工程裝備停車場熱圖像特征及防護(hù)研究

周若沖，康青，沈志強(qiáng)，陳善靜，韓昊，周沖

（陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401311）

0 引言

工程裝備停車場是戰(zhàn)爭條件下供陸軍工兵部隊停放、集結(jié)與整備各種功能型戰(zhàn)車與施工車輛的重要場所。在時間就是生命的信息化現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，工兵部隊無論是修路架橋、開設(shè)渡場，還是排障通路、搭建設(shè)施，都離不開各種車輛的輔助。因此，工程裝備停車場的安全與否，直接關(guān)系到作戰(zhàn)部隊能否得到良好保障，作戰(zhàn)行動能否順利進(jìn)行。

隨著戰(zhàn)爭逐漸邁入信息化智能化時代，在不分晝夜的全天候作戰(zhàn)中，具備穿透夜幕能力的紅外技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。熱紅外偵察自本世紀(jì)70年代以來獲得了飛速的發(fā)展，國內(nèi)外軍隊已裝備了越來越多的紅外器材，大多數(shù)軍事目標(biāo)已處在紅外偵察的威脅之中[1]。由于軍事車輛與普通地面背景有明顯不同的熱輻射特征，極易被熱紅外偵查器材所發(fā)現(xiàn)[2]，在發(fā)現(xiàn)即摧毀的一體化打擊模式下，不便移動而作用重大的工程裝備停車場正面臨更大考驗[3]。

作為軍事斗爭的重要環(huán)節(jié)，偽裝設(shè)計是偽裝能力的重要基礎(chǔ)和保障[4]。本文以目前較為廣泛采用的三種工程裝備停車場為實際案例，對各自的熱圖像特點及其背后的成因進(jìn)行分析，以期探索出適用于工程裝備停車場的反紅外偽裝技術(shù)方法，盡可能地減少工程裝備停車場在戰(zhàn)時受到紅外頻段偵查與打擊威脅，確保其能發(fā)揮自身的保障能力。

圖1 道路與環(huán)境關(guān)系（熱成像圖）

圖2 清晰可見的工程車輛（熱成像圖）

圖3 露天停車場（熱成像圖）

1 工程裝備停車場熱圖像分析

1.1 露天停車場熱圖像分析

露天停車場的道路多為水泥或石子路面鋪就，其材質(zhì)具有比熱容較小，受環(huán)境溫度影響大，發(fā)散率較高，輻射能量較大的特點，在晴朗天氣下與周圍植被在紅外圖像中將形成較大的差異（圖1），具有較為明顯的暴露征候。

停放在露天停車場的車輛，在晴朗天氣下，由于金屬外殼的比熱容極小，受陽光照射時溫度迅速升高，使車輛呈現(xiàn)出整體發(fā)熱的趨勢，與周邊環(huán)境形成較為明顯的輻射能量差值。因此，露天停放的軍事車輛在紅外圖像中，圖形特征的輪廓非常清晰，細(xì)節(jié)一覽無余，極易識別與精確判讀（圖2）；在熱特征上與房屋、植物和地面間形成顯著明亮斑塊（圖3）。盡管部分車輛采用了蒙布進(jìn)行人工遮障偽裝，但是由于使用的垂直遮障往往過于貼近車輛的金屬外殼，受熱量的影響而無法起到有效的偽裝作用，只對車輛外形進(jìn)行有限的改變，難以影響車輛熱紅外輻射的分布，只能有限度地干擾紅外圖像對車輛型號與功能的判讀。

1.2 具備簡易車棚的停車場熱圖像分析

具備簡易車棚的停車場往往由金屬腳手架，及具有遮陽或防水功能的帆布在道路單側(cè)或兩側(cè)搭建，停車場道路同樣采用水泥或石子路面鋪就（圖4）。在晴朗天氣下，帆布車棚受不同材質(zhì)的影響，輻射能量也會有顯著差別（圖5）。當(dāng)選取正確得當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)時，其輻射能量將遠(yuǎn)低于石子道路，在毗鄰植被的地域使用時可以獲得一定的偽裝效果。但是應(yīng)當(dāng)注意到，由于軍事車輛的自重較大，對路面有一定破壞作用，泊車時反復(fù)碾壓會留下較為明顯的車輛軌跡，容易留下一定暴露特征（圖6）。并且矗立的車棚對日間陽光產(chǎn)生了遮擋，不僅在熱圖像上可以看到較為明顯的道路溫差，更在可見光頻段上留下了極易識別的深色陰影。

