针对遥感探潜的潜艇红外隐身技术评价方法*

王建勋 邓海华 孙国仓

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430205)



针对遥感探潜的潜艇红外隐身技术评价方法*

王建勋 邓海华 孙国仓

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430205)

针对目前主要的红外探潜手段来自于卫星和反潜机的遥感探测,论文对潜艇的红外隐身相关技术进行分析总结,探讨了适用于评价潜艇红外隐身技术的方法。在给出遥感红外探潜手段探测距离计算模型的基础上,提出了适用于潜艇红外隐身性能和效能评价的相关参数,为实现红外隐身技术的效果对比提供分析手段。

遥感探潜; 红外隐身; 评估体系; 性能评价; 效能评价

Class Number U674.76

1 引言

隐蔽性是潜艇的基本特征。提高潜艇隐身性能,需从降低潜艇的声场、电磁场、雷达散射场和红外辐射场等物理场特征为主要努力方向[1～4],从而降低潜艇被发现的概率,提高潜艇的生存能力。作为潜艇产生的物理场之一,潜艇的红外辐射特征主要来自于以下几个方面:

1) 潜艇的围壳、上建和升降装置等设备可能会露出水面,在太阳辐射等环境因素的持续影响下,这些设备的温度会升高,导致其产生的红外辐射能量最终会与周围环境产生明显差别,从而被红外探测器发现;

2) 潜艇航行时热排放形成的热尾流:潜艇在水下航行时不断地把热直接散射到周围海水中。不管是常规潜艇还是核动力潜艇,都用海水做冷却水,特别是核潜艇,为了冷却核动力装置,总是排放出大量的温热海水,这些热水会对海洋环境形成扰动,在潜艇的尾流中产生温差信号从而形成热尾流。在一定的条件下这种热尾流会浮升至海面,即使核潜艇栖息海底也会形成一个从海底至海面的竖直“热水管”。热尾流在海面形成的温度异常也能够被红外探测器捕获[5]。

3) 潜艇航行时形成的冷尾流:潜艇在温度分层的海水中航行时,艇体及螺旋桨形成的漩涡将下层温度较低的冷水翻滚至海面,使得同一水平层上尾流中的温度较周围海水温度低从而形成冷尾流,试验证明冷尾流也能产生明显的温度异常特征从而被红外探测器捕获[6]。

4) 潜艇产生的热排气:对于常规潜艇,在通气管状态下,柴油机为蓄电池充电时柴油机排出的高温废气会使潜艇周围的海水温度升高[7],这部分海水的红外热特征与海面背景将产生明显的红外辐射差异,使得红外探测器能够发现。

针对潜艇红外辐射特征的这几个重要来源,可采用隐身材料技术、排气降温技术、排水控制技术和新型推进器等技术来进行抑制。为评估和分析这些隐身技术下的红外隐身效能,并促进各项新隐身技术的发展,本文将从设计的角度,对隐身技术评价体系做一些前期的探讨,期望通过提出红外隐身性能和效能评价参数,能够为更深层次的潜艇红外隐身技术评估体系建立奠定基础。

2 红外隐身技术

2.1 红外隐身材料技术

针对潜艇的围壳、上建和升降装置等可能会露出水面的设备,在其表面涂敷红外隐身材料即可有效降低其与背景的辐射能量差异。由于上述设备基本上可确定为无内热源,不用考虑隔热,所以主要考虑其对环境热量的吸收和向环境辐射红外能量。注意到环境热量主要来自于太阳辐射,而太阳98%的辐射能量处于0.15μm～3μm的短波范围内,基于热传导方程和红外辐射理论分析可知,只要红外隐身涂料在太阳辐射的短波波段内具有较低的吸收率,同时在红外探测波段3μm～5μm或8μm～12μm内具有较低的发射率[8],即可大幅降低这些设备向外辐射的红外能量。考虑到围壳、上建和升降装置等设备还可能面临雷达、可见光和激光等探测设备的威胁,红外隐身材料还要考虑与其他隐身材料的兼容性,如保证在雷达频段具有高吸收率,在可见光波段(0.38μm～0.76μm)具有与海洋背景接近的反射率、及在激光波段(0.3μm～11μm,主要是1.06μm)具有低反射率。

