實(shí)景化對(duì)抗、訓(xùn)練背景下無(wú)人機(jī)載紅外仿型靶標(biāo)設(shè)計(jì)研究

吳晨成

（陜西科林天成科技有限公司，陜西西安 710000）

紅外仿型靶標(biāo)采用溫度可調(diào)的高溫紅外發(fā)射源陣列，經(jīng)仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足輻射均勻性大于等于85%，發(fā)散角大于20°，工作狀態(tài)下向外輻射3～5 μm、8～12 μm 的中長(zhǎng)波紅外光，且輻射功率連續(xù)可調(diào)，具備模擬不同紅外輻射特征的目標(biāo)由遠(yuǎn)及近、由近及遠(yuǎn)或懸停的能力。使用時(shí)，無(wú)人機(jī)載紅外仿型靶部署在不同高度的天空背景下，主要用于模擬來(lái)襲飛機(jī)、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等具備中長(zhǎng)波紅外輻射特征的空中來(lái)襲目標(biāo)。因此，本文研究典型大氣環(huán)境紅外輻照特性并通過(guò)相關(guān)計(jì)算，完成了無(wú)人機(jī)載紅外仿型靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測(cè)方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)殼體及電連接器、轉(zhuǎn)接安裝板、光源組件、散熱組件、輻照功率調(diào)節(jié)組件、二次電源組件、通信模塊電池充放電保護(hù)組件、電源輸入管理組件組成。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

紅外仿型靶標(biāo)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈與地面控制端通信，接收控制指令并返回相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的狀態(tài)顯示、上下電輻照功率的調(diào)節(jié)動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的控制平臺(tái)，如圖1 所示。

圖1 控制臺(tái)界面

3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

輻射波長(zhǎng)為3～5 μm 中波紅外輻射和8～12 μm 長(zhǎng)波紅外輻射。最大作用距離大于等于1 km（參試品被試品基本對(duì)準(zhǔn)，最小可探測(cè)溫差為6 ℃，中等氣象條件下）。瞬時(shí)輻射視場(chǎng)大于等于20°。輻射均勻性大于等于85%（大于等于1 km 時(shí)的瞬時(shí)視場(chǎng)）。工作狀態(tài)可控（如需遠(yuǎn)程遙控，需使用載具提供的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈）。模擬源上下電可通過(guò)串口下發(fā)指令完成控制。輻射功率衰減調(diào)制時(shí)模擬源輻射功率可通過(guò)串口下發(fā)指令完成控制，滿功率連續(xù)可調(diào)（需使用無(wú)線數(shù)據(jù)鏈）?？杀Ｕ线B續(xù)訓(xùn)練時(shí)間大于等于12 h（由系留無(wú)人機(jī)載具供電能力決定）。上位機(jī)軟件功能為可在線控制紅外模擬源的輻照功率，并顯示其工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)。用電功耗小于等于35 W，車載、機(jī)載紅外目標(biāo)模擬源質(zhì)量小于等于2.5 kg（不含選配組件），模擬源結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)、寬、高）小于等于230 mm×90 mm×120 mm。實(shí)際應(yīng)用在機(jī)載條件時(shí)，還有結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，進(jìn)一步降低質(zhì)量、減小體積，以延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間。環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)為可在-20～50 ℃高低溫中工作，可在-30～60 ℃高低溫中存儲(chǔ)。

3.2 關(guān)鍵指標(biāo)分析

無(wú)人機(jī)載紅外仿型靶標(biāo)由中長(zhǎng)波紅外輻照系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輻照功率調(diào)制系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.2.1 中長(zhǎng)波紅外輻照系統(tǒng)

輻照系統(tǒng)由4 個(gè)紅外發(fā)光體組成陣列，安裝在可調(diào)光具座上。系統(tǒng)上電后，受輻照功率調(diào)制系統(tǒng)在線調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同功率的中長(zhǎng)波紅外光，經(jīng)系統(tǒng)前端出光口光學(xué)光闌后，從產(chǎn)品前端以固定發(fā)射角出射。

3.2.1.1 紅外發(fā)光體輻出譜段分析

所選紅外發(fā)光體的最大工作溫度可達(dá)700 ℃，當(dāng)發(fā)光體在500～700 ℃溫度區(qū)間工作時(shí)，其譜段分布如圖2 所示。

圖2 500～700 ℃時(shí)工作區(qū)域譜段分布圖（包絡(luò)面積為1）

為提高可靠性和使用壽命，系統(tǒng)進(jìn)行了降額設(shè)計(jì)，只使用發(fā)光體最高工作溫度區(qū)間內(nèi)30%～90%的區(qū)域：210～630 ℃。其譜段分布如圖3、圖4 所示，輻照譜段滿足指標(biāo)要求：3～5 μm、8～12 μm。

圖3 210 ℃時(shí)紅外譜段分布圖（包絡(luò)面積為1）

圖4 630 ℃時(shí)紅外譜段分布圖（包絡(luò)面積為1）

3.2.1.2 均勻性及輻照視場(chǎng)分析

所選中長(zhǎng)波紅外發(fā)光體在40°發(fā)散角范圍內(nèi)，其輻射功率分布均勻。所選中長(zhǎng)波紅外發(fā)光體不同角度能量密度分布測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 不同角度能量密度分布

滿足項(xiàng)目要求的輻射均勻性大于等于85%（瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)）指標(biāo)要求。

根據(jù)紅外發(fā)光體的空間能量密度分布情況，系統(tǒng)采用2×2 光源陣列布局進(jìn)行了光源組件設(shè)計(jì)，光源布局如圖6 所示。

