紅外模擬靶現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

楊 睿，周 唯

(91550部隊(duì)43分隊(duì)，大連 116023)

0 引言

紅外制導(dǎo)與可見光制導(dǎo)相比制導(dǎo)距離遠(yuǎn)，不受晝夜限制，有一定的透霧能力，在各種精確制導(dǎo)武器中有著廣泛應(yīng)用。在紅外制導(dǎo)武器裝備測(cè)試時(shí)需要紅外靶標(biāo)的配合，靶標(biāo)分為實(shí)體靶和模擬靶，目前以水面目標(biāo)的研究居多，陸地目標(biāo)和空中目標(biāo)的研究較少。實(shí)體靶主要采用真實(shí)目標(biāo)或結(jié)構(gòu)相近的目標(biāo)經(jīng)過適當(dāng)改造而成，能夠比較真實(shí)地反映靶標(biāo)的紅外特性，但使用和維護(hù)成本較高。模擬靶標(biāo)成本較低，使用方式比較靈活，因此成為國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。由于基于紅外點(diǎn)源制導(dǎo)的武器已經(jīng)比較落后，目前主要以紅外成像制導(dǎo)為主，因此紅外模擬靶以半實(shí)物的面源模擬為主。

1 國(guó)內(nèi)外紅外模擬靶研究現(xiàn)狀

為適應(yīng)紅外制導(dǎo)武器的研制，歐美對(duì)目標(biāo)的紅外輻射特性很早就進(jìn)行了系列化的研究，并將比較成熟的半實(shí)物仿真平臺(tái)投入使用。1990年美國(guó)成功研制出能夠在6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的紅外靶標(biāo)，使用高溫紅外黑體靶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行模擬，通過控制程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種紅外制導(dǎo)武器的實(shí)時(shí)測(cè)試[1]。美國(guó)還研制出了基于溫度控制的紅外模擬器，分辨力達(dá)512×512，通過對(duì)溫度的控制，可以模擬波長(zhǎng)為2～26 μm的目標(biāo)。英國(guó)的TPS5懸掛式紅外目標(biāo)模擬器，分辨力達(dá)到了與美國(guó)相同的水平，主要是通過控制系統(tǒng)控制每個(gè)電阻的溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的模擬，模擬對(duì)象可以是地面的也可以是空中的，且在紅外導(dǎo)引頭的測(cè)試中有著實(shí)際應(yīng)用[2]。法國(guó)的黑體薄膜式動(dòng)態(tài)紅外圖像調(diào)制器可以模擬3～12 μm的波長(zhǎng)，溫度靈敏度可達(dá)0.1～0.4 ℃[3]。

國(guó)內(nèi)的紅外輻射特性模擬技術(shù)開發(fā)較晚，但也有多家科研機(jī)構(gòu)開展相關(guān)工作，羅來科[4]以中國(guó)的新型水陸坦克和背景紅外輻射特性為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理生成了海灘地表、背景和水陸坦克的紅外模擬圖像；宋江濤[5]等利用固定在加熱布表面的溫度傳感器對(duì)靶標(biāo)的溫度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度傳感器的反饋信息，通過輸入計(jì)算機(jī)指令來控制加熱模塊的工作狀態(tài)從而調(diào)節(jié)靶標(biāo)的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面大型目標(biāo)的紅外輻射特性模擬，模擬準(zhǔn)確度約為2 ℃；叢研[6]使用大氣傳播模型MODTRAN4，通過對(duì)資料的整理，在課題組原有模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定視場(chǎng)下多種有云條件的模擬，對(duì)天基和高軌道探測(cè)器模擬靶標(biāo)的建設(shè)有一定的支持作用；吳春光[7]等利用目標(biāo)輻射特性的統(tǒng)計(jì)特征，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，將單個(gè)網(wǎng)格看作是溫度均勻的紅外輻射體，設(shè)計(jì)了基于PID技術(shù)的溫度控制器，通過對(duì)每個(gè)位置溫度模擬的控制，完成對(duì)整個(gè)目標(biāo)溫度分布特性的模擬，在無擾動(dòng)的條件下，溫度測(cè)試準(zhǔn)確度達(dá)到0.2 ℃；閻肖鵬[8]等根據(jù)艦船紅外模擬的原理，設(shè)計(jì)完成了艦艇幾何外形、輻射亮度和與海面輻射溫差的模擬，介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，并在實(shí)測(cè)中達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 紅外模擬的原理

2.1 紅外輻射的基本理論

1)普朗克輻射定理[9-11]

(1)

式中，Ebλ為黑體輻射出射度，單位為W·m-2μm-1；e為自然對(duì)數(shù)的底，取2.718；第一輻射常數(shù)c1=3.741×10-16W·m2；第二輻射常數(shù)c2=1.4387×10-2m·K；λ為波長(zhǎng)，單位為μm；T為絕對(duì)溫度，單位為K。普朗克輻射定理是紅外輻射的基本定理，其他一些重要的定理都可以由該定理導(dǎo)出，該定理表征了黑體輻射出射度、波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系[12]。

2)維恩位移定律

Tλm=b

(2)

式中，λm為黑體輻出度的峰值對(duì)應(yīng)的最大波長(zhǎng)，單位為μm；b為常數(shù)，取2898，單位為μm·K。維恩位移定律指出黑體輻出度的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度成反比例關(guān)系，溫度越高，波長(zhǎng)越短。

