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(zhàn)使用的關(guān)鍵指標(biāo),用紅外熱像儀可實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jié)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(biāo)的輻射強度測量計算的準(zhǔn)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(biāo)的反射、測量距離、目標(biāo)張角、測量設(shè)備參數(shù)等相關(guān)。用雙波段紅外熱像儀可實現(xiàn)對面源紅外誘餌輻射強度的測試,依據(jù)目標(biāo)成像大小與一個像素大小比較而言確定目標(biāo)為點目標(biāo)、小目標(biāo)還是面目標(biāo)的。面源紅外誘餌在形成初期到輻射最強時刻是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料和表面不同的較大的連續(xù)的面目標(biāo),而到燃燒中后期往往會形成不連續(xù)的面目標(biāo),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(guān)鍵問題。本文通過對連續(xù)面目標(biāo)和不連續(xù)面目標(biāo)采用區(qū)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(biāo)表觀溫度分布特性,不能直接測量得出目標(biāo)的等效黑體輻射溫度、目標(biāo)的真實溫度、目標(biāo)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(biāo)表觀溫度相對分布的功能推導(dǎo)目標(biāo)輻射亮度和輻射強度等特性[1,4],推導(dǎo)計算所需要測量參數(shù)及相互關(guān)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(biāo)定[2,4]

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

1) 調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(yù)熱1小時,待熱像儀穩(wěn)定后進行下一步工作。

3) 設(shè)定黑體溫度,當(dāng)顯示板上溫度顯示穩(wěn)定后。熱像儀選用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域,記錄本次標(biāo)定結(jié)果。

5) 檢測完一點后黑體升溫,需要注意此時移開被測設(shè)備接收頭,以防輻射持續(xù)使設(shè)備接收頭升溫,從而影響標(biāo)定結(jié)果。當(dāng)新設(shè)定的黑體溫度穩(wěn)定后,重復(fù)步驟3)、4)。隨后重復(fù)上述過程。

圖2　面源黑體標(biāo)定圖

3.2測量距離的確定

測量距離一般要根據(jù)熱像儀的測量視場、鏡頭的調(diào)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(biāo)超出測量視場,設(shè)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(biāo)在測量視場中所占比例太小,設(shè)備在測量方向上接收到的紅外輻射就包含了大部分目標(biāo)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(biāo)在不同距離上對探測系統(tǒng)所張角度。

表1　不同尺寸目標(biāo)在不同距離上對探測系統(tǒng)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(biāo)定好的紅外熱像儀架設(shè)在測量地點,將測量視場瞄準(zhǔn)預(yù)定位置,進入待測試狀態(tài)。

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(xù)測量至燃放結(jié)束。

3) 激光測距設(shè)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(jù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)目標(biāo)成像大小與一個像素大小比較而言確定目標(biāo)為點目標(biāo)、小目標(biāo)還是面目標(biāo)的。點目標(biāo)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(biāo)在多個探測像素上成像,形成一個區(qū)域,在區(qū)域內(nèi)的探測像素上是滿視場的面目標(biāo)成像、在區(qū)域邊緣的情況就比較復(fù)雜。在實際輻射量計算時,要以實際目標(biāo)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)(近距離觀測或遠(yuǎn)距離電視同向同步觀測)為參考進行區(qū)域劃分和邊界像素處理。

面目標(biāo)表面輻射量分布的計算首先要劃分出計算區(qū)域來。區(qū)域劃分要考慮到像素點的電平值大小、實際目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、形狀和大小、材料一致性和表面粗糙度均勻性等因素。區(qū)域劃分直接關(guān)系到輻射量計算的精度性。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料和表面不同的較大的連續(xù)的面目標(biāo),可采用選擇一個固定大小的區(qū)域,將區(qū)域在目標(biāo)成像像素面內(nèi)沿一定方向逐像素點移動的方法積分計算區(qū)域內(nèi)的輻射量,然后平均作為區(qū)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(nèi)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(xù)的面目標(biāo),還需要參考實際目標(biāo)結(jié)構(gòu)進行間斷點逐點分析,修正上述積分結(jié)果。為減小計算量,提高計算速度,應(yīng)首先對獲取的目標(biāo)圖像進行預(yù)先處理,去除背景區(qū)域,然后進行計算。

