一种新式舰船红外靶标设计方法研究*

(91550部队 大连 116023)

一种新式舰船红外靶标设计方法研究*

杜鹏余建军刘维国

(91550部队 大连 116023)

论文针对舰船红外靶标研究现状以及靶场试验实际使用中现有红外靶标重心高、体积大、稳定性差、布靶困难等问题,提出一种新式舰船红外靶标设计方案,采用碳纤维电加热布自动温度控制实现对典型舰船目标的红外辐射特性模拟,较好解决了实弹打靶试验中现有红外靶标所面临的实际问题。

红外成像; 表面温度; 辐射度; 红外靶标

ClassNumberTN21

1 引言

红外成像制导武器具有打击距离远,在复杂背景条件下能捕获、识别、锁定和跟踪目标的自动决策能力等优点,成为未来海战的主战装备。随着红外成像制导武器的发展,新的红外成像制导系统的研制离不开必要的靶场试验。为了验证红外导引头的战术性能,靶场通常采用实体靶或红外模拟靶来构建目标环境特性。但采用退役舰船作为实体靶标,试验费用高、试验子样少,很难进行大批量的试验;若采用靶场现有的红外模拟靶,在实弹打靶中面临诸多困难,为此,提出一种新式舰船红外靶标设计方案。

2 舰船目标红外特性研究

2.1 舰船红外辐射度

舰船红外辐射度M描述的是舰船表面单位面积向整个半球空间发射的辐射能量,真实反映了舰船目标的红外辐射特性[1]。根据波尔兹曼定律:

式中,λ为波长,C1为第一辐射常量,其值为3.742×10-8W·μm4/m2,C2为第二辐射常量,其值为1.4382×10-16μm·K,ε为舰船表面发射率,T为舰船表面温度。由波尔兹曼定律可以看出,舰船红外辐射度决定于舰船表面的温度和发射率,即舰船表面温度和发射率影响着舰船的红外辐射特性[2]。

2.2 舰船红外辐射热像图

舰船表面涂层的发射率与舰船所用辐射材料有关,为研究问题方便,这里重点分析舰船表面的温度分布。图1为红外探测系统探测到的某型真实驱逐舰在复杂海洋背景下的红外辐射热像图。

图1 某型驱逐舰的红外热像图

红外探测系统所探测的热像图是舰船表面辐射度的分布,而舰船表面温度影响着辐射度的分布,因此舰船表面的温度分布直接反映舰船红外辐射的分布特性[3]。

从图1可看出,舰船目标的红外辐射特性主要通过以下部位表现出来:一是被机舱通风气体和上升烟道热废气所加热的烟囱部位;二是烟囱顶部的上升烟道金属,它处于上层建筑,温度极高;三是舰船轮机舱。

2.3 舰船表面温度分布

舰船表面温度归根到底是每个面元温度的迭加。由于每个面元所处方位的不同,同一时间所接受到的外界环境条件不同,可以将舰船表面按所处方位划分为多个小面元,通过对每个面元进行迭加计算,进而得出舰船表面温度分布[4]。

图2是某型舰船在中等晴天气象条件下测得的表面温度分布图。由图可知,不同面元由于其天顶角不同所受外部环境影响差异,导致表面温度随时间变化不同,表现在峰值大小及出现的时刻不同。白天外部环境条件的影响中太阳辐射占据了主导地位,凌晨六点前后,气温最低,壳体所受外界环境辐射最小,故而表面温度最低。

图2 舰船表面温度动态分布

3 舰船红外靶标研究现状

舰船红外靶标的研制是以红外成像技术为基础,通过对舰船表面温度分布、红外图像产生原理分析计算来确定红外靶标的整体设计的[5]。近年来,根据国内外的研究状况以及靶场海试打靶的需求,多种形式的可供外场使用的舰船红外模拟靶相继研制成功。综合国内外研究现状,舰船红外模拟靶主要有以下两类。

3.1 阵列式智能红外模拟靶标

国内靶试采用的舰船红外靶标多为阵列式红外靶,采用电阻类加热模块,通过一个复杂的电子控制系统,对加热电阻阵列的加热量进行控制,从而生成红外热像图,实现对舰船目标的红外辐射特性模拟[6]。

加热电阻阵列由许多微小加热元件首先组成加热电阻模块,然后每个加热电阻模块根据需要集成在不良导热体基片上组成大的加热模块,形成加热电阻阵列。阵列可以单片设计,也可以把许多阵列合成大阵列,构成一幅红外图像辐射源,这样就可以模拟真实舰船形状尺寸,形成足够的舰船红外辐射有效面积[7]。

