轉(zhuǎn)化成目標(biāo)的溫度，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號輸出。

圖2 環(huán)境溫度采集流程

2.3 照度采集模塊

參考光譜亮度補(bǔ)償?shù)睦碚撛恚员尘爸脖坏姆瓷渎屎脱b置的反射率差值與環(huán)境中目標(biāo)波段光強(qiáng)的乘積，作為所需補(bǔ)償量。由光度探頭采集環(huán)境的光照強(qiáng)度，光度探頭中包括硅光電池和濾光片，光度探頭將采集到的信息傳送到CD4066芯片。CD4066是雙向模擬開關(guān)，由4個相互獨(dú)立的模擬開關(guān)構(gòu)成，每個開關(guān)有輸入、輸出和控制3個端子，其中輸入、輸出端可以互換。控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；控制端加低電平時(shí)，開關(guān)斷開。開關(guān)可以相互獨(dú)立的開斷，互不影響。從CD4066出來的照度信息通過ADS1101模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，輸出給單片機(jī)使用，單片機(jī)將有用信號存儲于FM24C04。照度采集模塊電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 照度采集模塊電路的結(jié)構(gòu)

2.4 偽裝板單元模塊

偽裝板是裝置的主要部分，利用偽裝板可對需要偽裝的目標(biāo)進(jìn)行遮擋，偽裝板與背景在近紅外與遠(yuǎn)紅外波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動態(tài)融合，達(dá)到偽裝效果。偽裝板由若干個單元模塊拼接而成，裝置中的偽裝板由32個單元模塊組成，被均分成4組，每組后面設(shè)有溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)探測各組的溫度，探測到的溫度信息依次經(jīng)過濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，輸出給單片機(jī)，如圖3所示。每個單元模塊又包括近紅外補(bǔ)償模塊和遠(yuǎn)紅外控溫模塊。這些單元模塊由表面層、隔熱層、電路層和散熱層組成，單元模塊形狀成正六邊形，有利于偽裝板的無縫拼接及面積擴(kuò)展。單元模塊上均勻分布著6個不同波長的LED燈，6種波長覆蓋近紅外波段，通過導(dǎo)光柱將光線導(dǎo)出，用作近紅外補(bǔ)償。表面層背面緊貼半導(dǎo)體元件，在驅(qū)動電壓的控制下，半導(dǎo)體元件可實(shí)現(xiàn)升溫或降溫。偽裝板單元模塊結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 偽裝板單元模塊切面圖

2.5 單片機(jī)主控模塊

單片機(jī)主控模塊完成信息的分析、處理以及整體調(diào)控。裝置中的單片機(jī)采用R8C028單片機(jī)，光度探頭采集的照度信息、TN901采集的背景溫度信息以及AD590采集的偽裝板溫度信息匯總到單片機(jī)主控模塊，單片機(jī)根據(jù)背景及偽裝板的溫度差，產(chǎn)生驅(qū)動信號用于驅(qū)動H橋電路。同時(shí)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境照度信息及偽裝板表面反射率，產(chǎn)生驅(qū)動信號用以控制發(fā)光二極管。

2.6 PC機(jī)

裝置上含有串口，可根據(jù)需要與PC機(jī)相連，通過串口調(diào)試助手可對裝置進(jìn)行控制。裝置通過串口可輸出環(huán)境照度信息、偽裝板及環(huán)境背景溫度信息。PC機(jī)也可通過串口向裝置發(fā)送指令，控制偽裝板整體或單個區(qū)域的升溫或降溫。

3 裝置的性能測試及應(yīng)用

3.1 遠(yuǎn)紅外自適應(yīng)性

遠(yuǎn)紅外自適應(yīng)性是指偽裝板溫度可以隨環(huán)境溫度的變化而變化，完成自動控溫功能，裝置的自動控溫過程曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為17.8℃。