在簡易車棚的遮障作用下，盡管車輛依然受到部分陽光照射的影響升溫，但有限的熱量往往集中在車輛的頂面投影上。車輛頂棚、發(fā)動機(jī)前蓋與不能完全遮蓋的輪胎受陽光照射作用產(chǎn)生的熱輻射較強(qiáng)，當(dāng)面對飛行器側(cè)視偵查的威脅時，自身的紅外暴露特征依然較大。

圖4 簡易車棚停車場（熱成像圖）

圖5 不良材質(zhì)的車棚（熱成像圖）

圖6 車輛對道路的破壞

1.3 架設(shè)偽裝網(wǎng)的停車場熱圖像分析

架設(shè)偽裝網(wǎng)的停車場由多張偽裝網(wǎng)對單車或成片區(qū)域進(jìn)行水平和垂直遮障偽裝，停車場道路采用泥土或石子路面鋪就，并上覆小斑點迷彩偽裝網(wǎng)進(jìn)行偽裝。泊車區(qū)域偽裝網(wǎng)通過材質(zhì)的選取，在熱特征層面與周圍環(huán)境差異較??；同時通過以小角度延伸搭接地面的覆蓋方法消除陰影和太陽輻射差值，在可見光頻段與紅外頻段的偽裝效果也相對較好（圖7）。覆蓋了小斑點迷彩偽裝網(wǎng)的停車場道路相對前兩種停車場道路而言部分減弱了石子路面的強(qiáng)烈的熱輻射特征，具有一定反紅外偽裝能力，但依然無法消弭暴露的風(fēng)險（圖8）。

圖7 假設(shè)偽裝網(wǎng)的停車場（熱成像圖）

圖8 地面鋪設(shè)偽裝網(wǎng)偽裝（熱成像圖）

在架設(shè)偽裝網(wǎng)的停車場中，其熱圖像中的暴露征候除不能完全掩蓋的道路外，主要來自啟動的車輛或正在工作的各種工程設(shè)備（圖9）。其原因主要有兩點：一是偽裝網(wǎng)架設(shè)時貼近各種設(shè)備外壁，受設(shè)備的溫度變化影響很大，一旦設(shè)備因工作升溫，偽裝網(wǎng)也會隨之產(chǎn)生明顯溫度變化，喪失偽裝能力（圖10）；二是當(dāng)電源未接通時，各種設(shè)備的熱輻射極低，一旦開機(jī)，則會產(chǎn)生明顯的發(fā)熱跡象。因此偽裝完成后立即進(jìn)行檢查評估往往會得到錯誤的結(jié)果，只有工作一段時間后才能進(jìn)行整改（圖11）。

圖9 偽裝網(wǎng)下發(fā)熱設(shè)備（熱成像圖）

圖10 開機(jī)的電器設(shè)備（熱成像圖）

圖11 需二次偽裝的車輛（熱成像圖）

2 工程裝備停車場反紅外偽裝研究

2.1 熱紅外偽裝原理

大多數(shù)軍事目標(biāo)都是有熱源的，紅外成像和紅外制導(dǎo)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤主要依據(jù)就是目標(biāo)與背景的紅外輻射對比特性及其成像特征[5]。