圖6 空間分布圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的2×2 光源陣列，假設(shè)每2 個(gè)光源間距為50 mm，各產(chǎn)生40°的均勻輻射區(qū)域，在距離光源一定距離后，即可產(chǎn)生40°范圍的均勻輻射區(qū)域（圖6 左邊陰影區(qū)域）。

由圖6 可知，在距離大于133.2 mm 后，所需20°視場(chǎng)被40°均勻輻射區(qū)域覆蓋，即距離大于133.2 mm后，即可形成20°均勻輻射區(qū)域。根據(jù)項(xiàng)目所述工作距離指標(biāo)大于等于1 km，133.2 mm 可忽略不計(jì)。因此整個(gè)光源組件的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)符合項(xiàng)目要求的大于等于20°視場(chǎng)均勻輻射要求。

3.2.1.3 作用距離分析

大氣中吸收紅外輻射最強(qiáng)烈的成分是水蒸氣、二氧化碳，所以對(duì)大多數(shù)紅外系統(tǒng)而言，著重考慮的并非是大氣窗口處的紅外吸收光譜，而是紅外輻射通過(guò)實(shí)際大氣時(shí)，中長(zhǎng)波紅外窗口的透過(guò)率[1]。

設(shè)δ（λ，x）為衰減系數(shù)，β（λ，x）為水蒸氣透過(guò)率，γ（λ，x）為二氧化碳透過(guò)率，得出：

查詢“紅外1～14 μm 波長(zhǎng)間隔0.1 μm 上大氣平均透過(guò)率表”得到中等氣象條件下（降雨量小于等于10 mm）[2-3]，大氣厚度小于等于1 km 時(shí)，紅外輻射平均透過(guò)率：

由被測(cè)紅外探測(cè)系統(tǒng)參數(shù)得知，該探測(cè)系統(tǒng)在1 km 作用距離處（正對(duì)）可響應(yīng)的最小輻射強(qiáng)度I0=0.28 W/sr，所以只需計(jì)算出機(jī)載紅外目標(biāo)源發(fā)射口處的輻射強(qiáng)度Is即可。為保證特殊環(huán)境下的正常使用，方案采用4×4 陣列形式的降額設(shè)計(jì)，位于焦平面的4個(gè)輻射源在距離50.8 mm 處的光斑已完全重合。

單個(gè)輻射源輻射強(qiáng)度的測(cè)量需要使用標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射照度計(jì)對(duì)工作狀態(tài)下的目標(biāo)源發(fā)射窗口進(jìn)行測(cè)量[4]，測(cè)量過(guò)程省略，代入如下公式：

所選3～5 μm 及8～12 μm 雙面增透紅外窗口平均透過(guò)率分別為98%及80%。

得出紅外目標(biāo)源輻射強(qiáng)度Is：

結(jié)論：Is＞I0，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中最大作用距離大于等于1 km 的要求。

3.2.2 電源系統(tǒng)

為兼容外部寬范圍電壓輸入條件下產(chǎn)品能夠正常工作，保障電子艙各單板正常工作，電源輸入管理系統(tǒng)選用了寬泛電壓輸入范圍的電源管理芯片，其Vin范圍為DC10～60 V。確保電源輸入管理系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地為電池組充放電保護(hù)組件和二次電源組件提供所需的直流+5 V 電源，遵循軍用產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，對(duì)主要功率元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，以提供穩(wěn)定、充足的輸出功率。

3.2.3 輻照功率調(diào)制系統(tǒng)

輻照功率調(diào)制系統(tǒng)由CPU 調(diào)節(jié)電路和負(fù)反饋測(cè)量電路組成，根據(jù)紅外發(fā)光體的實(shí)際工作電壓范圍，可對(duì)輻照功率調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行精度計(jì)算。

依據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)I進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：I=k·U+C，計(jì)算k、C參數(shù)得：k=0.436，C=0.032。

同理，依據(jù)Vp=3.00 V，Cp=1.34 A，Pp=4.0 W，對(duì)功率與溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：t=kk·w+cc，計(jì)算kk、cc參數(shù)得：kk=168.75，cc=25。

因此，得到溫度與電壓的關(guān)系：

代入?yún)?shù)并簡(jiǎn)化后得到溫度與調(diào)制電壓的數(shù)學(xué)模型：

為配合項(xiàng)目描述的被測(cè)產(chǎn)品探測(cè)能力（最小可識(shí)別溫差6 ℃），可計(jì)算出輻照功率調(diào)制系統(tǒng)的最小電壓調(diào)制分辨率。

即在0.5～3 V 的電壓調(diào)制區(qū)間內(nèi)，要保證調(diào)制可被識(shí)別（溫度分辨率6 ℃），所需的電壓調(diào)制分辨率為0.013 V。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)建模和計(jì)算結(jié)果，需要達(dá)到0.013 V電壓調(diào)制分辨率，輻照功率調(diào)制系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)電路主芯片需選擇1 024 位，調(diào)制精度0.005 V，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目指標(biāo)要求的輻射功率在可以識(shí)別前提下連續(xù)可調(diào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)載紅外仿型靶標(biāo)系統(tǒng)具備特殊環(huán)境下無(wú)人值守特點(diǎn)，可按照不同目標(biāo)高度保持長(zhǎng)時(shí)留空。并根據(jù)不同目標(biāo)特征要求設(shè)置自身紅外輻射特性，同步記錄紅外仿型靶標(biāo)的變化曲線。更好地滿足了現(xiàn)代化軍隊(duì)全流程實(shí)景化及高精度可量化的模擬對(duì)抗、訓(xùn)練要求，提供了作業(yè)能力、裝備能力的評(píng)估檢驗(yàn)條件。