3)斯特潘-玻爾茲曼定律

E=σT4

(3)

式中，E為全輻射出射度，單位為W/m2；σ為斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)，值為5.6697×10-8，單位為W/(m2·K4)。從斯特潘-玻爾茲曼定律可以看出，輻射出射度在材料一定的情況下，與溫度的4次方成正比，因此，靶標(biāo)中溫度最高的部分輻射出射度最大，最容易被探測(cè)到，也是主要的模擬對(duì)象。

2.2 紅外大氣窗口

紅外光在大氣中傳播時(shí)有3個(gè)透過率較高的頻段，稱為紅外大氣窗口[13]，分別是近紅外波段的1～2.5 μm、中紅外波段的3～5 μm和遠(yuǎn)紅外波段的8～14 μm。紅外圖像制導(dǎo)武器的紅外探測(cè)器，通常選在這3個(gè)波段，并以后兩個(gè)波段為主，以提高作用距離。由維恩位移定理，3個(gè)大氣窗口波段對(duì)應(yīng)的溫度分別為：近紅外波段886.1～2，624.9 ℃；中紅外波段306.5～692.9 ℃；遠(yuǎn)紅外波段-66.2～89.1 ℃。因此常溫物體(10～30 ℃)輻射的峰值波長(zhǎng)在遠(yuǎn)紅外波段的大氣窗口；航行中艦船類目標(biāo)溫度為0～150 ℃，輻射的峰值波長(zhǎng)主要在遠(yuǎn)紅外波段的大氣窗口。

2.3 紅外探測(cè)的發(fā)展和紅外成像探測(cè)的條件

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都在發(fā)出紅外輻射，這些輻射能被紅外探測(cè)器接收到。紅外探測(cè)器的發(fā)展截至目前可分為兩個(gè)階段：非成像探測(cè)階段和成像探測(cè)階段。非成像探測(cè)在上世紀(jì)中葉出現(xiàn)，從最初的單元紅外探測(cè)，探測(cè)點(diǎn)逐漸增多，發(fā)展到一維掃描紅外探測(cè)。到二十世紀(jì)八十年代，紅外成像探測(cè)逐漸代替了非成像探測(cè)。早期的成像制導(dǎo)是制冷型，需要輔助設(shè)備維持低溫，而且多數(shù)需要光機(jī)掃描設(shè)備配合，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度高，造價(jià)昂貴。隨著技術(shù)的進(jìn)步，非制冷型的焦平面陣列成像系統(tǒng)成為主流。由于不需要制冷系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的復(fù)雜性降低，成本降低，實(shí)用性增強(qiáng)。

實(shí)際使用中紅外輻射要被成像探測(cè)器探測(cè)到，需滿足3個(gè)條件：1)像面照度，即物體發(fā)出的在探測(cè)器接收范圍內(nèi)的紅外輻射，經(jīng)過傳播路徑和成像系統(tǒng)的衰減之后，達(dá)到成像器件的照度滿足成像條件；2)外形和幾何尺寸滿足探測(cè)器的成像條件；3)輻射對(duì)比度滿足探測(cè)器的成像條件。

僅從輻射對(duì)比度方面考慮，天空的紅外輻射亮度在3～5 μm，如表1所示。因此以天空為主要背景的紅外成像，可以選擇中波紅外探測(cè)器提高輻射對(duì)比度[14]。

表1 晴朗天空各波段輻射亮度 W/(m2sr)

3 紅外靶標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)

1)提高分辨率

高分辨率的靶標(biāo)可以滿足低分辨率的探測(cè)器，而且隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，紅外成像制導(dǎo)的分辨率會(huì)有很大提升，模擬靶標(biāo)的分辨率也需要提升，可以高于探測(cè)器的分辨率。

2)三維模擬

使用半實(shí)物的模擬靶標(biāo)時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)靶標(biāo)有效，超出角度范圍則無效，這與實(shí)際使用情況有較大區(qū)別，不能全方位考核紅外制導(dǎo)武器的制導(dǎo)能力，因此需要三維模擬的紅外靶標(biāo)。

3)更加精細(xì)的溫度控制技術(shù)

紅外模擬靶主要模擬目標(biāo)的紅外輻射特性，因此對(duì)靶面的溫度控制是主要的控制目標(biāo)。基本原理是根據(jù)靶面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)得的溫度與預(yù)設(shè)的溫度對(duì)比，以控制靶板加熱器。溫度控制從早期基于FPGA的行掃描技術(shù)到引入PID技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精細(xì)控制。隨著數(shù)字化、智能化控制器的引入，PID控制的優(yōu)勢(shì)也更加明顯，對(duì)控制參數(shù)和控制策略的優(yōu)化變得更加容易實(shí)現(xiàn)。引入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、自適應(yīng)控制等PID控制策略使對(duì)靶面溫度智能化控制成為現(xiàn)實(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

紅外模擬靶標(biāo)是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，涉及空基靶標(biāo)、海基靶標(biāo)和陸基靶標(biāo)等多個(gè)方面，相關(guān)的研究開展較多，但由于技術(shù)壟斷等原因，較難看到最新紅外靶標(biāo)的研究現(xiàn)狀和最新技術(shù)。文章針對(duì)紅外模擬靶的現(xiàn)狀和模擬原理進(jìn)行了研究，并對(duì)紅外模擬靶標(biāo)的發(fā)展進(jìn)行了探討。