2.2 热排气降温红外隐身技术

对常规潜艇热排气进行红外抑制可采用空气冷却、对流冷却、喷淋冷却和负压区排气等技术[7],利用这些技术可对排气系统管壁及废气进行冷却,降低排气系统高温烟气的温度,从而减小红外辐射。

空气冷却技术通过将冷空气引入排气管段同管内高温气体发生引射,以在排气管壁内表面金属上形成一个薄膜冷却层,使排气管壁面与高温烟气隔离,减少高温烟气与壁面的对流换热,从而降低壁面温度减小红外辐射。对流冷却技术通过引入冷却水与排气管壁进行对流换热,从而降低排气温度来减小红外辐射。喷淋冷却技术通过喷淋冷却水与排气接触,利用水的汽化吸热,对排气进行大幅度降温来减小红外辐射。负压区排气技术通过将通气管排气口布置在潜艇指挥台围壳附近流场的水动力效应所形成的“负压区”,从而降低排气温度来减小红外辐射。

2.3 热排水控制红外隐身技术

对于热排水控制来说,提高热量利用效率进行合理的工况设计,直接降低热排放流量和排放水的温度能有效降低热排水在海面形成的红外辐射特征;也可利用热量存储容器,在需要红外隐身的作战环境下开启热量存储容器,对潜艇产生的热量进行短时存储,减少热排水量以减弱热排水在海面形成的红外辐射特征。

在热排放容量一定的情况下,还可通过热排水系统优化设计来降低热排水在海面形成的红外辐射特征,可进行优化设计的参数包括排放水流量、排放水温度、排放口布置角度、排放口形状和排放口尺寸等。已有研究发现,降低热排水出口温差比减少热排水流量更有利于降低热轨迹中心与环境温差,所以在热排放容量一定的情况下合理的选择排放水流量、排放水温度能有效减弱热排水在海面形成的热轨迹红外特征。同时,冷却水系统的排放角度对热排水浮升高度影响十分明显,在分层海水中热排水能浮升的高度随排放角度的增加有所下降,因此通过增加排放角可以在一定程度上降低热排水的浮升高度,减弱热排水在海面形成的热轨迹红外特征。在排放口形状方面,研究者发现相比传统的圆形热水排放出口,椭圆形排放口的热流浮升轨迹最大温差下降速度较快,有利于降低热水排放对海面温度场的影响[9]。热排水射流的直径也会影响热尾流的浮升速度,从而影响尾流热轨迹中心与环境温差异,以致影响水面形成热轨迹的红外特征。在对单因素进行分析的基础上,还可进一步考虑热排水系统产生的红外特征与多因素的非线性关系,基于分布式排放控制的思想,对热排水排放口位置、角度、形状和尺寸进行综合优化。

2.4 新型推进技术

采用新型推进技术,可减小推进器转动部分对分层海水的扰动,从而减弱冷尾流的温差特征,如泵喷推进技术和磁流体推进技术[10]等。泵喷推进技术采用一个能容纳多叶片和大螺旋桨的外面罩作为导管,导管的前方有一圈固定的导向叶片作为定子,螺旋桨在导管内作为转子低速转动,推动潜艇运动,这种推进技术能改变螺旋桨叶片的压力,减少尾流的形成,弱化螺旋桨对海水的扰动。磁流体推进器技术是把电能转换成脉动磁场,脉动磁场在管道内产生行波,海水在管道前面被吸入,由电磁感生的行波向后推斥海水,从而产生推力,这种推进技术的主要优点是推力较大,水的紊流较小,海水受到的扰动较小。

