面源紅外誘餌輻射強度測試方法及誤差分析*

劉　穎　王明波

(1.91404部隊93分隊　秦皇島　066001)(2.92493部隊98分隊　葫蘆島　125000)

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面源紅外誘餌輻射強度測試方法及誤差分析*

劉穎1王明波2

(1.91404部隊93分隊秦皇島066001)(2.92493部隊98分隊葫蘆島125000)

紅外誘餌輻射強度是決定面源紅外干擾彈作戰使用的關鍵指標,用紅外熱像儀可實現對面源紅外誘餌輻射強度的測試。論文重點對面源紅外誘餌輻射強度的測試方法、數據處理方法及影響測量的誤差因素進行了研究。采用簡易裝置進行了試驗驗證,試驗結果表明論文提出的測試方法和計算方法提高了面源紅外誘餌輻射強度計算精度。

面源紅外誘餌; 輻射強度; 誤差分析; 影響因素

Class NumberTN219

1　引言

本文研究的重點是面源紅外誘餌輻射強度的測試方法和計算方法。目標的輻射強度測量計算的準確性與等效黑體輻射溫度、大氣透過率、路程的輻射、背景的輻射、目標的反射、測量距離、目標張角、測量設備參數等相關。用雙波段紅外熱像儀可實現對面源紅外誘餌輻射強度的測試,依據目標成像大小與一個像素大小比較而言確定目標為點目標、小目標還是面目標的。面源紅外誘餌在形成初期到輻射最強時刻是結構復雜、材料和表面不同的較大的連續的面目標,而到燃燒中后期往往會形成不連續的面目標,此時輻射強度仍然很大,仍然是有效輻射期,因此,測試距離如何確定,如何合理地布站,如何進行輻射強度計算是關鍵問題。本文通過對連續面目標和不連續面目標采用區域劃分的計算方法有效地測量和計算了面源紅外誘餌的輻射強度。

2　測量方法

紅外熱像儀測量的是目標表觀溫度分布特性,不能直接測量得出目標的等效黑體輻射溫度、目標的真實溫度、目標的紅外輻射亮度和紅外輻射強度等分布特性。其測量原理是利用熱像儀測量目標表觀溫度相對分布的功能推導目標輻射亮度和輻射強度等特性[1,4],推導計算所需要測量參數及相互關系如圖1所示。

圖1　熱像儀測量計算紅外輻射特性原理示意圖

3　測試方法

3.1紅外熱像儀的標定[2,4]

測試前,要對熱像儀進行標定,本文采用高溫面源黑體覆蓋測量系統入瞳的方法進行輻射標定。標定方法如下:

1) 調整熱像儀的位置使面源黑體位于熱像儀鏡頭前10cm處,并且保證黑體標準裝置的輻射出射中心位于熱像儀的視場中心。

2) 熱像儀開機,調整焦距使黑體在熱像儀中清晰成像,并進行非均勻性校正。熱像儀開機預熱1小時,待熱像儀穩定后進行下一步工作。

3) 設定黑體溫度,當顯示板上溫度顯示穩定后。熱像儀選用相應的標準積分時間,以25幀/秒的速度采集圖像,共記錄30s。

4) 選取圖像中黑體區域,記錄本次標定結果。

5) 檢測完一點后黑體升溫,需要注意此時移開被測設備接收頭,以防輻射持續使設備接收頭升溫,從而影響標定結果。當新設定的黑體溫度穩定后,重復步驟3)、4)。隨后重復上述過程。

圖2　面源黑體標定圖

3.2測量距離的確定

測量距離一般要根據熱像儀的測量視場、鏡頭的調焦距離、紅外面源彈的面積來確定。面源彈既不能超出視場,也不能在視場中的占的比例太小,一般充滿2/3視場較為理想。如果目標超出測量視場,設備將不能全部接收到其在測量方向上的全部紅外輻射,造成測量值偏小。如果目標在測量視場中所占比例太小,設備在測量方向上接收到的紅外輻射就包含了大部分目標以外的背景的輻射,也將引起測量誤差。表1計算了不同尺寸目標在不同距離上對探測系統所張角度。

表1　不同尺寸目標在不同距離上對探測系統所張角度

3.3測試步驟

測試布站如圖3所示,測試步驟如下:

1) 將標定好的紅外熱像儀架設在測量地點,將測量視場瞄準預定位置,進入待測試狀態。

2) 聽令燃放面源彈紅外誘餌,同時紅外熱像儀實時跟蹤并測量面源紅外誘餌燃燒時的輻射特性,持續測量至燃放結束。

3) 激光測距設備實時測量紅外熱像儀到面源紅外誘餌的距離。

4) 用攝像機實時記錄面源紅外誘餌的形成情況。

5) 事后根據數據處理方法計算面源彈的輻射強度。

圖3　輻射強度測試示意圖

3.4數據處理方法[1,4,7]

