康麗珠，趙勁松，周 倩，倪 凱，唐 晗，趙 強，陶 亮

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遠程迎頭探測飛機目標的紅外輻射特性研究

康麗珠1，趙勁松1，周 倩2，倪 凱2，唐 晗1，趙 強1，陶 亮1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

研究了遠程迎頭探測飛機目標的紅外輻射特性。分別介紹了飛機迎頭的主要紅外輻射源，飛機紅外輻射特性的計算流程，以及紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的蒙皮紅外輻射能通量的計算模型，最后對遠程探測水平路徑大氣透過率和飛機目標紅外輻射強度進行仿真計算。

紅外輻射特性；飛機目標；紅外輻射強度

0 引言

隨著隱身戰(zhàn)機在現(xiàn)代戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用，特別是F-22隱身戰(zhàn)機的出現(xiàn)，給現(xiàn)代雷達系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，紅外光電系統(tǒng)能顯著彌補雷達對隱身空中目標探測能力的不足，因而遠程探測紅外光電系統(tǒng)的研制恰逢其時[1-4]。在此背景下，國內(nèi)外持續(xù)20多年對飛機的紅外輻射特性進行研究，為紅外光電系統(tǒng)的設(shè)計與評價提供理論依據(jù)，對于遠程探測和預(yù)警敵方戰(zhàn)機具有重要的現(xiàn)實意義。

但是，紅外隱身技術(shù)的發(fā)展使飛機的紅外輻射特性呈現(xiàn)顯著減小的趨勢，極大地增大了紅外探測的困難。與此形成鮮明對比的是，飛機超音速飛行時，尾焰、尾噴管和蒙皮均會產(chǎn)生較大的紅外輻射強度[5]。根據(jù)參考文獻[6]中圖9分析，F(xiàn)-22在左右機動、俯沖、拉升、翻滾時的紅外輻射特征都較強，尤其在突破音障時，高溫尾氣流包裹著機身，形成強烈的紅外輻射[6]。F-22紅外輻射最小值發(fā)生在亞音速飛行時迎頭方向，這是紅外光電系統(tǒng)預(yù)警和探測的難點，也是研究的重點。本文對飛機亞音速飛行時迎頭方向探測的紅外輻射特性進行深入研究和仿真分析。

1 飛機紅外輻射源及計算流程

1.1 紅外輻射源

本文參考北約空中目標紅外輻射特性計算軟件NIRATAM[7-9]，將亞音速飛行時飛機迎頭紅外輻射源分為兩類，如圖1所示。

1）飛機蒙皮輻射：氣動加熱、內(nèi)部熱源產(chǎn)生的紅外輻射。飛機在飛行過程中與空氣摩擦產(chǎn)生氣動加熱的熱量，發(fā)動機、尾噴管、噴嘴等熱部件向外傳導(dǎo)的熱量對蒙皮進行的再加溫，這些因素對飛機蒙皮紅外輻射量的貢獻是不可忽視的。

2）飛機蒙皮受到背景的輻射：飛機蒙皮受到太陽、天空、大地的背景輻射也會產(chǎn)生反射紅外輻射量。

圖1 飛機的典型紅外輻射源

上述各部分輻射源的比重依賴于飛機飛行參數(shù)、飛機蒙皮特性參數(shù)、飛機結(jié)構(gòu)性能參數(shù)和背景條件等因素。飛機飛行參數(shù)包括飛機姿態(tài)、飛行速度、飛行高度等。飛機蒙皮特性參數(shù)包括蒙皮吸收率、蒙皮發(fā)射率、蒙皮反射率，以及機身材料密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)。飛機結(jié)構(gòu)性能參數(shù)包括飛機零部件的位置、尺寸與形狀等參數(shù)。背景條件包括天氣狀況、地面狀況以及飛機與太陽地球的相對位置等。