2.5 作战使用控制

从作战决策上,需要根据环境条件来进行工况调整、增大下潜深度或热排水容量存储控制。环境条件包括实际海洋水文环境、天气状况、太阳辐射和水面漂浮物质等因素,在考虑这些因素对红外隐身性的影响的基础上,才能建立准确地反映真实环境下潜艇的红外辐射特性计算模型,并基于该计算模型实现对运行工况的选择、安全潜深的预报以及热排水容量的存储控制。

3 红外隐身技术评价方法

3.1 红外辐射特征评价方法

工程实践中常常将试验测试、仿真计算和理论分析有机结合起来,以进行红外辐射特征评价。其中仿真计算用以指导试验测试,试验测试用以验证仿真计算,理论分析则用来将二者有效地衔接[11]。图1形象地显示了试验测试、仿真计算与评估体系之间的关系。通过仿真手段可建立典型工况下的红外辐射特性计算模型,然后分析红外辐射特性的影响因素和影响规律;利用仿真计算得到的影响规律可指导模型和实船试验,通过试验测试对仿真计算得到的影响规律进行验证,并对计算模型进行不断修正和完善;根据经过验证的隐身技术、工况条件、背景环境对红外辐射特性的影响规律,可得到适用于任意条件的红外辐射特性评估体系。

图1 红外辐射测试、仿真与评估技术的关系

3.2 红外隐身技术评价实施方案

图2 红外隐身技术评价实施方案

红外隐身技术评价实施方案如图2所示。首先需要在数值仿真模型中考虑背景环境和隐身技术的影响,通过三维图形建模建立红外辐射特性的数值计算模型;然后利用此计算模型进行不同隐身技术、背景环境(包括自然干扰和人为干扰)、运行工况下红外辐射特性的数值计算,得到大量仿真数据,并通过特征提取和分析,找出隐身技术、背景环境、运行工况对于红外辐射特性的影响规律;接着在计算结果和影响规律的指导下设计测试试验,验证计算模型和影响规律的正确性,并对模型进行修改和完善;然后在理论分析、仿真计算和试验测试的结果的基础上,对遥感探测设备的性能进行分析;最后根据探测设备性能制定红外辐射特性评价指标,形成评估体系。

在整个方案中,试验测试是最终评估准确性的保障。试验测试在理论分析和仿真计算的指导下进行,必须做到全面、典型、准确。在经过仿真计算和理论分析后,明确了哪些因素对红外辐射特性的影响大,哪些工况、哪些环境条件下的红外辐射特征变化显著,应对影响隐身性能敏感参数、敏感状态和敏感环境的物理场特性要重点测试。试验测试分为实船测试和模型测试两类,考虑到测试难度和准确性,应将两类测试方法结合使用。隐身技术的仿真主要用模型测试进行验证,利用相似理论设计出模拟各种隐身技术的实验装置,测量结果也要换算到实际状态下。但总体的红外辐射特性仿真模型及背景环境仿真主要用实船测试进行验证,在试验测试的基础上,还需对红外辐射特性计算模型进行反复修改和完善。

在整个方案中,评价参数的制定是对红外辐射特性进行评价的前提。红外辐射特性评价参数必须结合现有探测设备的水平和作战需求来制定,具体包括隐身性能评价参数和隐身效能评价参数。隐身性能评价参数主要用来衡量隐身技术满足设计技术要求的程度,为直接反映潜艇红外辐射特征的参数;隐身效能评价参数则反映着潜艇满足期望使用目标的程度,其与环境因素、作战参数及其相互作用有关,能直接指导作战使用控制。下文将给出具体的红外隐身技术性能评价参数和效能评价参数。

4 红外隐身技术性能评价参数

4.1 遥感红外探测器探测目标的作用距离

对红外隐身性能进行评价的首要任务是研究红外探测器探测目标的作用距离,针对不同目标还要根据实际情况分为点源目标和面源目标进行分别处理。当目标对探测器的张角大于探测器成像单元的瞬时视场角时,目标按面源目标处理,反之则按点源目标处理。

