王 東，鄒前進(jìn)，劉小虎

無(wú)人機(jī)地面滑跑狀態(tài)紅外輻射特性測(cè)量及分析

王 東，鄒前進(jìn)，劉小虎

（光電對(duì)抗測(cè)試評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003）

為準(zhǔn)確得到某型無(wú)人機(jī)紅外輻射特性，用3.7～4.8mm中波、7.7～10.3mm長(zhǎng)波紅外熱像儀對(duì)某型無(wú)人機(jī)地面滑跑狀態(tài)的紅外輻射亮度進(jìn)行了測(cè)量，用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件對(duì)測(cè)量過(guò)程的大氣透過(guò)率、大氣程輻射進(jìn)行了計(jì)算。測(cè)量結(jié)果表明，該狀態(tài)下無(wú)人機(jī)機(jī)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(gè)方向輻射亮度基本一致，長(zhǎng)波波段機(jī)身蒙皮輻射亮度為相應(yīng)部位中波波段輻射亮度的280倍左右；發(fā)動(dòng)機(jī)輻射亮度遠(yuǎn)高于機(jī)身蒙皮輻射亮度，受機(jī)身遮擋、機(jī)體結(jié)構(gòu)等原因影響，發(fā)動(dòng)機(jī)輻射亮度具有方向性，后向輻射最強(qiáng)。

紅外輻射；輻射亮度；無(wú)人機(jī)；大氣透過(guò)率；大氣程輻射

0 引言

作為一種先進(jìn)裝備，無(wú)人機(jī)以其得天獨(dú)特的“無(wú)人”優(yōu)勢(shì)，廣泛執(zhí)行偵察監(jiān)視、精確打擊、定點(diǎn)轟炸、電子干擾、通信中繼、戰(zhàn)斗評(píng)估等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了“不見(jiàn)面”、“零傷亡”的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理念，具有極為廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。隨著紅外探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)紅外輻射特性研究已成為偵察探測(cè)領(lǐng)域的重要的一環(huán)。目前，無(wú)人機(jī)紅外輻射特性的研究方法主要有實(shí)測(cè)研究和仿真建模兩種。實(shí)測(cè)研究具備結(jié)果可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是無(wú)人機(jī)紅外輻射特性研究的重要方法。另外，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可較好地用于仿真模型的校驗(yàn)。近年來(lái)，有關(guān)無(wú)人機(jī)及其他飛行器紅外輻射特性的研究已有不少報(bào)道，但大多集中在仿真建模方面。王軍等測(cè)試研究了某型短程固定翼無(wú)人偵察機(jī)的紅外輻射特性，給出了無(wú)人偵察機(jī)光譜輻射特性及熱場(chǎng)分布特征[3]；許愛(ài)華等利用Fluent仿真軟件對(duì)某型高空高速無(wú)人機(jī)尾焰流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真，計(jì)算了不同方位尾焰的紅外輻射強(qiáng)度[4]；徐頂國(guó)等建立了某型無(wú)人機(jī)紅外輻射的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了該無(wú)人機(jī)在背景輻射下的紅外輻射特征，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)紅外隱身技術(shù)進(jìn)行了研究[5-6]；孫占久等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法開(kāi)展了某無(wú)人機(jī)蒙皮氣動(dòng)加熱性能、發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)人機(jī)外形特征、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管構(gòu)型和尾噴焰流場(chǎng)分布對(duì)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(zhǎng)波紅外熱像儀對(duì)某型無(wú)人機(jī)地面滑跑狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，并給出了輻射亮度與測(cè)量角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)其不同部位、不同波段的紅外輻射特性進(jìn)行了分析比較。

1 測(cè)量設(shè)備及布局

測(cè)量設(shè)備包括紅外熱像儀（中波、長(zhǎng)波各一臺(tái)）、ISDC IRl50黑體、手持GPS、氣象設(shè)備等。主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)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(wú)人機(jī)。紅外熱像儀架設(shè)在安全距離之外，為了準(zhǔn)確獲得該無(wú)人機(jī)的紅外輻射亮度，測(cè)量前需用ISDC IRl50面源黑體對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道滑跑，紅外熱像儀對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)人機(jī)飛參系統(tǒng)同步記錄無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息，包括速度、航向、位置等；手持GPS測(cè)量紅外熱像儀位置坐標(biāo)；氣象設(shè)備記錄環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、能見(jiàn)度等地面常規(guī)氣象參數(shù)等。

