直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度探測(cè)影響研究范文

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摘要：分析了蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)等主要輻射源的紅外輻射特性，結(jié)合紅外輻射理論、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式，建立了某型直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度簡(jiǎn)化算法，分析了不同觀測(cè)角度下機(jī)體不同部位對(duì)紅外輻射的貢獻(xiàn)值，得到了3～5μm、8～14μm波段紅外輻射強(qiáng)度全向分布曲線，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可行性。結(jié)果表明，直升機(jī)紅外輻射具有很強(qiáng)的方向性，其輻射強(qiáng)度與觀測(cè)角度有很大關(guān)系，迎頭方向輻射最小，機(jī)體側(cè)后方的輻射最強(qiáng)，且長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度要強(qiáng)于中波輻射；長(zhǎng)波輻射主要來自于蒙皮自身輻射，不低于總體輻射的70％；中波波段輻射主要來自于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管部分，且在機(jī)體側(cè)后方輻射最大。最后，利用計(jì)算結(jié)果仿真分析了不同角度襲來的目標(biāo)對(duì)探測(cè)距離的影響。對(duì)于迎頭襲來的目標(biāo)的探測(cè)距離最小，對(duì)于機(jī)體側(cè)后方約110°方位的探測(cè)距離最大。研究對(duì)直升機(jī)紅外輻射探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)距離評(píng)估具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：紅外輻射特性；輻射強(qiáng)度；探測(cè)距離；觀測(cè)角度

引言

紅外目標(biāo)特性預(yù)測(cè)與評(píng)估對(duì)紅外偵察作用距離評(píng)估、紅外點(diǎn)源制導(dǎo)性能評(píng)估、紅外誘餌彈設(shè)計(jì)與使用、紅外隱身設(shè)計(jì)等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［1～5］?？罩心繕?biāo)紅外輻射特性研究可以利用實(shí)際飛行試驗(yàn)測(cè)量和理論分析計(jì)算兩種方法進(jìn)行［6～8］。實(shí)際飛行測(cè)量可以得到直升機(jī)在真實(shí)飛行狀態(tài)下的紅外輻射特性，但耗資巨大，工作繁瑣；理論分析計(jì)算和實(shí)際飛行試驗(yàn)相比，所需經(jīng)費(fèi)少，也可以在一定程度上模擬直升機(jī)的紅外輻射特性。近年來，關(guān)于直升機(jī)的紅外輻射特性研究已有不少報(bào)道［9～11］。文中研究分析了蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)等直升機(jī)重點(diǎn)部位的紅外輻射，建立了某型直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度簡(jiǎn)化算法，分析了不同觀測(cè)角度下機(jī)體不同部位對(duì)紅外輻射的貢獻(xiàn)值，得到了3～5μm、8～14μm波段紅外輻射強(qiáng)度全向分布曲線，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)；最后，利用模型計(jì)算結(jié)果仿真分析了不同角度襲來的目標(biāo)對(duì)探測(cè)距離的影響。

1直升機(jī)典型部位紅外輻射強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法

文章重點(diǎn)從機(jī)身蒙皮和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)兩個(gè)主要輻射源對(duì)直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

1．1紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算蒙皮輻射主要包含兩個(gè)方面，一是自身輻射，二是蒙皮對(duì)環(huán)境輻射的反射。其中，蒙皮自身輻射主要來自于蒙皮溫度，把蒙皮看作一個(gè)發(fā)射光譜連續(xù)的灰體，假定蒙皮溫度是均勻的，只要確定了蒙皮的溫度Ts、有效輻射面積Ap以及發(fā)射率ε，就可以由式（1）計(jì)算出蒙皮在λ1～λ2波段的輻射強(qiáng)度［12］。式中，C1、C2為第一、第二輻射常數(shù)。蒙皮表面反射的環(huán)境輻射主要來自于太陽(yáng)輻射，其輻射主要集中在短波和中波，長(zhǎng)波波段的紅外輻射比例很小。由于蒙皮的有效輻射面積很大，所以長(zhǎng)波波段的紅外輻射也不容忽視。飛機(jī)的蒙皮反射太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度可以寫為［13］：式中，Esun（λ）為太陽(yáng)的有效輻射照度，ε為蒙皮的發(fā)射率，θ為太陽(yáng)入射角。排氣系統(tǒng)輻射主要來自于排氣口和外露的排氣管的高溫輻射。通過紅外熱像儀可以測(cè)得蒙皮、排氣口以及排氣管等典型部位的溫度，通過外形尺寸計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的輻射面積，若已知其發(fā)射率，則可以通過式（1）計(jì)算得到這兩個(gè)部分的紅外輻射強(qiáng)度。

