地面雷達目標紅外輻射特性研究

黃　莉， 周方方， 祁　鳴, 徐振亞

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽　471009)

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地面雷達目標紅外輻射特性研究

黃莉， 周方方， 祁鳴, 徐振亞

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽471009)

摘要：對地面雷達目標紅外輻射特性的研究以實測數據為依托， 以地面雷達目標和環境為研究對象， 建立一套地面雷達目標紅外輻射特性測試、 計算、 仿真流程。 通過結合實測數據和仿真模型， 來研究地面雷達目標與地面背景在不同時間段相對輻射特性變化情況， 為武器研制提供地面雷達目標紅外輻射特性數據。

關鍵詞：紅外輻射； 地面雷達; 溫度； 大氣傳輸； 仿真

0引言

隨著紅外探測技術的發展， 對目標與環境紅外輻射特性的研究越來越受到各國專家學者和有關機構的重視， 目前已成為紅外成像制導型武器研究不可缺少的部分， 直接影響到紅外成像制導武器系統的性能。

二十世紀七八十年代， 西方一些發達國家從仿真建模和外場實測兩方面入手， 對模型紅外圖像仿真進行了大量的研究工作。 1980年， Jacobs率先模擬在各種天氣下， 對建筑物、 公路等簡單幾何外形的物性仿真。 1987年， Gerhart等人提出了模塊化的熱圖像模型計算程序TTIM(TACOM Thermal Image Model)， 物體表面溫度由環境輻射、 環境溫度、 表面熱參數等的函數組成， 通過對物體表面溫度計算， 仿真繪制出物體的紅外熱圖像。 1988年， Cathcart提出了不同背景的物體紅外仿真模型,得到了物體表面的輻射分布。 1994年， Nandhakumar等人引入內熱源的影響， 以及對形成目標紅外特征的重要作用， 提出了以八叉樹模型來反映內仿真熱源作用的紅外圖像模型。 以上這些方法雖在一定程度上求解了目標的紅外輻射特性， 但存在很多的缺陷， 因為其主觀隨意性較大， 原理、 方法以及對環境因素影響表示過于簡單， 效果都不太理想。

本文借助較為成熟的硬件資源(如短波熱像儀、 中波熱像儀、 長波熱像儀、 光譜輻射計)和軟件資源(如SE-WORKBENCH-IR， VEGA， MODTRAN， JRM)， 結合紅外輻射特性測試、計算、 仿真流程， 通過實測數據和仿真模型， 來研究地面雷達目標與地面背景在不同時間段相對輻射特性變化情況。該研究充分考慮了環境因素影響， 仿真效果理想， 能為武器研制提供地面雷達目標紅外輻射特性數據。

1測試實驗

使用紅外熱像儀和光譜輻射計進行地面雷達目標的紅外輻射實際測量。 在晴朗天氣下， 用熱像儀測得的地面球形雷達紅外圖像如圖1所示。

圖1　熱像儀全天測試圖像

由圖1可以看出， 雷達目標周圍的地物背景非常復雜， 但綜合可以分為植被、 樓房樓頂、 道路。 從全天的數據來看， 雷達罩體平均溫度最高的時間是在15點到17點之間， 溫度最低的時間是在4點到5點左右。 就雷達罩與周圍地物背景的溫度差別而言， 溫差最大的時間是在15點到16點左右， 溫差最小的時間是在3點至4點左右。

2地面雷達目標紅外輻射計算

根據目標溫度分布， 計算目標輻射出射度：

M=εσT4

(1)

式中：M為地面雷達輻射出射度；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數；ε為地面雷達發射率；T為地面雷達表面溫度。

地面雷達的紅外輻射除了與結構和內部熱源有關外， 還與周圍的環境有關。 影響地面雷達目標表面溫度的因素有：入射地面雷達目標上的輻射、 地面雷達目標的吸收率、 地面雷達目標的反射率、 地面雷達目標的熱傳導等。 地面雷達目標的紅外輻射包含兩個方面：自身紅外輻射和環境輻射。

(1) 自身紅外輻射計算

計算地面雷達目標自身紅外輻射時， 要綜合考慮物體與環境以及物體各部分之間的各種熱交換。 可以把地面雷達分成若干部分， 各部分假設為理想四邊形單元， 任取第k個單元, 單元之間的熱交換如圖2所示。

圖2　單元之間熱交換

圖中， 雷達單元面積為Ak； 單元溫度為Tk； 單元外表面發射率為ε1k； 單元內表面發射率為ε2k；J為入射能量流密度；G為出射能量流密度。

雷達內表面的輻射能量流密度為

(2)

雷達外表面的輻射能量流密度為

(3)

雷達面元k之間的熱傳導為

(4)

內外表面的對流可用牛頓冷卻公式表示為

Ecv=Akh(Tk-Tair)

(5)