1.2 計算流程

飛機目標紅外輻射特性的計算是本研究的重要內(nèi)容。在計算飛機紅外輻射量時，需考慮機頭與內(nèi)部熱部件及外部環(huán)境進行的能量交換，因此，飛機紅外輻射特性的求解是非常復(fù)雜的，本文將在一定合理簡化的基礎(chǔ)上開展研究。另外，飛機紅外輻射通過大氣傳輸?shù)郊t外光電系統(tǒng)的過程中，必定會伴隨著輻射的衰減，因此計算中還需要考慮紅外大氣透過率等參數(shù)。圖2給出了飛機亞音速飛行時迎頭紅外輻射特性的計算流程。在計算中，我們依據(jù)紅外輻射源建立了相應(yīng)的計算模型。

2 飛機輻射能通量計算模型

2.1 位置關(guān)系的確定

受空間位置關(guān)系的影響，入射到飛機不同零部件表面的紅外輻射能量存在一定的差異，不僅如此，甚至飛機同一部件的不同局部表面也不相同。隨著時間的變化，太陽光與飛機蒙皮各部分夾角也不停變化，具體情況根據(jù)飛機所處在的實際位置決定。因此，計算中需要弄清飛機、太陽和地球的位置關(guān)系。為此，本文建立3個坐標系：球坐標系(--)、地表坐標系(--)、飛機坐標系(--)，如圖3所示。

圖2 飛機迎頭紅外輻射特性計算流程

同樣，當飛機處于不同的空間位置和飛行姿態(tài)時，入射到紅外光電系統(tǒng)的紅外輻射量也是不相同的，為此需要確定飛機和紅外光電系統(tǒng)兩者之間的空間幾何位置關(guān)系，如圖4所示。以機頭為觀測的起點，觀測角以逆時針方向為正，則紅外光電系統(tǒng)正迎頭探測的角度（觀測角）為0°。

2.2 熱部件傳導(dǎo)部分

紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮發(fā)射熱部件傳導(dǎo)的輻射能通量unit()如公式(1)所示：

式中：A1為飛機蒙皮接受內(nèi)部熱部件傳熱的有效面積；假設(shè)熱部件發(fā)射面元dAu和飛機吸收面元dA1之間進行熱交換；l為兩面元中心連線的距離；a1和a2為面元法線與面元連線夾角；eu為熱部件發(fā)射率；Eunit(l)為飛機熱部件工作時T1產(chǎn)生的紅外輻照度；e為蒙皮發(fā)射率；t(l)為飛機到紅外光電探測系統(tǒng)的大氣透過率；u為紅外光電探測系統(tǒng)對飛機的觀測角。

圖4 紅外光電系統(tǒng)與飛機的位置關(guān)系

2.3 由氣動加熱產(chǎn)生部分

當氣體迎面流向鈍頭物體時，在頭部附近受到阻滯，其前端有一個滯止點，流動速度為零，稱為駐點，其溫度為滯止溫度0，用公式(2)計算[10-12]：

式中：為比熱容比；amb為周圍環(huán)境大氣溫度；為飛機飛行時的馬赫數(shù)。

恢復(fù)溫度不等于氣流滯止溫度，這是由于氣體內(nèi)部有熱傳導(dǎo)而引起的差異。飛機恢復(fù)溫度可用公式(3)計算[13-14]：

式中：R為飛機的恢復(fù)溫度；為恢復(fù)系數(shù)。

紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮發(fā)射由氣動加熱產(chǎn)生的輻射能通量flow()如公式(4)所示：

總而言之，農(nóng)村氣象服務(wù)建設(shè)作為一項長期性、系統(tǒng)性、復(fù)雜性工程，必須投入更多人力、物力、財力，全面提升農(nóng)村氣象的整體服務(wù)水平。加大氣象服務(wù)工程建設(shè)力度，為有效預(yù)防和處理農(nóng)業(yè)災(zāi)害、增加農(nóng)民收入和農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮出不可取代的作用。此外，農(nóng)村氣象服務(wù)是新農(nóng)村重點建設(shè)內(nèi)容，對于社會進步和國家繁榮發(fā)展等目標實現(xiàn)提供了有力條件。

