無人機地面滑跑狀態(tài)紅外輻射特性測量及分析

王 東，鄒前進，劉小虎

無人機地面滑跑狀態(tài)紅外輻射特性測量及分析

王 東，鄒前進，劉小虎

（光電對抗測試評估技術重點實驗室，河南 洛陽 471003）

為準確得到某型無人機紅外輻射特性，用3.7～4.8mm中波、7.7～10.3mm長波紅外熱像儀對某型無人機地面滑跑狀態(tài)的紅外輻射亮度進行了測量，用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件對測量過程的大氣透過率、大氣程輻射進行了計算。測量結果表明，該狀態(tài)下無人機機身蒙皮輻射較弱，輻射亮度與地面及背景輻射亮度接近，且各個方向輻射亮度基本一致，長波波段機身蒙皮輻射亮度為相應部位中波波段輻射亮度的280倍左右；發(fā)動機輻射亮度遠高于機身蒙皮輻射亮度，受機身遮擋、機體結構等原因影響，發(fā)動機輻射亮度具有方向性，后向輻射最強。

紅外輻射；輻射亮度；無人機；大氣透過率；大氣程輻射

0 引言

作為一種先進裝備，無人機以其得天獨特的“無人”優(yōu)勢，廣泛執(zhí)行偵察監(jiān)視、精確打擊、定點轟炸、電子干擾、通信中繼、戰(zhàn)斗評估等任務，實現(xiàn)了“不見面”、“零傷亡”的現(xiàn)代戰(zhàn)爭理念，具有極為廣闊的應用前景[1-2]。隨著紅外探測技術的飛速發(fā)展，無人機紅外輻射特性研究已成為偵察探測領域的重要的一環(huán)。目前，無人機紅外輻射特性的研究方法主要有實測研究和仿真建模兩種。實測研究具備結果可靠、適應性強等優(yōu)勢，是無人機紅外輻射特性研究的重要方法。另外，實測數(shù)據(jù)也可較好地用于仿真模型的校驗。近年來，有關無人機及其他飛行器紅外輻射特性的研究已有不少報道，但大多集中在仿真建模方面。王軍等測試研究了某型短程固定翼無人偵察機的紅外輻射特性，給出了無人偵察機光譜輻射特性及熱場分布特征[3]；許愛華等利用Fluent仿真軟件對某型高空高速無人機尾焰流場分布進行了仿真，計算了不同方位尾焰的紅外輻射強度[4]；徐頂國等建立了某型無人機紅外輻射的數(shù)學模型，計算了該無人機在背景輻射下的紅外輻射特征，同時對無人機紅外隱身技術進行了研究[5-6]；孫占久等采用計算流體動力學方法開展了某無人機蒙皮氣動加熱性能、發(fā)動機排氣系統(tǒng)溫度和組分摩爾濃度分布仿真，給出了不同參數(shù)下該無人機外形特征、發(fā)動機噴管構型和尾噴焰流場分布對紅外輻射的影響[7]。為了得到不同角度的紅外輻射特性，本文采用中波、長波紅外熱像儀對某型無人機地面滑跑狀態(tài)進行了測量，并給出了輻射亮度與測量角度的對應關系，并對其不同部位、不同波段的紅外輻射特性進行了分析比較。

1 測量設備及布局

測量設備包括紅外熱像儀（中波、長波各一臺）、ISDC IRl50黑體、手持GPS、氣象設備等。主要設備參數(shù)見表1、表2。

表1 紅外熱像儀參數(shù)

表2 ISDC IRl50黑體參數(shù)

按圖1所示布置紅外熱像儀和某型無人機。紅外熱像儀架設在安全距離之外，為了準確獲得該無人機的紅外輻射亮度，測量前需用ISDC IRl50面源黑體對紅外熱像儀進行標定。標定完成后，無人機在機場跑道滑跑，紅外熱像儀對無人機進行測量。無人機飛參系統(tǒng)同步記錄無人機的狀態(tài)信息，包括速度、航向、位置等；手持GPS測量紅外熱像儀位置坐標；氣象設備記錄環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、壓力、風速、風向、能見度等地面常規(guī)氣象參數(shù)等。