式中：Tin為內部溫度；εin為內倉發射率；Fk-j為面元之間的輻射交換因子；qenv為面元接收到的環境輻射特性；λ為導熱率；Tk和Tn(k)分別為相鄰面元溫度；Tair為單元面壁接觸氣體的溫度；h為對流換熱系數。

(2) 環境輻射計算

環境輻射包括太陽、 天空、 地面輻射三個方面， 即

qenv=qsun+qsky+qgrd

(6)

太陽輻射可分為直接輻射、 漫反射輻射和間接輻射三部分。 直接輻射為全波段太陽輻射， 其能量與當地氣候、 時間、 空間有關， 一般由實測給出， 也可以由MODTRAN軟件計算出來； 漫反射輻射為太陽光能量經天空、 大氣等散射后， 形成的上半球空間的輻射能量， 其值與當地氣候、 時間、 空間有關， 一般由實測給出， 也可以由MODTRAN軟件計算出來； 間接輻射時太陽光經其他面元輻射到達該面元， 并被吸收能量， 與直接輻射、 漫反射輻射能量以及面元與太陽波段輻射交換因子有關， 可由經驗公式得到。

天空輻射主要為上半球空間的長波輻射， 輻射強度一般由太陽、 云層等氣象條件所決定， 可由實測和經驗公式得到， 也可通過MODTRAN等軟件計算出來。

地面輻射不僅跟氣候有關， 還跟地面背景輻射多樣性有關； 不僅要考慮地面的直接輻射， 還要考慮環境輻射的反射， 其輻射較為復雜， 一般由實測獲得。

3地面雷達目標紅外輻射特性仿真

地面雷達目標紅外輻射特性仿真采用“相對等效”原理，模擬地面雷達與環境在典型實戰情況下生成的等效特征紅外圖像。 主要包含四個步驟：

(1) 根據相關的場景信息， 建立地面雷達和環境的幾何模型；

(2) 根據傳導熱學原理， 建立地面雷達的熱模型， 計算地面雷達的表面溫度分布；

(3) 根據紅外輻射理論， 建立地面雷達的紅外輻射模型， 計算地面雷達表面的輻射分布；

(4) 設置大氣條件參數， 計算地面雷達紅外輻射分布經過大氣路徑的衰減。

在地面雷達紅外輻射特性仿真中， 對地面雷達表面的溫度分布確定是最為關鍵的， 通過地面雷達表面溫度來計算地面雷達的紅外輻射。

通過以下三種方法進行紅外特性仿真：

(1) 基于國外仿真軟件包的方法

目前用于紅外特性仿真的專業軟件有美國的SE和法國的JRM。專業軟件具有模型豐富、 仿真結果可信度高、 可快速開發等優點， 同時也有費用高、 不便定制等不足。

(2) 基于傳導熱學模型的方法

通常結合紅外傳感器模型和大氣傳輸模型來完成仿真， 其工作主要集中于目標與背景表面溫度場的計算， 通過綜合考慮目標背景的材質、 大氣影響、 太陽輻射等因素， 建立目標背景溫度場的熱模型， 計算出目標和地面背景的表面輻射量， 在此基礎上通過映射目標背景場景的輻射量來得到目標背景的紅外模擬圖， 其仿真框圖如圖3所示。

圖3　紅外輻射特性仿真框圖

(3) 基于實測與理論相結合的方法

理論與實測相結合的方法克服了理論實驗數據少、 獲得較難、 花費較大以及紅外仿真誤差較大的弊端， 通過實測數據的修正， 使仿真結果更加真實、 準確。 但由于經驗參數與實驗數據關系密切， 所建立模型的精度與對實驗數據的分析和經驗參數的取值相關， 還要確保實驗可行。

4結束語

本文對地面雷達目標紅外輻射特性的研究主要基于實測數據， 結合仿真模型， 研究了各種環境因素以及模型中各參數的選取對目標溫度和紅外輻射的影響作用， 同時分析了不同時間段地面雷達與環境的相對紅外輻射的差異性， 以歷史氣候積累光熱模型完成地面目標特性計算， 并根據實驗數據對仿真模型進行校驗， 對提高建模的準確性研究有一定幫助。

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Study on Infrared Radiation Characteristics of Ground-Based Radar Target

Huang Li, Zhou Fangfang, Qi Ming， Xu Zhenya

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:The infrared radiation characteristics of ground-based radar target is studied according to the true testing data, and the research objects contain both ground-based radar target and environment, and the testing, calculation and simulation flow of infrared radiation characteristics of ground-based radar target are designed in this paper. Furthermore, by combining the true testing data and the simulation model, the relative infrared radiation characteristics changes of ground-based radar target and environment in different time are studied as well, and this study can provide infrared radiation characteristics of ground-based radar target data for designing weapons.

Key words:infrared radiation； ground-based radar； temperature； transmission in atmosphere； simulation

作者簡介：黃莉(1983-)，女，貴州銅仁人，工程師，研究方向為紅外目標與環境特性。

收稿日期：2015-07-27

中圖分類號：TN215

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048(2015)06-0063-03