式中：2為蒙皮發(fā)射由氣動加熱產(chǎn)生的輻射的有效面積；flow()為由氣動加熱導(dǎo)致蒙皮升溫產(chǎn)生的輻照度。

2.4 太陽直接照射部分

式中：3為蒙皮發(fā)射太陽直接照射的有效面積；s為飛機蒙皮對太陽輻射的吸收率；s()為太陽到飛機的大氣透過率；太陽天頂角度取決于目標與太陽的相對位置關(guān)系；sun()為太陽輻照度。

2.5 反射太陽部分

太陽天頂角的計算式如公式(6)所示[15]：

cos＝sinsin＋coscoscos (6)

式中：是觀察者所在地理緯度；是太陽赤緯角；是太陽時角。

將反射分為兩部分：一是蒙皮直接對太陽光的反射，二是蒙皮反射來自地球的太陽反照光。紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮反射太陽的輻射能通量sun-r()如公式(7)所示：

2.6 地球自身輻射部分

紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮反射地球自身輻射部分的輻射能通量earth()如公式(8)所示：

式中：5為飛機蒙皮反射地球輻射的有效面積；e為地球發(fā)射率；e()為地球到飛機的大氣透過率；為飛機蒙皮法線與地球之間的夾角。

2.7 天空自身輻射部分

紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮反射天空的輻射能通量sky()如公式(9)所示：

式中：6為飛機蒙皮反射天空輻射的有效面積；s為天空發(fā)射率；sky()為天空自身輻射部分對飛機的輻照度；為飛機蒙皮法線與天空之間的夾角。

2.8 紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的輻射總量

綜上所述，紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮發(fā)射或反射的總輻射能通量radi()如公式(10)所示：

radi()＝unit()＋flow()＋sun-d()＋

sun-r()＋earth()＋sky() (10)

3 飛機紅外輻射量仿真

本文根據(jù)上述“飛機輻射能通量計算模型”的推導(dǎo)過程，編制“飛機目標紅外輻射量計算程序”APIR[16]，并計算紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的F-22迎頭探測時的蒙皮輻射量。首先，計算水平路徑海拔10km處遠距離條件下的大氣透過率值，為后續(xù)紅外輻射強度的計算提供參考；其次，分析不同天頂角對蒙皮反射太陽紅外輻射強度的影響；最后，分析不同距離下紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的紅外輻射強度總量。

3.1 遠距水平路徑大氣透過率的仿真

針對飛機目標遠程迎頭探測的特點，利用“紅外大氣透過率計算程序”（IRAT）計算水平路徑海拔10km處遠距離條件下的大氣透過率值[17]。距離分別取250km、300km、350km、400km，假設(shè)地面溫度為27℃，地面相對濕度為65%，能見度為50km。水平路徑3～5mm大氣透過率（海拔：10km，距離：150～400km）如圖5所示，水平路徑8～12mm大氣透過率（海拔：10km，距離：150～400km）如圖6所示。

圖5 水平路徑3～5mm大氣透過率（海拔：10km，距離：150～400km）

圖6 水平路徑8～12mm大氣透過率（海拔：10km，距離：150～400km）

3.2 天頂角影響的仿真

根據(jù)公式(6)編制APIR中天頂角的仿真計算程序，假設(shè)研究地址為北京（經(jīng)度116.41667°，緯度39.91667°），日期為2012年7月1日，天頂角計算程序界面如圖7所示。根據(jù)公式(7)編制APIR中反射太陽紅外輻射量的計算程序，分析不同天頂角對蒙皮反射太陽的紅外輻射強度的影響。假設(shè)海拔高度為10km，地球發(fā)射率為0.3，馬赫數(shù)為0.6，觀測角度為0°，在不同的太陽天頂角影響下，紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的蒙皮反射太陽的輻射強度值如表1所示，天頂角和紅外輻射強度的關(guān)系如圖8所示，橫坐標為不同時刻的天頂角，縱坐標為紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的飛機蒙皮反射太陽的輻射強度。