紅外凝視型焦平面熱像儀,采用紅外面陣探測器。依據目標成像大小與一個像素大小比較而言確定目標為點目標、小目標還是面目標的。點目標可能在熱像儀一個探測像素上成像,也可能在四個像素中間使四個像素都成像。面目標在多個探測像素上成像,形成一個區域,在區域內的探測像素上是滿視場的面目標成像、在區域邊緣的情況就比較復雜。在實際輻射量計算時,要以實際目標結構與狀態(近距離觀測或遠距離電視同向同步觀測)為參考進行區域劃分和邊界像素處理。

面目標表面輻射量分布的計算首先要劃分出計算區域來。區域劃分要考慮到像素點的電平值大小、實際目標的結構、形狀和大小、材料一致性和表面粗糙度均勻性等因素。區域劃分直接關系到輻射量計算的精度性。對于結構復雜、材料和表面不同的較大的連續的面目標,可采用選擇一個固定大小的區域,將區域在目標成像像素面內沿一定方向逐像素點移動的方法積分計算區域內的輻射量,然后平均作為區域中間像素點的輻射量,通過移動積分平均的方法,最終給出像面內所有像素點的輻射量分布。對像面邊界視不同情況采用逐像素點處理的辦法計算輻射量分布。對于不連續的面目標,還需要參考實際目標結構進行間斷點逐點分析,修正上述積分結果。為減小計算量,提高計算速度,應首先對獲取的目標圖像進行預先處理,去除背景區域,然后進行計算。

1) 目標表觀輻射亮度計算公式

(1)

2) 面目標和點目標輻射亮度計算公式:

(2)

(3)

式中:L為目標輻射亮度,單位W/sr·m2；τair為大氣透過率；Lp為目標表觀輻射亮度,單位W/sr·m2；Lair為大氣程輻射亮度,單位W/sr·m2；LBp為背景表觀輻射亮度,單位W/sr·m2；N為目標區域內的像素數；R為目標距離,單位m；θH探測器水平方向的瞬時視場,單位rad；θV探測器垂直方向的瞬時視場,單位rad；Sreal目標在探測器方向的投影面積,單位m2。

3) 等效黑體輻射溫度計算公式

目標的等效黑體輻射溫度分布是根據目標的輻射亮度分布推算出來的。首先設定目標像素點等效黑體輻射溫度的上限和下限(T上和T下),按式(15)計算目標的輻射亮度L上和L下,然后與目標的輻射亮度L進行比較。當L上小于L時將T上增大2倍；當L下大于L時將T下減少一半,直到L上>L>L下時為止。此時找出了等效黑體溫度的上限和下限。然后根據給定的精度要求折半計算等效黑體溫度。取T中=(T上+T下)/2,根據T中按式(4)計算目標的輻射亮度L中并與L進行比較,當大于目標的輻射亮度時讓T下=T中。重復上述過程直到滿足指定計算精度為止。

(4)

4) 目標輻射強度計算公式

I=L×Sreal

(5)

式中:I為目標的輻射強度,單位W/sr。

4　試驗及結果分析

為了驗證測試方法的可行性,采用簡易裝置模擬面源誘餌進行了試驗。測試布站如圖4所示。模擬面源誘餌的面積150m2左右,依據表1的計算結果,將中長波兩臺熱像儀分別布設于距離模擬面源誘餌裝置5km的位置,測試面源紅外誘餌起爆燃燒過程中,光譜輻射特性及溫度特性,并求出燃燒過程中3μm～5μm、8μm～14μm積分輻射強度值、積分時域分布。

圖4　紅外輻射強度測試布站圖

4.1系統參數設置

系統參數設置如表2所示。

表2　熱像儀參數設置

4.2測試結果及分析

模擬紅外面源誘餌的紅外輻射強度在3μm～5μm大于1500W/sr,8μm～14μm大于1000W/sr并持續20秒以上。依據大量外場實際測量經驗數據,艦船表面蒙皮平均溫度與周圍環境溫差大于5℃。假設海平面溫度為25℃時,艦船蒙皮溫度為30℃,可得出艦船的紅外輻射特性數據如表3所示。由此,紅外誘餌的輻射強度如果遠遠大于被保護目標艦的紅外輻射強度,那么,當施放面源紅外誘餌時,由于其紅外輻射能量很大,成像制導系統跟蹤艦船和面源紅外假目標的能量中心,隨著依次布放的面源紅外假目標逐漸遠離艦船時,最終跟蹤面源紅外假目標中心,形成有效干擾。