1．2輻射面積計(jì)算直升機(jī)典型部位的有效輻射面積可以根據(jù)紅外熱像儀的成像尺寸來估算。假設(shè)測(cè)量距離為L(zhǎng)，紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)焦距為f，各部位對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)為n，單個(gè)像元面積為s，則該部位的有效輻射面積可以用下式來估算：

2實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果分析

以某型直升機(jī)為例，已知其機(jī)身長(zhǎng)26m，寬2．5m，高5m，蒙皮外的排氣管面積為0．18m2，排氣口面積為0．1413m2，發(fā)射率取0．9。利用中波紅外熱像儀、長(zhǎng)波紅外熱像儀從不同方向角度對(duì)直升機(jī)的表面溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得排氣口正面溫度約800K，排氣管正面溫度約400K，蒙皮的溫度約305K。以直升機(jī)迎頭方向?yàn)?°，通過計(jì)算得到該型直升機(jī)在不同俯仰、方位角度下，不同部位紅外輻射強(qiáng)度所占比例分布，見圖1和圖2，在不同俯仰角度、方位角度上的紅外輻射強(qiáng)度分布見圖3和圖4。從圖1～圖4來看，可以得出以下結(jié)論：1）無論是俯仰方向還是方位方向，其紅外輻射均具有很強(qiáng)的方向性，輻射強(qiáng)度與探測(cè)角度有很大關(guān)系，迎頭方向輻射最小，機(jī)體側(cè)后方的輻射最強(qiáng)，且長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度要強(qiáng)于中波輻射；2）在8～14μm長(zhǎng)波波段，由于蒙皮面積比排氣管部分的面積大很多，且排氣系統(tǒng)只有在飛機(jī)側(cè)面可見，因此，無論是俯仰方向還是方位方向，直升機(jī)的長(zhǎng)波輻射主要來自于蒙皮自身輻射，不低于總體輻射的70％；3）在3～5μm中波波段，蒙皮輻射的貢獻(xiàn)很小，除了迎頭方向，直升機(jī)在中波波段輻射主要來自于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管部分，且在機(jī)體側(cè)后方貢獻(xiàn)最大。

3對(duì)紅外探測(cè)距離的影響分析

紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)的探測(cè)距離方程可由下式表示［14］：透過率，τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率，D0為系統(tǒng)通光口徑，F(xiàn)為光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)，D＊為探測(cè)器歸一化探測(cè)率，SNR為系統(tǒng)信噪比，tint為探測(cè)器積分時(shí)間，ω為瞬時(shí)視場(chǎng)角，Ap為有效輻射面積，Lb為背景亮度，I為目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度。當(dāng)直升機(jī)從不同方向θ襲來時(shí)，對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)來說其最大探測(cè)距離是不同的。這主要是由于直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度的方向性差異，對(duì)于不同方向襲來的直升機(jī)，紅外探測(cè)系統(tǒng)接收到目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度是不同的，其最大探測(cè)距離也是不同的。因此，對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)來說，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離不僅與目標(biāo)的紅外輻射特性有關(guān)，還與目標(biāo)襲來的方向有關(guān)。圖6是相同氣象條件下、同一紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同方向襲來的某型直升機(jī)的探測(cè)距離仿真曲線?？梢钥闯?，在相同氣象條件下，同一紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)某型直升機(jī)的探測(cè)距離受目標(biāo)襲來的方向影響很大，對(duì)于迎頭襲來的目標(biāo)的探測(cè)距離最小，對(duì)于機(jī)體側(cè)后方約110°方位的探測(cè)距離最大，這與圖3和圖4目標(biāo)在不同方位俯仰上的輻射強(qiáng)度分布基本一致。

4結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合紅外輻射理論、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)公式，推導(dǎo)的直升機(jī)紅外輻射強(qiáng)度算法簡(jiǎn)單便捷，具有一定的準(zhǔn)確性，可以反映直升機(jī)的紅外輻射強(qiáng)度特性，對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)距離評(píng)估具有重要的意義。

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作者：王冰 張巖岫 高穹 曲衛(wèi)東 單位：中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心