紅外系統對隱身飛機的探測距離分析

何建偉，曹 晨，張 昭

(中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京100041)

1 引言

隨著武器裝備技術的發展，隱身化技術已成為先進航空裝備的重要特征。如何應對隱身飛機帶來的威脅成為世界各國面臨的一大難題。空中機動裝備不可避免地產生的紅外輻射特性，使得紅外系統在空中機動目標探測領域得到了廣泛的應用［1－4］，紅外探測自然也成為人們應對隱身飛機威脅所考慮的手段。目前，針對紅外探測隱身目標的研究較少，缺乏較深入細化的分析。本文就隱身飛機紅外探測問題，從目標特性、大氣傳輸、系統自身三方面，分析紅外隱身后目標紅外特征變化對探測的影響，總結有利于遠程紅外探測的大氣傳輸規律，分析系統可控參數對作用距離提升的影響，估算紅外系統對隱身飛機的探測距離，探討紅外系統對隱身飛機的遠程預警應用。

2 隱身飛機紅外輻射特征對探測的影響

高速飛行的飛機產生的紅外輻射來源于發動機尾噴口熱輻射，發動機排出的尾焰輻射，飛行氣動加熱形成的蒙皮輻射以及飛機對環境輻射(太陽、地面和天空)的反射。對于發動機尾噴管和排氣尾焰，紅外隱身技術采取的措施有發動機隔熱、異形噴管、發動機及噴管結構布局優化、排氣出口調整遮蔽、噴射冷卻劑等［5－6］，達到減小、變向、遮蔽尾噴管和排氣尾焰紅外輻射的目的。對蒙皮輻射和環境輻射反射，紅外隱身技術采取的措施主要是利用紅外隱身涂料，通過改變目標表面發射率，調整表面溫度及輻射特征以實現目標的低可探測性［7－9］。隱身飛機的目標紅外特征，在飛機尾部，紅外輻射出現方向和強度上的變化;在全機身，輻射發生強度上的變化。對探測距離的分析需要考慮飛機尾部輻射方向性和隱身涂料發射率的影響。

2.1 尾部輻射方向性對探測的影響

飛機尾部輻射主要來源于發動機尾噴口輻射和排出尾焰輻射。兩者輻射強度與發動機工作狀態及所用燃料密切相關，其方向性由尾噴管決定。以美國用于隱身飛機的某型號發動機為例［10］，該型發動機采用二元矢量收斂－擴張噴管，可在俯仰方向可作±20°的偏轉。二元矢量噴管的結構布局改善了排出尾焰與大氣的摻混能力，高溫燃氣很快在大氣中耗散。針對可偏轉的矢量噴管紅外輻射特性的計算研究表明［11］，噴管出口平面向后半球的最大輻射強度位于噴管的偏轉方向上，在其高低角方向上，隨角度的增大輻射強度下降明顯?？烧J為采用矢量噴管的飛機尾部輻射具有較強的方向性并具備一定的機動性。從飛機前半球方向探測，產生的輻射更容易被飛機機身遮擋;由于矢量噴管的可偏轉機動性，即使不受遮擋，在方向上，隱身飛機尾部產生的輻射進入紅外系統探測視場也具有一定的隨機性，不利于系統的探測?？紤]到這種不利影響，在系統探測距離分析中，對隱身飛機目標輻射強度的估算暫不考慮尾部輻射的貢獻。

2.2 隱身涂料發射率對探測的影響

氣動蒙皮輻射和環境輻射反射形成的輻射通量密度可表示為:

式中，εt為表面發射率;σ為斯蒂芬－玻耳茲曼常數;Tt為飛機表面溫度;He為環境輻射輻照度。

式(1)表明，隱身飛機機身產生的輻射強度與飛機表面溫度、表面發射率及環境輻射有關。表面溫度是飛機從高速飛行產生的高溫高壓氣動附面層內吸收的熱量和表面向外輻射熱量之間的熱平衡值。當所吸收的熱量相同時，低發射率的表面向外輻射的熱量小，溫度增加幅度大于高發射率表面。分析隱身涂料造成的影響，不僅要考慮低的表面發射率，還要考慮因減低發射率導致的溫度變化。