图3为阵列式智能红外模拟靶标常用的加热电阻单元模块,为32×32元件阵列。

图3 加热电阻单元模块

3.2 红外激光直投模拟靶标

美国Amord工程发展中心研制过一种红外激光直投模拟靶标,它的工作原理是红外景象信息转换为适当的控制信号,通过一个复杂的电子控制系统,控制声光仪器,该声光仪器将一束激光进行角偏移和强度调制,调制的激光经过光学窗口和光学透镜直接投射到目标焦平面阵列上,对焦平面阵列上的每个像素点进行加热,模拟生成舰船目标红外图像。

针对目前国内外舰船红外靶标研究现状,结合靶场实弹打靶试验中现有红外靶标的实际使用情况,采用阵列式红外模拟靶一方面因其加热电阻阵列体积较大、质量较重,元件自身的阻值会随着温度的变化而变化,导致加热电阻的热容量、热惯性较大,达到热平衡需要较长的加热时间且难以准确控制加热电阻的温度值[8];另一方面,加热电阻阵列采用模块化拼接方式固定在船体支架上,导致透风性差、质心高、受风面积大、船体稳定性差,靶试时无论是拖靶还是布靶,难度极大。因此,提出一种新式舰船红外靶标设计方案。

4 新式舰船红外靶标设计

4.1 系统组成

拟设计的新式舰船红外靶标整体结构与靶场现有的靶标大抵相同,主要由浮筒式简易船体、红外辐射源、紧固框架和外围供电控制系统组成。因采用卷帘式碳纤维电加热布设计,靶标系统额外增加了卷帘控制装置。

1)船体。船体的主要作用是用来为靶体和靶载设备提供运载、安装平台,在满足试验要求的前提下,尽量减小船体尺寸,结构尽量简单,尽量减少武器直接命中时造成的损失。红外试验靶标拟采用浮筒式简易金属船体,考虑到典型舰船目标的外形尺寸,设计红外试验靶标的船体尺寸为75m×10m。

2)紧固框架。紧固框架用于固定并支撑碳纤维加热布,采用独立框架模块设计,每个独立框架模块采用角钢拼成网状结构。红外试验靶标的紧固框架焊接在船舷和甲板上,并采用加强材进行加固,以保证足够的结构强度。例如,每个独立框架模块尺寸为5m×5m,紧固框架由20个独立框架模块分成10组,每组框架上下两层,横向间距200mm,就可形成最大红外辐射面积为50m×10m的矩形面,比较真实模拟战场典型舰船目标的红外有效辐射面积。

紧固框架在船体上的整体布局如图4所示。

图4 紧固框架整体平面结构图

3)红外辐射源。红外辐射源是靶标系统的主要组成部分,由碳纤维电加热布、温度控制装置、外围供电设备等组成。

(1)碳纤维电加热布

现有红外靶标加热电阻元件质量重、易与支架钢板产生热交换,导致靶标整体重心高、稳定性差且影响靶标系统热平衡,因此采用碳纤维电加热布作为靶标的红外辐射材料。

如果虐待来自家庭成员以外的人，报警后由人民检察院向法院提起公诉。我国法律规定，对未成年人、老年人、患病的人、残疾人等负有监护、看护职责的人虐待被监护、看护的人，情节恶劣的，处三年以下有期徒刑或者拘役。

碳纤维加热布是近年来新发展的一种高韧性电加热合成材料,其质量轻、强度大、不易磨损,且内表面为碳纤维材料组成的网状结构,外表面为绝缘布,可以将其看成灰体,发射率恒定不变[9]。加热布通电以后为面状发热,且可以按需进行温度控制。因此,碳纤维电加热布可有效解决现有红外靶标重心高、稳定性差、易与外界热交换等问题。

(2)温度控制装置

温度控制装置是靶标红外辐射源的核心装置,其主要任务是根据被模拟舰船目标的表面温度场分布,或者根据被模拟舰船目标主要的温度特征点,自动控制电加热布的表面温度,实现对舰船目标表面温度的真实模拟。

其控制原理为:将传感器粘贴于加热布表面,用以获取加热元件表面温度值。实际试验时,通过主控计算机向温控仪表发送温度设置命令,温控仪表根据传感器传回的温度信号自动控制继电器的开关,从而实现对加热布表面温度的控制。图5为温度控制装置原理图。