實(shí)驗(yàn)中，將紅外溫度傳感器對準(zhǔn)背景（實(shí)驗(yàn)開始背景溫度與環(huán)境溫度相同），參照板不作任何處理，不具備自適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)開始1～9s時(shí)，保持背景溫度不變，參照板和偽裝板溫度與背景（環(huán)境）溫度近似相等，9s時(shí)改變背景溫度，使之升高到22.8℃，2s后偽裝板溫度開始升高，25s時(shí)，達(dá)到與背景相近的溫度并保持穩(wěn)定狀態(tài)，40s時(shí)，背景溫度降低到環(huán)境溫度，隨后偽裝板也下降到環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)與背景溫度一致變化的自適應(yīng)偽裝效果。而參照板在實(shí)驗(yàn)中保持溫度不變，不具備自適應(yīng)性。

圖5 裝置自適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)曲線

如圖6紅外自適應(yīng)效果圖所示，將偽裝板分成兩部分，一部分與控制板相連，為偽裝區(qū)，另一部分與控制板斷開，為非偽裝區(qū)。將手臂作為目標(biāo)，熱釋電探測器探測手臂溫度?？梢园l(fā)現(xiàn)，在偽裝區(qū)內(nèi)，手臂與偽裝板溫度相同，達(dá)到幾乎完全融合的狀態(tài)，而非偽裝區(qū)內(nèi)，手臂與偽裝板溫度相差較大，在遠(yuǎn)紅外圖像下，目標(biāo)暴露明顯。

圖6 遠(yuǎn)紅外自適應(yīng)性效果圖

3.2 近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償

圖7為近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償效果圖，偽裝板被分成補(bǔ)償區(qū)和非補(bǔ)償區(qū)兩部分，以樹為背景目標(biāo)，在環(huán)境光照度20000lx下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過相關(guān)軟件計(jì)算圖像灰度值，表1給出了環(huán)境照度20000lx時(shí)各區(qū)域的灰度及其同目標(biāo)的對比度信息，從表中可以看到，補(bǔ)償區(qū)同目標(biāo)的對比度遠(yuǎn)小于非補(bǔ)償區(qū)同目標(biāo)的對比度，裝置可以實(shí)現(xiàn)近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償功能。

圖7 近紅外自適應(yīng)補(bǔ)償效果圖

表1 環(huán)境照度20000lx下各區(qū)域灰度及其同目標(biāo)的對比度

4 結(jié)論

本文討論了裝置的組成、設(shè)計(jì)方案，并對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的自適應(yīng)偽裝效果。本文的研究成果一方面可應(yīng)用于提高部隊(duì)武器裝備的偽裝防護(hù)水平，保證機(jī)動群團(tuán)在現(xiàn)代高技術(shù)偵察手段下的隱形特性，從而確保軍事目標(biāo)的安全；另一方面可推廣應(yīng)用于機(jī)庫、陣地等固定目標(biāo)的偽裝防護(hù)，也可用應(yīng)用于指導(dǎo)地形假目標(biāo)的設(shè)計(jì)及野營帳篷、野戰(zhàn)醫(yī)院的搭建。本文的研究成果具有重要的軍事、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值和良好的推廣前景。

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Research on an Adaptive Camouflage Device Based on Near and Far Infrared Bands

HEShihao1，LIUJian1,2，ZHANG Junju1，ZENGMeng1,2

(1.,,, 210094,; 2.,,214000,)

Inthis paper, the scheme of an infrared dual-band adaptive temperature control and color-changing camouflage device is theoretically analyzed. The composition of the device, scheme, and hardware design are introduced in detail. The adaptive camouflage effect of the device is verified via numerous experiments. According to the results, it can be observed that the device can realize adaptive camouflage in the near-infrared and far-infrared bands, which is highly relevant for the research and development of an adaptive camouflage device.

near infrared，far infrared，dual band，adaptive camouflage

TN223

A

1001-8891(2017)09-0855-04

2016-11-05；

2017-05-14.

何士浩（1993-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)工程。