由圖8可知，正午12點太陽直射時天頂角最小，此時紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的蒙皮反射太陽的輻射強度最強，反射太陽輻射強度隨著天頂角的增加而較小，當天頂角q＞90°時，太陽輻射強度為0，這說明飛機輻射量隨時間（或太陽天頂角）是呈現(xiàn)晝夜周期變化的。蒙皮反射太陽輻射部分主要以中波為主。以上結(jié)論與文獻[18]給出的結(jié)論基本一致。

圖7 天頂角計算程序界面

表1 天頂角及蒙皮反射太陽輻射強度值

圖8 不同時刻蒙皮反射太陽的紅外輻射強度

3.3 紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的蒙皮輻射總量

利用APIR做仿真計算，分析紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到F-22迎頭探測時的總蒙皮輻射量。假設(shè)地址為北京（經(jīng)度116.41667°，緯度39.91667°），日期為2012年7月1日，時間為10:0:0，海拔高度為10km，觀測角度為0°，蒙皮發(fā)射率為0.2，地球發(fā)射率為0.3，馬赫數(shù)為0.6，紅外光電系統(tǒng)到飛機的距離為250km、300km、350km、400km，采用IRAT計算的遠距水平路徑大氣透過率值。在不同距離下，紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到的紅外輻射強度總量如表2所示，距離與紅外輻射強度總量的關(guān)系如圖9所示，橫坐標為紅外光電系統(tǒng)到飛機的距離，縱坐標為紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到F-22迎頭探測時的蒙皮輻射強度總量。

圖9 距離對蒙皮輻射強度總量的影響

由圖9可知，隨著距離增加，紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到蒙皮輻射強度總量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，主要原因是大氣透過率隨著距離的增加而減小，從而導(dǎo)致蒙皮輻射強度總量隨之減小。該結(jié)論與文獻[18]給出的結(jié)論基本一致。

表2 不同距離下的總輻射強度值

4 結(jié)束語

本文主要研究了遠程迎頭探測飛機目標的紅外輻射特性。計算過程中綜合考慮了飛機蒙皮所吸收的由氣動加熱、內(nèi)部熱源產(chǎn)生的紅外輻射，以及飛機蒙皮反射太陽、地球、天空的紅外輻射。依據(jù)輻射源的分類，本文建立了紅外光電系統(tǒng)入瞳接收到飛機輻射能通量的計算模型。并根據(jù)該計算模型編制了計算程序，重點仿真計算了不同天頂角的飛機蒙皮反射太陽輻射強度和不同距離下的蒙皮輻射強度總量，得到的結(jié)論與文獻[18]給出的結(jié)論基本一致，由此證明了本文研究結(jié)果的正確性。

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Research on Infrared Signature for Remotely Detection from the Nose of Aircrafts

KANG Lizhu1，ZHAO Jinsong1，ZHOU Qian2，NI Kai2，TANG Han1，ZHAO Qiang1，TAO Liang1

(1.,650223,; 2.,,518055,)

The infrared signature for remotely detection from the nose of aircrafts is studied in this paper. The major infrared sources, the calculation process of infrared signature, and the calculation model of infrared radiation flux which reach into the entrance pupil of infrared imaging systems is introduced respectively. Finally, the atmospheric transmittance from horizontal remote path and the infrared radiation intensity are simulated.

infrared，infrared signature，aircraft target，Infrared radiation intensity

TN214

A

1001-8891(2017)04-0365-07

2017-02-18；

2017-03-17.

康麗珠，女（1983-），博士研究生，主要從事紅外光學(xué)技術(shù)的研究。E-mail：kangbingxin@126.com。