表3　艦船目標紅外輻射強度

此外,面源紅外誘餌是利用火藥燃燒形成的火焰產生很強的輻射。通過本文的測量與分析,得到火焰最高溫度在600K～1500K之間。火焰輻射來自火焰中的高溫顆粒和燃燒產生的熱氣體,如果誘餌的紅外光譜與被保護目標的紅外能量分布相近,則施放面源紅外誘餌時,可對成像制導系統的跟蹤波門進行干擾,使得跟蹤波門隨面源紅外誘餌運動,并不斷擴大,遠離目標,直至最后向全視場開放,使跟蹤系統重新進行搜索,對目標進行捕獲。

5　誤差分析

5.1測量誤差

1) 測量距離[3]

一般根據紅外熱像儀測量視場、動態范圍和紅外煙云面積、紅外輻射強度估計值確定測量距離?；鹧婕炔荒艹鲈O備測量視場,也不能在測量視場中所占比例太小。如果煙云面積超出設備測量視場,設備將不能全部接收面源紅外干擾彈在測量方向上的紅外輻射,造成測量值偏小；如果煙云所占測量視場比例太小,設備接收的背景輻射將增多,也將引起測量誤差。

2) 風向風速

紅外煙云誘餌燃燒時,伴隨火焰有大量黑煙產生。如果黑煙遮擋了測量光路,將嚴重影響測量的準確性,因此設備不能逆風布設。風速大小直接影響著紅外煙云的漂移與擴散速度,如果風速太大,紅外煙云將會瞬間飄離測量視場,使測量數據的有效性和準確性受到影響,因此試驗測量時一般要求的風速條件是不超過3m/s。

3) 測量通視性和背景

布站時設備與面源紅外彈之間通視性要好,要求背景單一,熱輻射低。必須避免陽光直射設備接收系統,最好選擇天空為背景,以便降低背景噪聲干擾。

4) 大氣紅外透過率[5]

由于影響大氣透過率的因素很多(如大氣溫度、氣壓、相對濕度、經緯度、測量設備仰角等),很難準確測量和計算大氣透過率的絕對值。在一定的試驗條件下,我們采取記錄試驗的外圍條件,即影響大氣透過率的相關因素,事后對試驗測量數據進行軟件修正。

由以上分析可知,測量紅外輻射強度時,要選擇合適的測量距離,使測得的信號既不飽和又有較高的幅值；并保持紅外煙云既不超出測量視場又占有較大的測量視場空間；還要根據風向風速選擇合適的測量光路和氣象條件,降低大氣透過率的影響。

5.2數據處理過程中產生的誤差[6,8]

進行紅外輻射特性測量時,測量誤差外,在數據處理過程中,還會因系統的標定精度及人為地劃定目標區域等因素造成一定的誤差。這里,僅就數據處理中的誤差作一粗略討論。

在計算目標強度時所產生的誤差由下式決定:

(6)

式中,第一項為系統的標定誤差,它取決對于黑體的控溫精度,其值小于4%,第二項為取樣區域的平均電平值的相對誤差,其值約為1%,第三項為幾何測量誤差,該項是在進行數據處理時,劃定目標區域面積大小的誤差而帶來的誤差,其值約為0.5%。因此,由于數據處理而造成的總誤差約為5.5%。

6　結語

本文研究了面源紅外誘餌強度的測試方法、數據處理方法,并對影響測量的誤差因素進行了分析。并采用簡易模擬裝置對測試方法進行了試驗,試驗結果表明,該測試方法能夠較準確地測量和計算面源紅外誘餌的輻射強度,對開展紅外誘餌輻射特性測試具有較實用的參考價值。但是對于以下幾個問題還需要進一步深入研究:

1) 復雜背景下目標的跟蹤

對背景復雜的紅外面源誘餌的輻射測量特性測量研究。

2) 典型情況分析

本文中的試驗僅采用模擬裝置,彈藥成分、發射手段、煙云的實際干擾面積等均未在研究范圍,對于一些沒有考慮到的情況,測試效果未知。

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Measurement Method and Error Analysis on Flare Radiant Intensity of Surface-type IR Decoy

LIU Ying1WANG Mingbo2

(1. Unit 93, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001) (2. Unit 98, No. 92493 Troops of PLA, Huludao125000)

Rdiation intensity of IR decoy is a key factor to determine the operation performance of a surface-type infrared jamming bomb. Flare radiant intensity of surface-type IR decoy can be measured by infrared thermograph. The emphasis discussed in paper is about measurement method on flare radiant intensity of surface-type IR decoy and data processing method. The factors which can affect the IR decoy flare radiant intensity are discussed at the same time. Simple device is used to experience and the result shows that this method can solve the problem of surface-type IR decoy and enhance the algorithm precision of IR decoy flare radiant.

surface-type IR decoy, IR radiant intensity, error analysis, affected factors

2016年4月19日,

2016年5月27日

劉穎,女,碩士研究生,工程師,研究方向：電子對抗技術。王明波,男,工程師,研究方向：電子對抗總體技術。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.013