正常情況下，飛機的表面溫度近似等于氣動附面層的溫度，由下式計算［12］:

式中，T0為周圍大氣溫度;r為恢復系數，一般取r=1.4;γ=1.4為空氣定壓熱容量和定容熱容量之比;M為飛行馬赫數。

采用隱身涂料后，改變了飛機表面的輻射發射率，存在兩種可能:一是減小了全光譜段的發射率;二是只減小了大氣傳輸窗口波段的發射率，其余波段的發射率不變。如果涂料的全光譜段發射率均減小，表面向外輻射能量能力減弱，從氣動附面層吸收相同熱量達到熱平衡時，相對于常規飛機，采用涂料的飛機自身溫度將大幅增加。如果不采取額外降溫措施，將不利于飛機的紅外隱身。

本文主要討論選擇性發射率隱身涂料，即處于大氣傳輸窗口的波段發射率減小，其余波段發射率不變。假設減小的是紅外中波段3～5 μm和長波段8～12 μm的發射率，紅外隱身前和隱身后，由于飛機表面從氣動附面層吸收了相同熱量，根據能量守恒，達到熱平衡時，表面向外輻射的總通量密度不變，有:

式中，ε0，ε'分別為隱身前和隱身后的表面發射率;T'為隱身后飛機的表面溫度;W3～5μm、W8～12μm分別為T'溫度下3～5 μm和8～12 μm 波段的輻射通量密度，根據普朗克公式計算:

式中，c1為第一輻射常數;c2為第二輻射常數;λ為波長。

假設隱身前的表面發射率ε0=0.8，根據式(3)計算飛行高度10 km，不同ε'下飛機的表面溫度變化情況，結果如圖1所示。

圖1 隱身前后飛機表面溫度

由于表面發射率的變化，飛機表面溫度較隱身前有所升高，所輻射的3～5 μm和8～12 μm波段的輻射通量密度變化情況如圖2所示。

圖2 隱身前后輻射通量密度變化情況

從計算結果看，紅外隱身涂料的采用降低了飛機表面3～5 μm波段和8～12 μm波段的輻射通量密度，且隨著飛行速度的增加，兩波段的輻射通量密度下降的效果越明顯。在這兩波段上，表面發射率越低，輻射通量密度減少越多。

除了飛機表面產生的輻射，還應考慮表面對環境輻射的反射。根據式(1)，反射的環境輻射與表面發射率有關。為更詳細分析涂料表面發射率對目標輻射特性的影響，計算了包括環境輻射發射在內的飛機紅外隱身前后不同表面發射率的正迎頭輻射強度，如圖3所示，飛機正迎頭面積取2.5 m2，飛行高度10 km，環境輻射亮度300 W/m2。

圖3 隱身前后目標輻射強度變化情況

從圖3看，環境輻射對目標3～5 μm波段的輻射特性影響較大，對8～12 μm波段的輻射特性影響小。對3～5 μm波段，在飛機亞音速和低超音速飛行階段，表面發射率越低，由于環境輻射的反射，輻射強度反而越大;在高超音速飛行階段，表面發射率越低，輻射強度越小，隱身涂料在飛機高超音速飛行階段有效減小該波段的輻射強度。這是由于飛機亞音速飛行時，3～5 μm波段的蒙皮輻射較小，而該波段的環境輻射相對較大，表面反射了大部分的環境輻射，使總的輻射強度增大;高超音速飛行時，3～5 μm波段的蒙皮輻射大于所反射的環境輻射，環境輻射的影響變小。對8～12 μm波段，飛機從低速到高速飛行的全階段，隱身涂料有效減小了該波段的輻射強度，涂料表面發射率越低，輻射強度減小越明顯。

總的來看，紅外隱身技術的采用降低了飛機紅外輻射特征的可探測性，對探測產生不利的影響，但并非不可探測。為減小紅外隱身技術帶來的不利影響，實現隱身飛機的紅外探測，需要發揮有利于提升紅外探測距離的影響因素，使紅外系統在合適的大氣條件環境下工作，提高系統遠距離探測能力。

