先進(jìn)紅外傳感器對(duì)隱身飛機(jī)作用距離估算研究

何 蘋，王瑩瑩，岳韶華

先進(jìn)紅外傳感器對(duì)隱身飛機(jī)作用距離估算研究

何 蘋1，王瑩瑩2，岳韶華2

（1. 西京學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2. 空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710046）

為了有效地估算先進(jìn)紅外傳感器對(duì)隱身飛機(jī)的作用距離，以F-22與F-35進(jìn)行對(duì)抗性仿真為想定，計(jì)算了F-22在長波和中波波段的紅外輻射強(qiáng)度，擬合了典型條件下大氣透過率的經(jīng)驗(yàn)公式，推測了F-35機(jī)載IRST和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭的特征參數(shù)，利用逐步逼近法，計(jì)算了F-35機(jī)載IRST和AIM-9X導(dǎo)彈導(dǎo)引頭對(duì)F-22的作用距離。計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)-22具有較強(qiáng)的紅外隱身能力，可使F-35的IRST對(duì)其迎頭作用距離不大于62km，但是F-22在近距作戰(zhàn)中，仍將受到紅外格斗彈的較大威脅。鑒于F-22的紅外輻射隨紅外傳感器探測角度的變化而敏感性高的特點(diǎn)，建議飛機(jī)編隊(duì)進(jìn)行紅外反隱身探測時(shí)，采用稀疏編隊(duì)方式，以提高探測概率。

隱身飛機(jī)；作用距離；IRST；紅外格斗彈；F-22；F-35

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的第四代戰(zhàn)機(jī)普遍采用紅外隱身技術(shù)，以提高戰(zhàn)場生存力。比如F-22采用了涂敷紅外吸收涂層、二元噴管發(fā)動(dòng)機(jī)、尾翼側(cè)向遮擋等技戰(zhàn)術(shù)措施，降低敵方紅外傳感器發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別、攻擊的距離和概率[1]。

正確估算先進(jìn)紅外傳感器對(duì)隱身飛機(jī)的作用距離，是研究隱身飛機(jī)紅外性能和對(duì)其進(jìn)行探測預(yù)警的基礎(chǔ)。紅外傳感器對(duì)隱身飛機(jī)作用距離的研究主要涉及飛機(jī)紅外輻射、大氣紅外衰減、紅外傳感器等方面。國外研究以美國為代表，他們將數(shù)值仿真與試驗(yàn)測試手段相結(jié)合[2-5]，并且裝備了F-22、F-117、B-2等多種具有紅外隱身能力的飛機(jī)，取得了顯著成就，但對(duì)相關(guān)成果嚴(yán)密封鎖。國內(nèi)在飛機(jī)紅外輻射、大氣紅外衰減、紅外傳感器等方面也做了大量工作[6-10]，有力地推動(dòng)了飛機(jī)紅外隱身問題的研究，存在的主要問題：一是對(duì)于飛機(jī)紅外輻射的計(jì)算方法尚無統(tǒng)一規(guī)范，且采用不同計(jì)算方法計(jì)算所得的數(shù)據(jù)差異較大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果互不采納。二是飛機(jī)紅外隱身性能并不能單純地用紅外輻射強(qiáng)度來衡量，它還與探測飛機(jī)所使用的紅外傳感器密切相關(guān)。F-35機(jī)載的IRST（infrared search and tracking system）和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭等紅外系統(tǒng)代表了世界紅外傳感器的領(lǐng)先水平，國內(nèi)對(duì)F-35的IRST、AIM-9X紅外導(dǎo)引頭等先進(jìn)紅外傳感器基本戰(zhàn)技性能研究較多，而對(duì)其傳感器性能參數(shù)的深入研究稍顯不足。

針對(duì)以上問題，以F-22為例，將F-22放在模擬的戰(zhàn)場環(huán)境中，與F-35機(jī)載的先進(jìn)紅外傳感器進(jìn)行對(duì)抗性仿真研究，構(gòu)建F-22在長波和中波波段的紅外輻射模型，擬合典型條件下大氣透過率的經(jīng)驗(yàn)公式，并依據(jù)公開報(bào)道的資料和技術(shù)原理，推測F-35機(jī)載IRST和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭的關(guān)鍵參數(shù)，定量研究典型條件下F-35的IRST和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭對(duì)F-22的作用距離，并利用已掌握的數(shù)據(jù)，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行初步校驗(yàn)。