2 標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 標(biāo)定及結(jié)果

對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將ISDC IRl50面源黑體依次設(shè)置為不同的溫度，紅外熱像儀對(duì)不同溫度黑體的輻射亮度進(jìn)行測(cè)量，得到紅外熱像儀的輻射亮度響應(yīng)度和其自身偏移值DN0之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定標(biāo)模型如下[8-9]：

DN＝＋DN0(1)

圖1 測(cè)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(yīng)度；DN0為紅外熱像儀自身熱輻射、散射背景輻射以及探測(cè)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(cè)量波段內(nèi)的輻射亮度。

圖2、圖3分別給出了中波、長(zhǎng)波紅外熱像儀標(biāo)定結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為黑體輻射亮度，W?m－2?sr－1，縱坐標(biāo)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(duì)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到中波紅外熱像儀輻射亮度響應(yīng)關(guān)系為：

DNM＝2184×＋3281 (2)

長(zhǎng)波紅外熱像儀輻射亮度響應(yīng)關(guān)系為：

DNL＝177×＋3786 (3)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

紅外熱像儀對(duì)無(wú)人機(jī)紅外輻射進(jìn)行探測(cè)時(shí)，大氣中的分子、氣溶膠粒子等對(duì)無(wú)人機(jī)輻射會(huì)產(chǎn)生吸收和散射衰減，同時(shí)大氣自身紅外輻射又疊加到無(wú)人機(jī)輻射上。大氣中的紅外輻射特性測(cè)量模型為[8-10]：

式中：t為被測(cè)無(wú)人機(jī)的輻射亮度；τ為無(wú)人機(jī)與紅外熱像儀之間的大氣透過(guò)率；path為無(wú)人機(jī)與紅外熱像儀之間的大氣程輻射，測(cè)量時(shí)可利用氣象設(shè)備監(jiān)測(cè)大氣參數(shù)，然后用大氣輻射傳輸軟件計(jì)算氣透過(guò)率τ和大氣程輻射path。

由式(4)可反演得到無(wú)人機(jī)的紅外輻射亮度為：

由式(5)可知，無(wú)人機(jī)紅外輻射亮度Lt的測(cè)量反演精度取決于紅外熱像儀自身原因及標(biāo)定、測(cè)量過(guò)程造成的輸出值DN、偏移值DN0、輻射亮度響應(yīng)度a等的不確定度，以及大氣測(cè)量及計(jì)算過(guò)程造成的大氣透過(guò)率τα、大氣程輻射Lpath的不確定度。

圖3 長(zhǎng)波紅外熱像儀標(biāo)定結(jié)果

3 對(duì)某型無(wú)人機(jī)測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量時(shí)間為春季晴朗白天，大氣能見(jiàn)度7～8km，溫度16℃～19℃，濕度13.0%～15.0%。為獲得某型無(wú)人機(jī)的輻射亮度，根據(jù)輻射亮度反演公式(5)，首先依據(jù)測(cè)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(jì)算該無(wú)人機(jī)和紅外熱像儀之間的大氣透過(guò)率和大氣程輻射。利用紅外熱像儀輻射亮度響應(yīng)度、偏移值，大氣透過(guò)率、程輻射等數(shù)據(jù)，由測(cè)量的輸出值DN反演得到了該無(wú)人機(jī)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(cè)量得到的該無(wú)人機(jī)不同部位相對(duì)輻射亮度與測(cè)量角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。其中，測(cè)量角度表示熱像儀光學(xué)系統(tǒng)軸線與無(wú)人機(jī)機(jī)頭方向的夾角，各部位輻射亮度均相對(duì)于同波段機(jī)身40°方向輻射亮度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理，地面為混凝土材質(zhì)，背景為低空自然背景。另外，圖4中在測(cè)量角度大于90°時(shí)由于無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，中波熱像儀探測(cè)器局部達(dá)到飽和，未能準(zhǔn)確給出發(fā)動(dòng)機(jī)輻射亮度測(cè)量結(jié)果。