3 遠程大氣傳輸

對遠程大氣傳輸的分析主要考慮目標和探測器在不同高度時，遠距離大氣傳輸路徑的大氣透過率情況。采用Modtran4.0大氣傳輸計算軟件進行計算，設定的大氣條件為中緯度夏季，運行模式為散射輻射，應用氣溶膠模型為鄉村消光系數，氣象視距23 km，無云無雨。計算目標、觀測點在不同高度時，傳輸路徑上典型的紅外大氣窗口波段3～5 μm及8～12 μm的平均大氣透過率變化情況，結果如圖4所示。

圖4 目標與觀測點處于不同高度的大氣透過率情況

從圖4看出，目標與觀測點處于不同高度時，兩者間傳輸路徑的大氣透過率差距較大。高空大氣傳輸路徑的大氣透過率明顯高于低空。在高空，8～12 μm波段的大氣透過率優于3～5 μm波段，隨高度的降低，8～12 μm波段的大氣透過率下降幅度大于3～5 μm波段，低空中3～5 μm波段透過率優于8～12 μm波段。從探測角度分析，紅外系統空中探測相對于地面探測在大氣透過率上獲益大，探測距離可得到相應提高;對高空目標，探測波段適合采用8 ～12 μm 波段，對低空目標，適合采用3 ～5 μm 波段的探測器。

4 作用距離分析

紅外系統的作用距離可由下式表示［10］:

式中，J為目標輻射強度;τa為大氣透過率;D0為光學系統入射口徑;NA為光學系統數值孔徑;τ0為光學系統至探測器間的光譜透過率;D*為探測器歸一化的探測度;ω為探測器的瞬時視場;Δf為等效噪聲帶寬為系統正常工作所需的最小信噪比。

式(5)中列出了決定系統作用距離的各項因素，等號右邊第一項為目標紅外特性與大氣透過率，第二項為光學系統，第三項為探測器性能，第四項為系統信號處理特性。在探測器性能一定的情況下，提升作用距離可從光學系統和系統處理系統兩方面進行，可控的參數為光學系統入射口徑、數值孔徑和系統最小信噪比。在實際應用中，光學系統的數值孔徑通常受探測器尺寸和視場的限制，可供選擇的范圍有限，對作用距離的分析主要考慮光學系統入射口徑和檢測信噪比的影響。

從式(5)直觀看，在其余參數一定的情況下，作用距離與光學系統入射口徑的平方根成正比，與信噪比平方根成反比。但實際上，隨著作用距離的提升，大氣傳輸過程中衰減越嚴重，實際提升的距離將受到限制?；诒疚那笆瞿繕伺c大氣透過率分析結果，計算分析在大氣衰減情況下，光學系統口徑和檢測信噪比對作用距離的影響，結果如圖5、圖6所示。圖5為某一檢測信噪比下，隱身前后作用距離與光學系統口徑的關系，圖6為某一口徑下，隱身前后作用距離與檢測信噪比的關系。目標飛行高度10 km，飛行速度1.2Ma，探測器高度10 km，探測器響應波段7.7～9.5 μm。

比較圖5和圖6曲線變化趨勢，系統正常工作所需的最小檢測信噪比對作用距離的影響大于光學系統口徑。為提升紅外系統的作用距離，可采取降低最小檢測信噪比和增大光學系統口徑兩方面措施，且應優先考慮改善檢測信噪比。

假設采用φ350 mm光學口徑，檢測信噪比為3的紅外系統，在10 km高空探測飛行高度為10 km的飛機目標，其作用距離計算結果如圖7所示。可見，紅外隱身涂料有效降低了目標的可探測距離。從圖7還可看出，紅外隱身前后，系統探測距離的減少幅度，在高速飛行階段大于低速飛行階段，即紅外隱身涂料在高速飛行階段產生的隱身效果大于低速飛行階段。

圖7 紅外系統作用距離

5 結論

紅外隱身技術的采用，使隱身飛機目標的紅外特征受到抑制，降低了目標的可探測性。理論計算表明，低的信號檢測信噪比和大光學系統口徑的紅外系統可實現對隱身飛機的遠距離探測。在高空條件下，對飛行速度在亞音速以上(＞0.8 Ma)的隱身飛機，紅外系統可實現大于250 km的迎頭探測，可成為隱身飛機預警應用中供選擇的探測手段。

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