1 紅外傳感器作用距離模型構(gòu)建

將飛機(jī)視為點(diǎn)源目標(biāo)。則紅外傳感器對(duì)飛機(jī)的作用距離（單位m）為[11]：

式中：為目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度，W/sr；b為背景的紅外輻射強(qiáng)度，W/sr；0為光學(xué)系統(tǒng)的透過率；0為光學(xué)系統(tǒng)入射口徑，m；F為光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)，F(xiàn)＝/0，為光學(xué)系統(tǒng)焦距，m；為紅外傳感器瞬時(shí)視場角，sr；*為在紅外傳感器響應(yīng)波長范圍內(nèi)的平均探測率，m×W－1×Hz－0.5；int為探測器積分時(shí)間，s；SNR為系統(tǒng)可分辨的極限信噪比；a為在紅外傳感器響應(yīng)波長范圍內(nèi)的平均大氣透過率。

a可表示為：

式中：、為擬合系數(shù)。

對(duì)于式(1)，等式兩邊取平方，得到：

由式(4)可知，紅外傳感器的作用距離主要與目標(biāo)及背景的紅外輻射特性、大氣的紅外輻射傳輸特性、紅外傳感器自身的性能有關(guān)。

采用逼近法求值。計(jì)算流程如圖1所示。首先給定作用距離的期望值I0，由＝[ln＋ln(D)－2lnI0]/計(jì)算得到的值與I0比較，如果在要求的誤差范圍內(nèi)，就得到所需的解，否則修改I0值，直至值在要求的誤差范圍內(nèi)為止。

圖1 逼近法求R流程圖

2 F-22紅外輻射計(jì)算

對(duì)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合渦輪葉片材料的熱極限和強(qiáng)度極限，進(jìn)入渦輪的氣體溫度最大值限制在1173K左右。就目前的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，離開渦輪時(shí)的廢氣溫度EGT（exhaust gas temperature）高達(dá)973K，只能短時(shí)間內(nèi)存在，比如起飛時(shí)存在，在飛機(jī)長時(shí)間飛行中，能經(jīng)受的EGT最大值為773～883K。

根據(jù)哈得遜經(jīng)驗(yàn)公式，尾噴口外排出的廢氣溫度，即發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度f為：

相比渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，隱身飛機(jī)采用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、尾焰的溫度要低些。仿真計(jì)算中，假設(shè)F-22渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管可能的溫度范圍為508～828K，則對(duì)應(yīng)尾焰可能的溫度范圍為432～704K[12-13]。

已知F-22機(jī)長18.92m，機(jī)高5.08m，翼展13.56m，機(jī)翼展弦比2.4[1]。估算得到飛機(jī)特征面積為140.1m2，側(cè)視面積為45.6m2，前/后視面積為23.3m2。假定蒙皮光譜發(fā)射率可能的取值范圍為0.1～0.5。發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管后視面積為1.08m2，尾噴管頂/仰視面積為1.3m2，尾噴管光譜發(fā)射率取0.9。尾焰頂/仰/側(cè)視面積為1m2，后視面積為0.2m2，尾焰光譜發(fā)射率取0.5。假設(shè)F-22飛行馬赫數(shù)為0.9～2.0。

采用普朗克公式可求出F-22在給定波段內(nèi)各輻射源的紅外輻射亮度，根據(jù)各輻射源在不同方向上的輻射面積，可計(jì)算出各輻射源的紅外輻射強(qiáng)度。為了得到飛機(jī)紅外輻射強(qiáng)度方向圖，設(shè)在機(jī)翼平面上，探測點(diǎn)和機(jī)體的連線與機(jī)體縱軸間的夾角為。則飛機(jī)在0°～360°方位上紅外輻射強(qiáng)度1為：

通過仿真計(jì)算比較，當(dāng)F-22飛行馬赫數(shù)為1.6，蒙皮發(fā)射率為0.1，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管溫度為588K，尾焰溫度為500K時(shí)，在采用紅外吸波涂料技術(shù)、二元噴管技術(shù)、遮擋技術(shù)等綜合隱身措施后，可使前半球8～12mm波段紅外特征降低約90%，下降比例如圖2所示，與文獻(xiàn)[14-15]報(bào)道的F-22的紅外隱身能力基本吻合。

因此，在下面計(jì)算中，F(xiàn)-22蒙皮發(fā)射率取0.1，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管溫度取588K，尾焰溫度取500K。

長波探測時(shí)，當(dāng)F-22馬赫數(shù)為0.9～2.0時(shí)計(jì)算得到0°～360°方位上的紅外輻射強(qiáng)度如圖3所示。中波探測時(shí)，當(dāng)F-22飛行馬赫數(shù)為0.9和2.0，計(jì)算得到0°～360°方位上的紅外輻射強(qiáng)度如圖4所示。