图5 温度控制装置原理图

4.2 卷帘式联动控制

1)卷帘式设计

为了真实模拟战场典型舰船目标的红外有效辐射面积,电加热布需要固定且套在每个独立框架上,整体形成面积很大的矩形加热辐射面,将使靶标透风性差、受风面积大,很难满足靶场试验对靶标的要求。本方案拟采用卷帘式设计[10],以每组紧固框架为一个单元,碳纤维加热布按紧固框架的外形尺寸将整体加热面切分为几个小的面以卷曲的形式固定在紧固框架的顶端。实际供靶时,靶标达到预定地点之前,加热布以卷曲的形式始终固定在紧固框架的顶端,使得靶标的透风性良好,最大限度地减小海面风力形成的风帆效应,降低布靶的难度;到达预定布靶地点时,释放卷帘式电加热布,通过联动控制装置,控制加热布展开并固定在紧固框架的表面,形成加热布红外辐射面。

根据独立紧固框架的外形尺寸可将每组加热布切分为五个小的面源,分别对应紧固框架的不同部位,以卷曲形式固定在框架的顶端。

图6为每组电加热布切分示意图。采用卷帘式设计,除了能够较好解决实弹打靶时红外靶标的布靶问题,还有以下优点:

图6 电加热布切分示意图

(1)通用性强,可互换使用;

(2)易于维修,避免一点损坏,全部更换,减小后勤保障压力;

(3)以卷曲的形式固定,可有效保持加热布的表面清洁。

2)联动控制装置

联动控制装置采用机械化设计,人工手动操作,主要任务是控制加热布的卷曲、展开并固定在紧固框架的表面。靶标在拖至布靶地点之前以及试验任务结束后返回码头过程中,联动控制装置始终控制加热布以卷曲的形式固定在紧固框架的顶端;当靶标到达预定布靶地点时,布靶人员启动联动装置,加热布展开并固定在紧固框架上,形成有效辐射面。

4.3 电加热布表面温度模拟

红外靶标系统以真实舰船目标表面温度分布为真值数据源,通过对电加热布表面温度的自动控制,最终实现真实目标与背景红外特性的逼真再现。

加热布固定在紧固框架的表面,形成电加热布辐射面。将典型舰艇目标的空间布局在加热布辐射面上做平面几何投影图,按照典型舰艇的红外辐射特征,在碳纤维加热布辐射面上划分上层建筑、雷达、烟囱、烟囱口、舰炮、轮机舱、船身等7个板块,将各个板块都近似为矩形,给定每个板块的范围,按照典型舰船目标表面温度场分布特点,确定每个板块需要模拟的温度值,自动控制电加热布按需进行温度控制。其中,烟囱、烟囱口和上层建筑应作为主要温度特征点进行重点模拟。

5 结语

随着红外探测技术的进步,对红外靶标模拟的真实性越来越高,靶标设计复杂程度越来越大,试验供靶越来越难。采用卷帘式电加热布温度模拟的靶标设计方案,较好解决了试验供靶中出现的红外靶标受风面积大、重心高、船体稳定性及海况适应能力差等难题。但在试验使用中还是存在一些不足之处,比如电加热布采用卷帘式设计增加了温度控制的难度;在高海况条件下,较难控制电加热布的卷曲、展开与固定等等。我们只有正视这些不足,不断提出改进的方法,才能有效提高试验靶标保障水平,满足日益繁重的试验、训练和演练的需要。

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[3]季卫亚,胡江华,李晓光,等.舰船的红外辐射特性[J].舰船电子对抗,2007,30(5):43-45.

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[5]宋江涛,赵英杰.基于加热布的墙体目标红外特征外场模拟系统研究[J].光电子技术,2012,32(1):6-10.

[6]宣益民.目标与背景的红外特征[M].北京:国防工业出版社,2004:124-127.

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[8]郭慧,佟首峰,孟范涛.电阻阵列式舰船红外靶标温控方法研究[J].仪器仪表用户,2009,16(2):9-10.

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[10]严晨,张卫平,李积辉,等.卷帘式遮障对抗红外成像制导武器[J].光电技术应用,2007,22(4):14-17.

DesignMethodforInfraredDroneofANew-styleShip

DU Peng YU Jianjun LIU Weiguo

(No.91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

In this paper, the study status of ship infrared drone is introduced.There are some questions in the trial range use of infrared drone, such as higher center of gravity, bigger volume and lower stability.A new-style design scheme of ship infrared drone is provided.In the scheme the infrared radiant characteristics of typical ship are modeled with an auto-control for temperature.The actual problems in use of existing infrared drone are better solved.

infrared imaging, skin temperature, radiant intensity, infrared drone

2014年3月7日,

:2014年4月14日

杜鹏,男,工程师,研究方向:武器装备试验与仿真。余建军,男,工程师,研究方向:武器装备试验总体技术。刘维国,男,博士,高级工程师,研究方向:武器装备试验及作战使用。

TN21DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.09.041