地面雷达目标红外辐射特性研究

黄　莉， 周方方， 祁　鸣, 徐振亚

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳　471009)



地面雷达目标红外辐射特性研究

黄莉， 周方方， 祁鸣, 徐振亚

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳471009)

摘要：对地面雷达目标红外辐射特性的研究以实测数据为依托， 以地面雷达目标和环境为研究对象， 建立一套地面雷达目标红外辐射特性测试、 计算、 仿真流程。 通过结合实测数据和仿真模型， 来研究地面雷达目标与地面背景在不同时间段相对辐射特性变化情况， 为武器研制提供地面雷达目标红外辐射特性数据。

关键词：红外辐射； 地面雷达; 温度； 大气传输； 仿真

0引言

随着红外探测技术的发展， 对目标与环境红外辐射特性的研究越来越受到各国专家学者和有关机构的重视， 目前已成为红外成像制导型武器研究不可缺少的部分， 直接影响到红外成像制导武器系统的性能。

二十世纪七八十年代， 西方一些发达国家从仿真建模和外场实测两方面入手， 对模型红外图像仿真进行了大量的研究工作。 1980年， Jacobs率先模拟在各种天气下， 对建筑物、 公路等简单几何外形的物性仿真。 1987年， Gerhart等人提出了模块化的热图像模型计算程序TTIM(TACOM Thermal Image Model)， 物体表面温度由环境辐射、 环境温度、 表面热参数等的函数组成， 通过对物体表面温度计算， 仿真绘制出物体的红外热图像。 1988年， Cathcart提出了不同背景的物体红外仿真模型,得到了物体表面的辐射分布。 1994年， Nandhakumar等人引入内热源的影响， 以及对形成目标红外特征的重要作用， 提出了以八叉树模型来反映内仿真热源作用的红外图像模型。 以上这些方法虽在一定程度上求解了目标的红外辐射特性， 但存在很多的缺陷， 因为其主观随意性较大， 原理、 方法以及对环境因素影响表示过于简单， 效果都不太理想。

本文借助较为成熟的硬件资源(如短波热像仪、 中波热像仪、 长波热像仪、 光谱辐射计)和软件资源(如SE-WORKBENCH-IR， VEGA， MODTRAN， JRM)， 结合红外辐射特性测试、计算、 仿真流程， 通过实测数据和仿真模型， 来研究地面雷达目标与地面背景在不同时间段相对辐射特性变化情况。该研究充分考虑了环境因素影响， 仿真效果理想， 能为武器研制提供地面雷达目标红外辐射特性数据。

1测试实验

使用红外热像仪和光谱辐射计进行地面雷达目标的红外辐射实际测量。 在晴朗天气下， 用热像仪测得的地面球形雷达红外图像如图1所示。

图1　热像仪全天测试图像

由图1可以看出， 雷达目标周围的地物背景非常复杂， 但综合可以分为植被、 楼房楼顶、 道路。 从全天的数据来看， 雷达罩体平均温度最高的时间是在15点到17点之间， 温度最低的时间是在4点到5点左右。 就雷达罩与周围地物背景的温度差别而言， 温差最大的时间是在15点到16点左右， 温差最小的时间是在3点至4点左右。

2地面雷达目标红外辐射计算

根据目标温度分布， 计算目标辐射出射度：

M=εσT4

(1)

式中：M为地面雷达辐射出射度；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；ε为地面雷达发射率；T为地面雷达表面温度。

地面雷达的红外辐射除了与结构和内部热源有关外， 还与周围的环境有关。 影响地面雷达目标表面温度的因素有：入射地面雷达目标上的辐射、 地面雷达目标的吸收率、 地面雷达目标的反射率、 地面雷达目标的热传导等。 地面雷达目标的红外辐射包含两个方面：自身红外辐射和环境辐射。

(1) 自身红外辐射计算

计算地面雷达目标自身红外辐射时， 要综合考虑物体与环境以及物体各部分之间的各种热交换。 可以把地面雷达分成若干部分， 各部分假设为理想四边形单元， 任取第k个单元, 单元之间的热交换如图2所示。

图2　单元之间热交换

图中， 雷达单元面积为Ak； 单元温度为Tk； 单元外表面发射率为ε1k； 单元内表面发射率为ε2k；J为入射能量流密度；G为出射能量流密度。

雷达内表面的辐射能量流密度为

(2)

雷达外表面的辐射能量流密度为

(3)

雷达面元k之间的热传导为

(4)

内外表面的对流可用牛顿冷却公式表示为

Ecv=Akh(Tk-Tair)

(5)

式中：Tin为内部温度；εin为内仓发射率；Fk-j为面元之间的辐射交换因子；qenv为面元接收到的环境辐射特性；λ为导热率；Tk和Tn(k)分别为相邻面元温度；Tair为单元面壁接触气体的温度；h为对流换热系数。