1) 目標(biāo)表觀輻射亮度計算公式

(1)

2) 面目標(biāo)和點目標(biāo)輻射亮度計算公式:

(2)

(3)

式中:L為目標(biāo)輻射亮度,單位W/sr·m2；τair為大氣透過率；Lp為目標(biāo)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(biāo)區(qū)域內(nèi)的像素數(shù)；R為目標(biāo)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(biāo)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(biāo)的等效黑體輻射溫度分布是根據(jù)目標(biāo)的輻射亮度分布推算出來的。首先設(shè)定目標(biāo)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(biāo)的輻射亮度L上和L下,然后與目標(biāo)的輻射亮度L進行比較。當(dāng)L上小于L時將T上增大2倍；當(dāng)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(jù)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(jù)T中按式(4)計算目標(biāo)的輻射亮度L中并與L進行比較,當(dāng)大于目標(biāo)的輻射亮度時讓T下=T中。重復(fù)上述過程直到滿足指定計算精度為止。

(4)

4) 目標(biāo)輻射強度計算公式

I=L×Sreal

(5)

式中:I為目標(biāo)的輻射強度,單位W/sr。

4　試驗及結(jié)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(jù)表1的計算結(jié)果,將中長波兩臺熱像儀分別布設(shè)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　熱像儀參數(shù)設(shè)置

4.2測試結(jié)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(xù)20秒以上。依據(jù)大量外場實際測量經(jīng)驗數(shù)據(jù),艦船表面蒙皮平均溫度與周圍環(huán)境溫差大于5℃。假設(shè)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(shù)據(jù)如表3所示。由此,紅外誘餌的輻射強度如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被保護目標(biāo)艦的紅外輻射強度,那么,當(dāng)施放面源紅外誘餌時,由于其紅外輻射能量很大,成像制導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤艦船和面源紅外假目標(biāo)的能量中心,隨著依次布放的面源紅外假目標(biāo)逐漸遠(yuǎn)離艦船時,最終跟蹤面源紅外假目標(biāo)中心,形成有效干擾。

表3　艦船目標(biāo)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(chǎn)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?；鹧孑椛鋪碜曰鹧嬷械母邷仡w粒和燃燒產(chǎn)生的熱氣體,如果誘餌的紅外光譜與被保護目標(biāo)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(dǎo)系統(tǒng)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(yuǎn)離目標(biāo),直至最后向全視場開放,使跟蹤系統(tǒng)重新進行搜索,對目標(biāo)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(jù)紅外熱像儀測量視場、動態(tài)范圍和紅外煙云面積、紅外輻射強度估計值確定測量距離。火焰既不能超出設(shè)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(shè)備測量視場,設(shè)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??；如果煙云所占測量視場比例太小,設(shè)備接收的背景輻射將增多,也將引起測量誤差。

2) 風(fēng)向風(fēng)速

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

3) 測量通視性和背景

布站時設(shè)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(shè)備接收系統(tǒng),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(jīng)緯度、測量設(shè)備仰角等),很難準(zhǔn)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(guān)因素,事后對試驗測量數(shù)據(jù)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(jù)風(fēng)向風(fēng)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(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差[6,8]

進行紅外輻射特性測量時,測量誤差外,在數(shù)據(jù)處理過程中,還會因系統(tǒng)的標(biāo)定精度及人為地劃定目標(biāo)區(qū)域等因素造成一定的誤差。這里,僅就數(shù)據(jù)處理中的誤差作一粗略討論。

在計算目標(biāo)強度時所產(chǎn)生的誤差由下式?jīng)Q定:

(6)

式中,第一項為系統(tǒng)的標(biāo)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(qū)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(shù)據(jù)處理時,劃定目標(biāo)區(qū)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(shù)據(jù)處理而造成的總誤差約為5.5%。

6　結(jié)語

本文研究了面源紅外誘餌強度的測試方法、數(shù)據(jù)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(jié)果表明,該測試方法能夠較準(zhǔn)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(fù)雜背景下目標(biāo)的跟蹤

對背景復(fù)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(fā)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(shù)。王明波,男,工程師,研究方向：電子對抗總體技術(shù)。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.013