基于仿真技術(shù)的艦船紅外特征抑制方法研究?

葉宗民 張 澍

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

艦船的紅外特征抑制是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到很多技術(shù)問題，需要采用成熟的工程知識(shí)和清晰地經(jīng)驗(yàn)定義，用系統(tǒng)的方法來(lái)明確提出艦船紅外特性抑制需求。為滿足艦船紅外特性抑制的需要，首先必須考慮艦船紅外輻射主要因素，艦船紅外特性的分析必須考慮組成平臺(tái)特性的所有因素，主要分為兩大類：1）內(nèi)熱源：發(fā)動(dòng)機(jī)和煙霧，內(nèi)部散熱；2）外熱源：太陽(yáng)反射和背景特性。

通過(guò)分析艦船主要紅外輻射源，發(fā)現(xiàn)將目標(biāo)一部分的特性縮減到絕對(duì)的零值而保留其它顯著的特征源不變是沒有意義的；使平臺(tái)消失是不可能的，但可以使其成為低等級(jí)的模糊目標(biāo)，從而使目標(biāo)融入背景雜波之中。因此，應(yīng)用不同等級(jí)的抑制，采用綜合平衡的方法減縮目標(biāo)的紅外特性是可行的方法，主要包括：1）冷卻可見的熱金屬和煙霧；2）隔熱和內(nèi)部空間的通風(fēng)；3）使用噴水降溫的方式冷卻被太陽(yáng)照射的船體。

2 紅外抑制

目前世界上紅外導(dǎo)引頭技術(shù)很廣泛，一些人會(huì)認(rèn)為紅外特征抑制對(duì)于先進(jìn)的高靈敏度、智能、成像導(dǎo)引頭是無(wú)用的。但是，任何威脅分析必須考慮偶然碰到特殊威脅類型的概率。遇到老式的、性能落后的威脅的概率要高得多，這種情況下，紅外特征抑制可以提供有效的保護(hù)。

艦船目標(biāo)紅外特征抑制方法的選取最終選擇取決于威脅程度和系統(tǒng)成本，基于多年艦船紅外特征抑制的經(jīng)驗(yàn)，大部分紅外特征抑制方案可以歸為四個(gè)等級(jí)，大多數(shù)現(xiàn)代海軍艦船傾向于選擇等級(jí)2或等級(jí)3，一些處于設(shè)計(jì)階段的艦船可望達(dá)到等級(jí)4?；镜燃?jí)分類如下：

1）無(wú)抑制；

2）可見的煙道金屬的基本的冷卻，以及使用已有手段（船用核生化洗消）的表面冷卻；

3）煙道冷卻，煙霧冷卻至250℃，以及使用已有手段的表面冷卻；

4）煙道冷卻，煙霧冷卻至150℃，整體表面冷卻（有專用的船用噴水降溫裝置）。

紅外特征抑制系統(tǒng)的最終效果可依據(jù)紅外易感性的降低來(lái)度量。紅外易感性可通過(guò)成熟的分析工具來(lái)完成。通過(guò)實(shí)際海洋測(cè)試驗(yàn)證仿真結(jié)果的成熟度，使得對(duì)類似代碼的置信度不斷增加。圖1給出了紅外特征抑制方案的不同等級(jí)是如何影響平臺(tái)的易感性和主動(dòng)紅外對(duì)抗的有效性的。

圖1 紅外特征抑制方案的實(shí)際影響

2.1 抑制技術(shù)要求的輸入

技術(shù)要求的輸入是包括影響平臺(tái)威脅易感性的所有參數(shù)，如表1所示。

表1 影響平臺(tái)威脅易感性的參數(shù)

以上所有參數(shù)輸入分析可以表征：

1）真3D形狀；

2）實(shí)際的海洋和天空效應(yīng)；

3）表面多次反射；

4）大氣衰減；

5）煙羽輻射。

2.2 抑制技術(shù)要求的制定

應(yīng)用紅外特征抑制就是為了減少艦船對(duì)紅外制導(dǎo)威脅的易感性。但是，抑制技術(shù)要求的最終確定取決于能做到什么以及代價(jià)如何。基于威脅等級(jí)設(shè)計(jì)的過(guò)程和規(guī)范確保艦船滿足最終的特性目標(biāo)。以下基本的原則應(yīng)用于紅外特性抑制技術(shù)要求的制定：