2 標定及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 標定及結果

對紅外熱像儀進行標定時，將ISDC IRl50面源黑體依次設置為不同的溫度，紅外熱像儀對不同溫度黑體的輻射亮度進行測量，得到紅外熱像儀的輻射亮度響應度和其自身偏移值DN0之間的對應關系，定標模型如下[8-9]：

DN＝＋DN0(1)

圖1 測量系統(tǒng)布局

式中：DN為紅外熱像儀的數(shù)碼輸出值；為輻射亮度響應度；DN0為紅外熱像儀自身熱輻射、散射背景輻射以及探測器暗電流等引起的偏移值。為ISDC IRl50面源黑體在紅外熱像儀測量波段內的輻射亮度。

圖2、圖3分別給出了中波、長波紅外熱像儀標定結果，圖中橫坐標為黑體輻射亮度，W?m－2?sr－1，縱坐標為不同輻射亮度條件下紅外熱像儀的數(shù)碼輸出值DN。

利用最小二乘法對定標結果進行線性擬合，得到中波紅外熱像儀輻射亮度響應關系為：

DNM＝2184×＋3281 (2)

長波紅外熱像儀輻射亮度響應關系為：

DNL＝177×＋3786 (3)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

紅外熱像儀對無人機紅外輻射進行探測時，大氣中的分子、氣溶膠粒子等對無人機輻射會產生吸收和散射衰減，同時大氣自身紅外輻射又疊加到無人機輻射上。大氣中的紅外輻射特性測量模型為[8-10]：

式中：t為被測無人機的輻射亮度；τ為無人機與紅外熱像儀之間的大氣透過率；path為無人機與紅外熱像儀之間的大氣程輻射，測量時可利用氣象設備監(jiān)測大氣參數(shù)，然后用大氣輻射傳輸軟件計算氣透過率τ和大氣程輻射path。

由式(4)可反演得到無人機的紅外輻射亮度為：

由式(5)可知，無人機紅外輻射亮度Lt的測量反演精度取決于紅外熱像儀自身原因及標定、測量過程造成的輸出值DN、偏移值DN0、輻射亮度響應度a等的不確定度，以及大氣測量及計算過程造成的大氣透過率τα、大氣程輻射Lpath的不確定度。

圖3 長波紅外熱像儀標定結果

3 對某型無人機測量結果及分析

3.1 測量結果

測量時間為春季晴朗白天，大氣能見度7～8km，溫度16℃～19℃，濕度13.0%～15.0%。為獲得某型無人機的輻射亮度，根據(jù)輻射亮度反演公式(5)，首先依據(jù)測量期間的大氣參數(shù)、距離等參數(shù)，利用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件計算該無人機和紅外熱像儀之間的大氣透過率和大氣程輻射。利用紅外熱像儀輻射亮度響應度、偏移值，大氣透過率、程輻射等數(shù)據(jù)，由測量的輸出值DN反演得到了該無人機地面滑跑狀態(tài)不同角度的輻射亮度。圖4、圖5分別給出了測量得到的該無人機不同部位相對輻射亮度與測量角度之間的對應關系圖。其中，測量角度表示熱像儀光學系統(tǒng)軸線與無人機機頭方向的夾角，各部位輻射亮度均相對于同波段機身40°方向輻射亮度測量結果進行了歸一化處理，地面為混凝土材質，背景為低空自然背景。另外，圖4中在測量角度大于90°時由于無人機發(fā)動機溫度過高，中波熱像儀探測器局部達到飽和，未能準確給出發(fā)動機輻射亮度測量結果。

圖6給出了該無人機機身相同部位中波、長波輻射亮度對比結果，圖中各測量角度的輻射亮度均相對于中波波段機身40°方向輻射亮度測量結果進行了歸一化處理。

3.2 結果分析

綜合圖4、圖5、圖6，可以得到如下結論：

①由于該無人機滑跑階段速度較低，氣動加熱造成的蒙皮輻射較弱，中波、長波波段機身輻射亮度較低，且同波段各個方向的測量結果基本一致，說明蒙皮輻射沒有方向性。另外機身蒙皮輻射亮度略低于地面及背景輻射亮度，背景輻射亮度略低于地面輻射亮度，原因為混凝土地面受太陽照射溫度略高于機身和背景溫度。