熱紅外成像系統(tǒng)主要在中、遠(yuǎn)紅外波段依靠接收目標(biāo)自身輻射的能量來發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)。熱紅外成像系統(tǒng)通常是計算機(jī)中預(yù)設(shè)某個發(fā)射率值，再由計算機(jī)將接收到的紅外輻射能量差異反推為直觀的溫度差異，并將其轉(zhuǎn)換成灰階圖像、紅綠圖像或彩紅外圖像等，進(jìn)而直觀地反映出目標(biāo)輻射溫度分布。對于紅外偵察和制導(dǎo)而言，發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)利用的是目標(biāo)區(qū)別于周圍背景的輻射能量、輻射區(qū)域、輻射波段等特征。與可見光相比，它不具備光譜識別能力，而且分辨率和對比度較低[6]。因此，要實現(xiàn)熱紅外偽裝，就要盡可能地降低目標(biāo)與背景的輻射對比度的差異[7]。

根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律以及發(fā)射率的定義，對于發(fā)射率為ε的物體，在單位時間內(nèi)單位表面積上向半球空間輻射出的總能量為

該公式中：σ為黑體輻射常數(shù)；ε為物體發(fā)射率；T為物體的表面溫度。

由該公式可以看出，輻射強(qiáng)度M與物體發(fā)射率ε、溫度T皆呈正相關(guān)。其中發(fā)射率ε代表著不同材質(zhì)的物體放射或吸收能量的能力，例如，由金屬部件構(gòu)成的工程車輛，其發(fā)射率可近似認(rèn)為0.69，在野外環(huán)境中，植被發(fā)射率可近似認(rèn)為0.90，砂石發(fā)射率可近似認(rèn)為0.96。此外，輻射強(qiáng)度M受溫度T的影響極大，溫度T每提高一度，輻射強(qiáng)度M將提高其四次方倍。因此若想要讓目標(biāo)融入到背景環(huán)境中，得到更好的偽裝效果，需要縮小偽裝目標(biāo)與周圍環(huán)境的輻射對比度差異。可以通過改變偽裝目標(biāo)的發(fā)射率ε和溫度T，從而達(dá)到改變輻射強(qiáng)度M的目的，實現(xiàn)偽裝需求。

2.2 工程裝備停車場反紅外偽裝方法

2.2.1 利用變形遮障改變目標(biāo)的紅外輻射輪廓

變形遮障是可以改變目標(biāo)圖外形的遮障，既可以用現(xiàn)有的制式偽裝遮障制作，也可用就便材料制作。通過與周邊環(huán)境材質(zhì)相近的變形遮障，可以改變偽裝目標(biāo)的發(fā)射率與外形，使其盡可能貼合環(huán)境。

在二戰(zhàn)期間，美國軍方為了確保生產(chǎn)重要戰(zhàn)機(jī)的洛克希德工廠安全無虞，聘請了好萊塢舞臺布景設(shè)計師戴特萊利用變形遮障在工廠上方進(jìn)行精密的變形偽裝。通過諸多用偽裝網(wǎng)、膠合板和其他材料組合，制成假房屋與假樹，甚至利用不同顏色的偽裝網(wǎng)制作出縱橫交錯的假街道。從上方看去，面積巨大的廠房看上去頗似一個再平常不過的居民社區(qū)。這說明，在可見光頻段對區(qū)域性目標(biāo)進(jìn)行大面積偽裝是具有理論可行性與實際可操作性的。

工程裝備停車場也同樣可以通過加入了反紅外偽裝材料的變形遮障進(jìn)行區(qū)域性偽裝，從而改變整個停車場區(qū)域的地形地貌。應(yīng)當(dāng)注意，在進(jìn)行偽裝時，應(yīng)以削弱暴露征候為目的，不僅對停車場主體施以隱蔽偽裝，還需要通過遮障偽裝措施削弱目標(biāo)與周圍山體、植被背景的反射特征[8]，從而使仿造的圖像斑點、表面狀態(tài)及波譜特征應(yīng)與背景相匹配，使得目標(biāo)區(qū)域圖案成為背景斑點的自然延伸[9]。

地面上車輛的偽裝效果很大程度上依賴于停車場本身是否得到了良好偽裝，而擁有裝備優(yōu)勢的停車場可以在較短時間內(nèi)完成一片較大區(qū)域的偽裝展開與撤收，區(qū)域性偽裝在某種程度上成為了工程裝備停車場的優(yōu)勢所在。