1）要求的確定必須針對(duì)威脅的程度；

2）制定的抑制技術(shù)必須是可實(shí)現(xiàn)的和成本在控制范圍內(nèi)的；

3）所有重要的紅外特性分量必須以均衡的方式進(jìn)行抑制處理；

4）所有紅外特性分量要在明確的規(guī)定環(huán)境和作戰(zhàn)條件下進(jìn)行量化；

5）抑制的結(jié)果必須是可驗(yàn)證的。

抑制技術(shù)要求可以用兩個(gè)基本的方式表述。一種是在明確規(guī)定的條件下給出實(shí)際艦船紅外特性的限制要求?；陬A(yù)測(cè)威脅的鎖定距離，這些限制要求一般以瓦/球面度的單位給出。另一種是規(guī)定必須安裝在艦船上的硬件設(shè)備所需達(dá)到的紅外特性等級(jí)，包括：1）隔熱；2）內(nèi)部空間通風(fēng)；3）涂層；4）發(fā)動(dòng)機(jī)紅外特征抑制；5）噴水降溫系統(tǒng)組件、噴頭組件、水流量。

2.3 艦船特性建模

抑制技術(shù)要求是以定義未使用紅外特征抑制措施的平臺(tái)的基線特性為出發(fā)點(diǎn)。驗(yàn)證抑制技術(shù)要求是否達(dá)到要求通常結(jié)合海試進(jìn)行。海試的問題是實(shí)驗(yàn)的條件不可控，一般情況下，這些條件與在抑制技術(shù)要求中明確規(guī)定的條件不一致。因此，使用仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正是必要的，且這確實(shí)是進(jìn)行修正的唯一可用的方法。

圖2 一般的護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ?/p>

分析需要在作戰(zhàn)和背景條件下進(jìn)行。這允許我們定義預(yù)期特性的范圍。該范圍的界限通過(guò)“最優(yōu)可能特性”（Best Possible Signature，BPS）和“最差可能特性”（Worst Possible Signature，WPS）來(lái)定義。這個(gè)定義通常在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，觀察者距船右舷1km來(lái)獲得。圖2給出了作為樣例平臺(tái)的一般的護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ汀?/p>

圖3是該護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ驮谒邢ɑ穑l(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，在外界日光作用下產(chǎn)生的BPS和WPS。可見這個(gè)范圍很大，說(shuō)明在紅外特性抑制技術(shù)要求中明確單獨(dú)的特性值是困難的。BPS通常是在夜間條件下，水中熄火狀態(tài)。WPS通常是船側(cè)向太陽(yáng)，水中熄火狀態(tài)，無(wú)相對(duì)風(fēng)。

圖3 外部特性分量最差和最優(yōu)值估算

所有發(fā)動(dòng)機(jī)全功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)確定了該護(hù)衛(wèi)艦內(nèi)部的WPS。這種情況增加了可視的煙道熱金屬和熱的羽煙，也可能增加了該護(hù)衛(wèi)艦表面的紅外特性。如圖4所示。

圖4 最差可能內(nèi)部特性分量

內(nèi)部和外部WPS和BPS可聯(lián)合給出基線船的總的整體特性范圍。圖5給出了該護(hù)衛(wèi)艦的情況。

3 紅外抑制的應(yīng)用

艦船的基線特性一經(jīng)確定，就可能應(yīng)用各種等級(jí)的紅外特征抑制技術(shù)。我們將紅外特征抑制技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)和艦船表面。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的紅外特征抑制

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外特征抑制基本上分為四個(gè)等級(jí)：

1）無(wú)抑制（基線）；

2）可視的煙道金屬冷卻至周圍溫度+30℃；

3）金屬冷卻+煙羽冷卻至250℃；

4）金屬冷卻+煙羽冷卻至150℃。

圖6給出了當(dāng)前用于發(fā)動(dòng)機(jī)IRSS的一些系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包含了薄膜冷卻和空氣引射。對(duì)于一些系統(tǒng)，使用了噴水技術(shù)以進(jìn)一步降低煙羽的溫度。

