噴氣發(fā)動機紅外輻射成像測試、處理與評估的分析

趙 征，董泉潤

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西 西安 710129）

噴氣發(fā)動機紅外輻射成像測試、處理與評估的分析

趙 征，董泉潤

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西 西安 710129）

噴氣發(fā)動機作為現(xiàn)代化設備，其中的紅外輻射成像效果決定了設備性能的好壞，與設備隱身設計存在密切聯(lián)系。從測試、處理和評估3個方面探討了噴氣發(fā)動機紅外成像情況。

噴氣發(fā)動機；紅外輻射成像；測試；處理與評估

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國航空航天事業(yè)取得了長足發(fā)展。航空噴氣發(fā)動機是作戰(zhàn)飛機的主要輻射源，也是紅外精確制導武器系統(tǒng)的關鍵。因此，加強對紅外輻射成像測試及處理的研究具有現(xiàn)實意義，能夠為作戰(zhàn)機隱身設計、反隱身探測提供更多支持。

1 噴氣發(fā)動機紅外輻射成像測試

國外發(fā)達國家已有多款具備紅外隱身能力的作戰(zhàn)飛機出現(xiàn)，整體水平優(yōu)于我國；而國內多數(shù)研究集中在模仿仿真方面，在實踐上取得的成果少之又少。對于作戰(zhàn)飛機來說，其隱身設計至關重要，能夠確保自身安全，提高作戰(zhàn)能力。決定飛機隱身的關鍵在于紅外輻射技術。為確保實踐具備可操作性，本文選取噴氣發(fā)動機作為研究對象，借助紅外熱像測試，對其連續(xù)、中間狀態(tài)時產(chǎn)生的紅外輻射強度進行測試。

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)是由發(fā)動機外場試車臺、紅外測試設備等構成，其中，外場試車臺能夠為發(fā)動機提供場外試驗平臺，具備可移動、油電自給等特點，有效突破了時空方面的限制。供油供電系統(tǒng)能夠為設備提供航空煤油，滿足設備運行需求[1]。在發(fā)動機紅外輻射測試過程中，我們還需要引入現(xiàn)代化設備，即美國FLIR公司生產(chǎn)的中波熱像儀、探測器等。測控車內涉及油門、測量系統(tǒng)等，能夠實現(xiàn)對參數(shù)的有效控制，使得測試能夠有序開展。

圖1 熱像儀測點布局情況

1.2 測點布局

發(fā)動機紅外輻射由高溫部件、尾噴流產(chǎn)生，噴流在尾向橫線長條狀向外擴散。在前期準備工作中，受到設備視場的影響，如果噴流全部置于視場內，需要將儀器設備放在遠處，此時大氣衰減明顯，且能夠降低設備的信噪比。因此確定測點布局，要充分考慮輻射范圍、測試精度等要素，以確保布局科學、合理，為后續(xù)測試做好充分的準備。圖1是熱像儀測點布局情況。

1.3 多積分組合測試

從紅外成像原理來看，在光學系統(tǒng)的支持下將目標輻射能量聚集到平面之上，將輻射能量轉變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過顏色映射處理后，在顯示器上呈現(xiàn)出二維偽彩色圖像。與熱電偶測溫具有相似之處，紅外探測器對輻射能量的感應范圍具有限制。一般來說，超量便會飽和，過少便會出現(xiàn)停止現(xiàn)象。二者最大的區(qū)別在于探測器接收到的能量會隨著時間的增加而增加[2]。因此在實踐中，對于較大范圍溫度的測量可以采取2個途徑：一方面改變?yōu)V鏡，通過濾鏡衰減，能夠將輻射能量控制在響應范圍以內；另一方面通過對積分時間的調整，使得設備接收到的輻射能量能夠滿足測溫需求，具有較強的針對性，提高實踐可操作性。紅外熱像儀輻射響應輸出，可以借助數(shù)字電平DL表示，DL取值范圍已經(jīng)固定，與積分時間IT內接收到的光子數(shù)量與能量相協(xié)調。如果少于積分時間，那么單位時間內的目標輻射光子數(shù)量也會隨之增多，集聚的能量也有所增長；反之，則會與前者相反。