圖4 中波輻射亮度與測量角度關系

圖5 長波輻射亮度與測量角度關系

圖6 機身部位中、長波輻射亮度對比

②從左前側觀測（測量角度小于90°），由于機身遮擋無法觀測到無人機發(fā)動機尾噴口紅外輻射；從側面觀測（測量角度90°），發(fā)動機尾噴口輻射亮度明顯高于機身、地面及背景輻射亮度，同時，由于該發(fā)動機為渦槳發(fā)動機，未觀測到明顯的尾焰輻射；從尾部觀測（測量角度大于90°），隨著測量角度的增大，發(fā)動機尾噴口輻射亮度逐漸增大，說明發(fā)動機側向、后向紅外輻射高于前向紅外輻射，尾噴口紅外輻射具有方向性。

③受發(fā)動機加熱影響，發(fā)動機附近的蒙皮溫度較高，中波、長波波段在該部位的蒙皮輻射均呈現(xiàn)出高輻射亮度，明顯高于機身其它部位蒙皮輻射亮度。

④機身蒙皮長波輻射亮度為中波輻射亮度的280倍左右，測量角度大于90°時，由于發(fā)動機溫度過高，紅外輻射過強，導致中波熱像儀探測器飽和，該條件下無法準確測量發(fā)動機尾噴口中波輻射亮度。

⑤測量過程還發(fā)現(xiàn)，機身部分位置能夠清晰觀察到中波波段的太陽光反射，相同位置未觀察到長波波段的太陽光反射，說明機身對太陽光反射具有明顯的波段選擇性，波長越短反射效果越強。

4 結束語

利用3.7～4.8mm中波、7.7～10.3mm長波紅外熱像儀對某型無人機進行了紅外輻射測量，利用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件對測量過程的大氣透過率、大氣程輻射進行了計算，通過反演計算得到了某型無人機不同部位的紅外輻射亮度。經分析，對該無人機進行偵察探測時，在迎頭方向，由于機身遮擋發(fā)動機紅外輻射，對偵察探測起主要作用的是氣動加熱造成的機身蒙皮輻射；在側向和尾追方向，由于發(fā)動機紅外輻射亮度很強，對偵察探測起主要作用的是發(fā)動機熱輻射，此時的偵察探測距離將大于迎頭方向的偵察探測距離。此外，由于長波波段的機身蒙皮輻射亮度遠高于相應的中波波段輻射亮度，相同條件下長波在迎頭方向偵察探測更有優(yōu)勢，論文的測量數(shù)據(jù)及結論對目標特性研究、紅外偵察探測、紅外偵察設備研制及檢測具有一定的參考價值。

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Measurement and Analysis of Infrared Radiation Characteristics of Taxiing Unmanned Aerial Vehicles

WANG Dong，ZOU Qianjin，LIU Xiaohu

(,471003,)

To accurately obtain the infrared radiation characteristics of an unmanned aerial vehicle (UAV), its infrared radiation luminance was measured with medium- and long-wave infrared thermal imagers of 3.7–4.8mm and 7.7–10.3mm, respectively, and the atmospheric transmittance and atmospheric radiation during measurement were calculated with the MODTRAN atmospheric radiation transmission software. The measurement results show that under these conditions, the radiation of the UAV fuselage skin is weak, the radiation brightness is close to the ground and background radiation brightness, and the radiation brightness is essentially the same in all directions. The radiation brightness of the fuselage skin in the long-wave band was approximately 280 times that of the corresponding part in the medium-wave band. The engine radiation brightness was much higher than that of the fuselage skin. For reasons such as fuselage shelter and structure of the body, the engine radiation brightness is directional, and the radiation is strongest in the backward direction.

IR radiation, radiant intensity, unmanned aerial vehicle(UAV), atmospheric transmittance, air path radiation

TP732.2

A

1001-8891(2023)08-0845-04

2021-10-13；

2022-02-01.

王東（1978-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為光電及光電對抗。E-mail：wd.hardman@163.com。