圖6給出了該無(wú)人機(jī)機(jī)身相同部位中波、長(zhǎng)波輻射亮度對(duì)比結(jié)果，圖中各測(cè)量角度的輻射亮度均相對(duì)于中波波段機(jī)身40°方向輻射亮度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理。

3.2 結(jié)果分析

綜合圖4、圖5、圖6，可以得到如下結(jié)論：

①由于該無(wú)人機(jī)滑跑階段速度較低，氣動(dòng)加熱造成的蒙皮輻射較弱，中波、長(zhǎng)波波段機(jī)身輻射亮度較低，且同波段各個(gè)方向的測(cè)量結(jié)果基本一致，說(shuō)明蒙皮輻射沒(méi)有方向性。另外機(jī)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?yàn)榛炷恋孛媸芴?yáng)照射溫度略高于機(jī)身和背景溫度。

圖4 中波輻射亮度與測(cè)量角度關(guān)系

圖5 長(zhǎng)波輻射亮度與測(cè)量角度關(guān)系

圖6 機(jī)身部位中、長(zhǎng)波輻射亮度對(duì)比

②從左前側(cè)觀測(cè)（測(cè)量角度小于90°），由于機(jī)身遮擋無(wú)法觀測(cè)到無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口紅外輻射；從側(cè)面觀測(cè)（測(cè)量角度90°），發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口輻射亮度明顯高于機(jī)身、地面及背景輻射亮度，同時(shí)，由于該發(fā)動(dòng)機(jī)為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，未觀測(cè)到明顯的尾焰輻射；從尾部觀測(cè)（測(cè)量角度大于90°），隨著測(cè)量角度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口輻射亮度逐漸增大，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)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(dòng)機(jī)加熱影響，發(fā)動(dòng)機(jī)附近的蒙皮溫度較高，中波、長(zhǎng)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(jī)身其它部位蒙皮輻射亮度。

④機(jī)身蒙皮長(zhǎng)波輻射亮度為中波輻射亮度的280倍左右，測(cè)量角度大于90°時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，紅外輻射過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致中波熱像儀探測(cè)器飽和，該條件下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口中波輻射亮度。

⑤測(cè)量過(guò)程還發(fā)現(xiàn)，機(jī)身部分位置能夠清晰觀察到中波波段的太陽(yáng)光反射，相同位置未觀察到長(zhǎng)波波段的太陽(yáng)光反射，說(shuō)明機(jī)身對(duì)太陽(yáng)光反射具有明顯的波段選擇性，波長(zhǎng)越短反射效果越強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用3.7～4.8mm中波、7.7～10.3mm長(zhǎng)波紅外熱像儀對(duì)某型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了紅外輻射測(cè)量，利用MODTRAN大氣輻射傳輸軟件對(duì)測(cè)量過(guò)程的大氣透過(guò)率、大氣程輻射進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)反演計(jì)算得到了某型無(wú)人機(jī)不同部位的紅外輻射亮度。經(jīng)分析，對(duì)該無(wú)人機(jī)進(jìn)行偵察探測(cè)時(shí)，在迎頭方向，由于機(jī)身遮擋發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射，對(duì)偵察探測(cè)起主要作用的是氣動(dòng)加熱造成的機(jī)身蒙皮輻射；在側(cè)向和尾追方向，由于發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射亮度很強(qiáng)，對(duì)偵察探測(cè)起主要作用的是發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射，此時(shí)的偵察探測(cè)距離將大于迎頭方向的偵察探測(cè)距離。此外，由于長(zhǎng)波波段的機(jī)身蒙皮輻射亮度遠(yuǎn)高于相應(yīng)的中波波段輻射亮度，相同條件下長(zhǎng)波在迎頭方向偵察探測(cè)更有優(yōu)勢(shì)，論文的測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)論對(duì)目標(biāo)特性研究、紅外偵察探測(cè)、紅外偵察設(shè)備研制及檢測(cè)具有一定的參考價(jià)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣怆娂肮怆妼?duì)抗。E-mail：wd.hardman@163.com。