2 數(shù)據(jù)分析處理

從對數(shù)據(jù)有效性分析來看，單幀圖像輪廓邊界不規(guī)則，且氣流運動異常劇烈，無法直接對測試數(shù)據(jù)進行處理和分析。根據(jù)圖像來看，在低溫背景下像素點會逐漸消失，與輻射溫度曲線相吻合。同時，無論哪幅圖像，都存在不同程度的飽和情況。因此多積分時間組合方式具有可行性，得出的結果科學、合理，采集的原始數(shù)據(jù)具有有效性。

根據(jù)圖像來看，由于在測試中我們采用了4個不同的積分時間，因此視場范圍內的每個像素點都會形成4個輻射亮度，僅取其中一個值有效[3]。根據(jù)原理來看，分析處理過程中，確定每個像素點合理輻射亮度取值，能夠直接消除背景輻射產(chǎn)生的影響，并合成紅外圖像，圖像內包含所有信息。從理論層面來看，紅外熱像儀與光譜輻射儀測試原理相似，離散后熱像的分布以平面陣列為主，因此借助紅外成像測試數(shù)據(jù)，可以根據(jù)公式度。但值得注意的是，在計算中，還要考慮到輻射校準、目標面積等要素，以此來提高測試有效性。

3 結果評估

為了證明本文所用的測試與數(shù)據(jù)處理方法具有科學性，需要對結果進行評估，采用紅外光譜儀，對處于同一波段的積分輻射強度進行比較和分析。在試驗中，對布置的4個測點進行測試，能夠發(fā)現(xiàn)設備所采集到的數(shù)據(jù)信息可靠，且整個過程沒有出現(xiàn)較大的波動，較為穩(wěn)定。從測試結果來看，二者總體上吻合較好，最大偏差沒有超過10%，隨著方位角的不斷增加，熱像儀所得值大于光譜輻射儀，二者偏差較大，究其根本是目標輻射能量有所下降，使得設備信噪比也隨之發(fā)生變化，但紅外熱像儀在測試中并未受到外界因素的影響，能夠保持較高的穩(wěn)定性、可靠性，因此其結果更具可信度。

4 結論

綜上所述，噴氣發(fā)動機紅外輻射成像測試作為一項基礎性工作，與作戰(zhàn)飛機隱身設計存在密切聯(lián)系。因此，本文立足于發(fā)動機排氣系統(tǒng)溫度動態(tài)化特征，引入多積分時間組合測試方法，進行針對性、科學化測試。

在實踐中，利用多幀熱像時間平均處理方法，能夠有效消除目標紅外輻射特征波動現(xiàn)象。同時獲取到的數(shù)據(jù)精確、合理，與合成圖像相符合。隨著技術的不斷發(fā)展，針對發(fā)動機紅外輻射成像的測試，我們還要積極應用現(xiàn)代化技術，提高測試結果的精準性，從而為實踐提供參考依據(jù)，促進作戰(zhàn)飛機設計和制造可持續(xù)發(fā)展。

［1］蔡文祥，祁斌，馬虎，等.有閥式脈動噴氣發(fā)動機出口瞬態(tài)速度場測量［J］.航空動力學報，2014，29（12）：2824-2829.

［2］陳世國，江勇，方浩百，等.噴氣發(fā)動機紅外輻射成像測試、處理與評估［J］.紅外與激光工程，2014，43（03）：727-731.

［3］梅飛，江勇，陳世國，等.一種航空發(fā)動機噴流紅外成像仿真模型［J］.激光與紅外，2014，12（15）：123-125.

V235

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.080

2095－6835（2017）20－0080－02

〔編輯：劉曉芳〕