2.2.2 制作反紅外假目標(biāo)

假目標(biāo)技術(shù)是各種偽裝技術(shù)中“隱真示假”的多種重要手段之一。反紅外假目標(biāo)在降低紅外頻段偵察與識別系統(tǒng)對真目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，增加其誤判率，引誘精確制導(dǎo)武器的打擊，提高真目標(biāo)的生存概率等方面有著無可比擬的作用。由于溫度T與輻射強(qiáng)度呈四次方倍的關(guān)系，因此在反紅外假目標(biāo)制作中，應(yīng)重點對目標(biāo)溫度進(jìn)行模仿。此外，在模仿目標(biāo)的紅外輻射特征的同時，也需要對真目標(biāo)進(jìn)行一定程度的偽裝，達(dá)到亦真亦假的偽裝效果。

早在科索沃戰(zhàn)爭中，南聯(lián)盟軍隊面對北約的多種紅外偵測設(shè)備與紅外制導(dǎo)的打擊手段，積極采取設(shè)置紅外假目標(biāo)的偽裝措施，通過在幾米見方的矩形金屬板下利用篝火對其加熱，在假火炮炮管中放置裝有熱水的水瓶等多種簡單可行方式，誤導(dǎo)了北約先進(jìn)的紅外偵察、觀瞄設(shè)備與制導(dǎo)武器。致使北約在多次戰(zhàn)略性空軍行動中不能區(qū)分真戰(zhàn)車與鐵板，真火炮與熱水管的區(qū)別。反紅外假目標(biāo)使南聯(lián)盟至少保存了一半的武器裝備，極大提高了部隊生存能力[10]。

對于工程裝備停車場而言，由于停車場設(shè)施面積較大，與周邊環(huán)境相比路面相對平整，道路痕跡明顯，在某些情況下，隱真?zhèn)窝b往往無法起到預(yù)期的效果，反而可能弄巧成拙。因此，可以通過制作配備熱源的假車輛對真戰(zhàn)車進(jìn)行模擬與示假偽裝，盡可能減少損失。在假目標(biāo)制作的過程中應(yīng)當(dāng)注意真車輛在熱圖像中有如下幾個顯著特點：一是長期露天停放的車輛受材質(zhì)與光照的影響，整體熱輻射強(qiáng)烈。在側(cè)視情況下，車輛輪胎的熱輻射特征明顯強(qiáng)于車輛側(cè)部（圖12）；二是長期在簡易垂直遮障下停放的車輛在車頂垂直投影，發(fā)動機(jī)前蓋有相對明顯的熱輻射特征，當(dāng)遮障不完全時，靠近遮障暴露位置的輪胎的熱輻射特征，隨暴露位置越近而越明顯（圖13）；三是剛剛啟動過的車輛在發(fā)動機(jī)、汽車底盤和輪胎位置都有極強(qiáng)的熱輻射特征。應(yīng)當(dāng)注意的是，與前兩者相比，車輛發(fā)熱的原因不再是受日照影響而是自身啟動的緣故，其熱輻射是自內(nèi)向外的，發(fā)動機(jī)前蓋不再直接產(chǎn)生熱輻射，而對發(fā)動機(jī)的熱輻射產(chǎn)生了一定遮擋（圖14）。

圖12 露天停放的車輛（熱成像圖）

圖13 簡易車棚中的車輛（熱成像圖）

圖14 露天停放啟動車輛（熱成像圖）

3 結(jié)語

本文從三種常見的工程裝備停車場結(jié)合熱圖像對其熱輻射特征進(jìn)行分析，總結(jié)了停車場的熱輻射特點與成因。并根據(jù)紅外成像與偽裝的原理，討論了“利用變形遮障改變目標(biāo)的紅外輻射輪廓”與“制作紅外假目標(biāo)”兩種偽裝手段，總結(jié)歸納了每種手段中的偽裝要點，以期拋磚引玉，為我軍工程裝備停車場乃至各種戰(zhàn)場設(shè)施的偽裝帶來啟發(fā)。