(2) 环境辐射计算

环境辐射包括太阳、 天空、 地面辐射三个方面， 即

qenv=qsun+qsky+qgrd

(6)

太阳辐射可分为直接辐射、 漫反射辐射和间接辐射三部分。 直接辐射为全波段太阳辐射， 其能量与当地气候、 时间、 空间有关， 一般由实测给出， 也可以由MODTRAN软件计算出来； 漫反射辐射为太阳光能量经天空、 大气等散射后， 形成的上半球空间的辐射能量， 其值与当地气候、 时间、 空间有关， 一般由实测给出， 也可以由MODTRAN软件计算出来； 间接辐射时太阳光经其他面元辐射到达该面元， 并被吸收能量， 与直接辐射、 漫反射辐射能量以及面元与太阳波段辐射交换因子有关， 可由经验公式得到。

天空辐射主要为上半球空间的长波辐射， 辐射强度一般由太阳、 云层等气象条件所决定， 可由实测和经验公式得到， 也可通过MODTRAN等软件计算出来。

地面辐射不仅跟气候有关， 还跟地面背景辐射多样性有关； 不仅要考虑地面的直接辐射， 还要考虑环境辐射的反射， 其辐射较为复杂， 一般由实测获得。

3地面雷达目标红外辐射特性仿真

地面雷达目标红外辐射特性仿真采用“相对等效”原理，模拟地面雷达与环境在典型实战情况下生成的等效特征红外图像。 主要包含四个步骤：

(1) 根据相关的场景信息， 建立地面雷达和环境的几何模型；

(2) 根据传导热学原理， 建立地面雷达的热模型， 计算地面雷达的表面温度分布；

(3) 根据红外辐射理论， 建立地面雷达的红外辐射模型， 计算地面雷达表面的辐射分布；

(4) 设置大气条件参数， 计算地面雷达红外辐射分布经过大气路径的衰减。

在地面雷达红外辐射特性仿真中， 对地面雷达表面的温度分布确定是最为关键的， 通过地面雷达表面温度来计算地面雷达的红外辐射。

通过以下三种方法进行红外特性仿真：

(1) 基于国外仿真软件包的方法

目前用于红外特性仿真的专业软件有美国的SE和法国的JRM。专业软件具有模型丰富、 仿真结果可信度高、 可快速开发等优点， 同时也有费用高、 不便定制等不足。

(2) 基于传导热学模型的方法

通常结合红外传感器模型和大气传输模型来完成仿真， 其工作主要集中于目标与背景表面温度场的计算， 通过综合考虑目标背景的材质、 大气影响、 太阳辐射等因素， 建立目标背景温度场的热模型， 计算出目标和地面背景的表面辐射量， 在此基础上通过映射目标背景场景的辐射量来得到目标背景的红外模拟图， 其仿真框图如图3所示。

图3　红外辐射特性仿真框图

(3) 基于实测与理论相结合的方法

理论与实测相结合的方法克服了理论实验数据少、 获得较难、 花费较大以及红外仿真误差较大的弊端， 通过实测数据的修正， 使仿真结果更加真实、 准确。 但由于经验参数与实验数据关系密切， 所建立模型的精度与对实验数据的分析和经验参数的取值相关， 还要确保实验可行。

4结束语

本文对地面雷达目标红外辐射特性的研究主要基于实测数据， 结合仿真模型， 研究了各种环境因素以及模型中各参数的选取对目标温度和红外辐射的影响作用， 同时分析了不同时间段地面雷达与环境的相对红外辐射的差异性， 以历史气候积累光热模型完成地面目标特性计算， 并根据实验数据对仿真模型进行校验， 对提高建模的准确性研究有一定帮助。

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Study on Infrared Radiation Characteristics of Ground-Based Radar Target

Huang Li, Zhou Fangfang, Qi Ming， Xu Zhenya

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:The infrared radiation characteristics of ground-based radar target is studied according to the true testing data, and the research objects contain both ground-based radar target and environment, and the testing, calculation and simulation flow of infrared radiation characteristics of ground-based radar target are designed in this paper. Furthermore, by combining the true testing data and the simulation model, the relative infrared radiation characteristics changes of ground-based radar target and environment in different time are studied as well, and this study can provide infrared radiation characteristics of ground-based radar target data for designing weapons.

Key words:infrared radiation； ground-based radar； temperature； transmission in atmosphere； simulation

作者简介：黄莉(1983-)，女，贵州铜仁人，工程师，研究方向为红外目标与环境特性。

收稿日期：2015-07-27

中图分类号：TN215

文献标识码：A

文章编号：1673-5048(2015)06-0063-03