圖5 聯(lián)合的內(nèi)部/外部特性

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)紅外特征抑制系統(tǒng)

當(dāng)抑制的等級(jí)提升，成本和復(fù)雜程度也隨之提升，如圖7所示。如圖示，紅外特征抑制的成本與未經(jīng)抑制的排氣系統(tǒng)的成本直接相關(guān)。例如，一個(gè)等級(jí)2抑制系統(tǒng)（僅冷卻金屬）的成本約為基線煙道成本的兩倍，等級(jí)4系統(tǒng)（金屬冷卻+煙羽冷卻至150℃）的成本約為未經(jīng)抑制的煙道成本的5.5倍。

圖7 抑制與成本和復(fù)雜度的關(guān)系

圖8給出了不同排氣抑制等級(jí)的艦船特性和鎖定距離的關(guān)系。

3.2 艦船表面的紅外特征抑制

艦船表面特性取決于日光加熱和內(nèi)部空間的熱泄漏。對(duì)于內(nèi)部的熱泄漏，解決方案是熱隔離和通風(fēng)。對(duì)于日光加熱，解決方案是噴水降溫和低日光吸收率涂料。

圖9給出了表面特性抑制的益處。如圖示，用于紅外特征抑制的全船船體噴水降溫，應(yīng)用到最差的日光加熱情況時(shí)，船特性降為1/30，這將預(yù)期威脅（3μm～5μm，噪聲等效溫差（NETD）=0.1℃）的鎖定距離從23km降至5km，顯示了表面抑制的巨大益處。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)紅外特征抑制效能

圖9 表面特性抑制的益處

涂層的變化并不能提供相似的益處，如圖10所示。

圖10 涂層對(duì)日間表面特性的影響

3.3 整體的抑制

圖11 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣紅外特征抑制和表面紅外特征抑制結(jié)合的方案，可用于抑制的四個(gè)等級(jí)。該圖給出了不同等級(jí)帶來(lái)的益處。圖12所示為系統(tǒng)的相對(duì)成本。這個(gè)成本收益概覽最終被用于選擇艦船紅外特征抑制的方法，且決定了紅外特征抑制技術(shù)要求的細(xì)節(jié)。

圖11 四個(gè)等級(jí)的紅外特性抑制

圖12 相對(duì)成本

4 總的紅外抑制技術(shù)要求

一經(jīng)確定所需的紅外特性抑制等級(jí)，就可以定義紅外特征抑制技術(shù)要求。如前所述，這些要求可以通過(guò)兩種方式表述：

1）硬件抑制技術(shù)要求給出所需的特性等級(jí)；

2）指定特性等級(jí)給出所需的易感度。

建議選擇第一種方法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種方法，要求硬件限制紅外特性并滿足艦船易感度要求是可以實(shí)現(xiàn)的，且這是管理特性最為容易的方法。但是，艦船是由裝船子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)的紅外特性也必須被作為整體方法的一部分來(lái)管理。鑒于此，硬件抑制技術(shù)要求必須包括對(duì)這些設(shè)備的限制，最好通過(guò)限制艦面設(shè)備表面溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果表面溫度限制不能滿足，則對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行表面處理就是必要的，例如使用隔熱襯墊。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以一般的護(hù)衛(wèi)艦為例，提出了一種為艦船選擇紅外特征抑制技術(shù)要求的綜合方法。該方法也可被用于地面和空中平臺(tái)。該過(guò)程以分析確定未經(jīng)紅外特性抑制的艦船的基線情況為起點(diǎn)，然后應(yīng)用抑制的四個(gè)等級(jí)并定量描述了各自的益處，據(jù)此，可進(jìn)行成本收益分析以確定所需抑制的最終等級(jí)。特性抑制技術(shù)要求可根據(jù)紅外特性需要寫出，或是根據(jù)要滿足的特性等級(jí)所需的硬件要求給出。最后，特性抑制技術(shù)要求必須包括驗(yàn)證預(yù)設(shè)目標(biāo)是否滿足要求的檢測(cè)方法。