由圖3、圖4可知：

1）長波探測時(shí)，F(xiàn)-22飛行馬赫數(shù)越大，飛機(jī)的紅外輻射強(qiáng)度越大；不同的探測角度下飛機(jī)的紅外輻射差異較大；由于發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)，F(xiàn)-22后半球紅外輻射強(qiáng)度大于前半球。

圖2 F-22在8～12mm波段紅外輻射下降比例圖

2）中波探測時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、尾焰為主要的中波紅外輻射源，蒙皮輻射與之相比、較為微弱，因此F-22后半球紅外輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前半球。

圖3 F-22在8～12mm波段紅外輻射方向圖

圖4 F-22在3～5mm波段紅外輻射方向圖

3 大氣透過率計(jì)算

依據(jù)作戰(zhàn)想定研究，利用F-35機(jī)載IRST來探測F-22，可假定F-22飛行高度為12km；利用F-35機(jī)載AIM-9X與F-22進(jìn)行對(duì)抗時(shí)，可假定F-22飛行高度為5km。由于F-35機(jī)載IRST工作波段為8～12mm，AIM-9X工作波段為3～5mm，因此，對(duì)飛機(jī)飛行高度為5km時(shí)中波段、12km時(shí)長波段的大氣透過率曲線進(jìn)行擬合。

3.1 高度12km的大氣透過率曲線擬合

大氣條件：中緯度春夏季，氣溶膠模型為鄉(xiāng)村消光系數(shù)，缺省氣象視距為23km。利用紅外大氣傳輸軟件的原始數(shù)據(jù)，飛機(jī)飛行高度為12km，8～12mm波段平均大氣透過率擬合公式為：

擬合曲線如圖5所示，擬合精度較高，最大相對(duì)誤差為2.2%。

3.2 高度5km的大氣透過率曲線擬合

大氣條件：中緯度春夏季，氣溶膠模型為鄉(xiāng)村消光系數(shù)、缺省氣象視距為23km。利用紅外大氣傳輸軟件的原始數(shù)據(jù)，飛機(jī)飛行高度為5km，3～5mm波段平均大氣透過率擬合公式為：

擬合曲線如圖6所示。除個(gè)別樣本點(diǎn)需剔除之外，擬合精度較高，最大相對(duì)誤差為2.28%。

4 紅外傳感器作用距離計(jì)算

4.1 先進(jìn)紅外傳感器參數(shù)推測

4.1.1 F-35機(jī)載IRST參數(shù)推測

采用8～12mm波段碲鎘汞探測器，像元數(shù)為1k×1k元，探測器輻射探測率波段平均值為7×108m×W-1×Hz-1/2；取瞬時(shí)視場角1°×1°；光學(xué)系統(tǒng)焦距為1.173m，取系統(tǒng)F數(shù)為3，則系統(tǒng)入射口徑為0.391m；設(shè)光學(xué)玻璃數(shù)為3，則光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.86；為了保證IRST系統(tǒng)95%的探測概率，信噪比取5；積分時(shí)間取0.5ms[11,16-17]。

圖6 大氣透過率擬合曲線

4.1.2 AIM-9X導(dǎo)引頭參數(shù)推測

采用3～5mm波段碲鎘汞探測器，像元數(shù)為128×128元；探測器輻射探測率波段平均值取為3×109m×W-1×Hz-1/2；導(dǎo)引頭瞬時(shí)視場角為3°×3°；光學(xué)系統(tǒng)焦距為0.132m，取系統(tǒng)F數(shù)為3，則系統(tǒng)入射口徑為0.044m；光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.73；信噪比取5；積分時(shí)間取1ms[10-11,18]。

4.2 F-35機(jī)載IRST對(duì)F-22作用距離計(jì)算

當(dāng)F-22飛行馬赫數(shù)為0.9～2.0時(shí)，F(xiàn)-35的IRST對(duì)F-22的作用距離如圖7所示。

圖7 F-35機(jī)載IRST對(duì)F-22作用距離

根據(jù)圖7可得到，隨著F-22飛行的馬赫數(shù)不同，在迎頭和尾后兩個(gè)探測方向上，F(xiàn)-35的IRST對(duì)F-22的作用距離如表1所示。

表1 F-35機(jī)載IRST對(duì)F22的作用距離

由圖7和表1可知：

1）當(dāng)F-22飛行馬赫數(shù)為0.9～2.0時(shí)，F(xiàn)-35的IRST對(duì)F-22迎頭的作用距離≤62km，據(jù)報(bào)道，先進(jìn)IRST對(duì)三代機(jī)迎頭探測距離為185km[12,14]。IRST探測時(shí)，由于迎頭探測為主要作戰(zhàn)方向，因此，F(xiàn)-22的紅外隱身效果顯著。

2）F-22飛行馬赫數(shù)為0.9～2.0時(shí)，F(xiàn)-35的IRST對(duì)F-22尾后的作用距離≥129km。尾后探測時(shí)，雖然飛機(jī)主要紅外輻射源的紅外輻射面積比側(cè)視和仰視時(shí)要小，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)，飛機(jī)的紅外輻射仍很大，因此F-35的IRST對(duì)F-22尾后作用距離較大。

3）從IRST的角度看，以F-22飛行馬赫數(shù)為1.6為例，在方位平面上迎頭方向±30°范圍內(nèi)，F(xiàn)-35機(jī)載IRST對(duì)F-22的作用距離為44.3～69.3km，IRST探測角度的變化對(duì)傳感器作用距離的影響敏感度較高。因此，在飛機(jī)編隊(duì)進(jìn)行紅外反隱身作戰(zhàn)中，編隊(duì)之間應(yīng)保持一定的距離差和高度差，采用稀疏編隊(duì)方式，從而有利于提高編隊(duì)利用紅外傳感器發(fā)現(xiàn)敵隱身飛機(jī)的概率。

4.3 AIM-9X對(duì)F-22作用距離計(jì)算

AIM-9X導(dǎo)引頭在3～5mm波段探測F-22時(shí)，假設(shè)F-22飛行馬赫數(shù)為0.9和2.0，計(jì)算得到導(dǎo)引頭的作用距離如圖8所示。

圖8 AIM-9X導(dǎo)引頭的作用距離

由圖8可知，當(dāng)F-22的飛行馬赫數(shù)為0.9～2.0時(shí)，AIM-9X的導(dǎo)引頭對(duì)F-22前半球作用距離均小于20km，而后半球的作用距離在18～42km范圍內(nèi)。由于紅外格斗彈攻擊時(shí)，尾后攻擊為主要作戰(zhàn)方向，因此，F(xiàn)-22在近距作戰(zhàn)中，相比三代機(jī)并不具備明顯優(yōu)勢，進(jìn)入近距作戰(zhàn)的AIM-9X紅外導(dǎo)彈對(duì)F-22的威脅較大。

5 結(jié)束語

依據(jù)公開資料和技術(shù)原理，研究了F-22的紅外輻射特性，依據(jù)大氣紅外傳輸軟件，擬合了典型條件下的大氣透過率經(jīng)驗(yàn)公式，外推了F-35的IRST和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭的特性參數(shù)，計(jì)算了F-35的IRST和AIM-9X紅外導(dǎo)引頭對(duì)F-22的作用距離。研究結(jié)果對(duì)于飛機(jī)紅外隱身設(shè)計(jì)與效能評(píng)估，以及紅外隱身反隱身作戰(zhàn)方案制訂具有一定理論參考。為提升研究結(jié)果的合理性和有效性，可結(jié)合高精度飛行器紅外特征軟件、大氣紅外傳輸軟件、紅外傳感器數(shù)據(jù)庫，以及外場它機(jī)飛行試驗(yàn)，對(duì)本文研究方法和計(jì)算模型進(jìn)行校驗(yàn)和修改完善。

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Operating Range of the Advanced Infrared Detector for the Stealth Aircraft

HE Ping1，WANG Yingying2，YUE Shaohua2

(1.,,710123,;2.,,710046,)

To compute the operating range of the advanced infrared detector for the stealth aircraft, the combat simulation scenario of F-22 and F-35 is given in the paper. In the scenario, the infrared radiation intensity of F-22 is computed in middle wave-band and long wave-band, the fitting formula of the atmospheric transmittance is given under typical conditions, the characteristic parameters of the F-35 airborne IRST and AIM-9X infrared seeker are inferred and the operating ranges of F-35 airborne IRST and AIM-9X infrared seeker for F-22 are computed with the gradually approaching method. The computation shows that F-22 has good stealth capability and the operating ranges of F-35 airborne IRST is less than 62km from the nose of F-22 while the infrared dog-fight missiles threat F-22 in short range strikes. The infrared radiation of F-22 is sensitive to the detection angle of the infrared sensors, thus in the aircraft fleet anti-stealth infrared detection, sparse formation is adopted to increase the detection probability.

stealth aircraft, operating range, infrared search and tracking system(IRST), infrared dog-fight missile, F-22, F-35

TN219

A

1001-8891(2020)06-0899-06

2019-07-23；

2019-08-19.

何蘋（1982-），男，副教授，博士，主要研究武器裝備軍民融合發(fā)展。E-mail：47619870@qq.com。

中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（2013M532222）。