红外隐身材料涂覆效果采用点源目标方式进行分析。对于点目标,一般从能量的角度考虑,直接用噪声等效温差NETD[12]来估算作用距离。若目标的红外辐射能量经大气衰减到达探测器后大于探测器的探测阈值,探测器就可以探测出目标,其作用距离估算方程为

ΔI·τ(R)=SNR·R2·NETD

(1)

式中:ΔI为目标与背景的原始红外辐射照度差,τ(R)为大气光谱透过率,其是探测距离R的函数,SNR为由探测概率决定的信噪比。

若不考虑发射率,仅用温度表示,作用距离估算方程为

(2)

式中,ΔT为目标与背景的原始温差,α和β为红外探测器的瞬时视场角,S为目标的实际面积,对于点目标来说就是其温度异常影响区域面积。

热排气、热排水和冷尾流隐身效果采用面源方式进行分析。对于面源目标来说,一般用最小可分辨温差MRTD法[12]。该方法指出了红外探测器能够观察到目标的基本条件:对于空间频率为f的目标,其与背景的实际温差在经过大气传输到达热成像系统时,仍大于或等于该热成像系统对应该频率的,同时目标对系统的张角应大于或等于探测水平所要求的最小视角,其作用距离估算方程为

(3)

式中,f为空间特征频率,h为目标高度,ne为按Johnson准则所要求的目标等效条带数某一探测概率对应的等效条带对数[13],在这里ΔT可用平均温度差进行代替。

其中最小可分辨温差MRTD为

(4)

式中,te为人眼积分时间,fp为帧频,Δfn为噪声等效带宽,τd为单元探测器的驻留时间,MTF(f)为红外探测器的调制传递函数。在考虑实际目标的几何尺寸与形状后,还需对MRTD进行修正:

(5)

式中,α0为目标的长宽比。

4.2 红外隐身材料性能评价参数

作为点源目标来进行分析的红外隐身材料的应用效果,需要从发射率和吸收率方面对其提出技术指标,并最终以与实际使用工况对应的特定环境下涂覆材料前后的辐射对比度来评价其隐身性能。

辐射对比度可表示为

(6)

式中,IT为目标在探测器关注波段的红外辐射照度,IB为背景在探测器关注波段内的红外辐射照度。在已知发射率和温度的情况下,两者均可基于斯蒂芬—玻尔兹曼定律计算得到。

采用辐射对比度C进行隐身性能评价,当辐射对比度C小于一定值时,红外隐身效果才能满足指标要求。

4.3 红外隐身技术性能评价参数

对于热排气,在排气管结构形式确定的情况下应主要从排气温度方面提出技术指标;对于热排水,在排放水系统结构形式确定的情况下应主要从排放流量和排放温度上提出技术指标;对于冷尾流,应从推进器的流体力学性能方面提出技术指标。对于三种源在海面形成的红外辐射特征,要采用以面源方式为主、点源方式为辅的方式进行隐身性能分析。由于辐射目标和背景海水的发射率均是一定的,在对各种隐身技术进行性能评价时主要关注海面温度分布相关参数,可提出以下评价参数:

1) 最大温度差:

(7)

式中,n用来表示面源目标按测点布置进行等面积划分后的第n个面积元,tn表示,tn为第n个面积元。对于点源目标,可令其N=1,即退化为1个面积元。

2) 等效平均温度差:

(8)

3) 温度异常影响区域面积At及其几何长宽比kt。

对于点源目标来说,采用最大温度差和温度异常影响区域面积即可分析作用距离,评估红外隐身性能;而对于面源目标来说,等效平均温度差、温度异常影响区域面积及其几何长宽比常用来评估红外探测器的发现距离,但也要考虑局部温度异常过大会形成强/弱辐射点源目标的情况,所以针对面源目标要综合考虑最大温度差、等效平均温度差、温度异常影响区域面积及其几何长宽比来进行评估。显然,对于热排气、热排水和冷尾流形成的红外辐射源,应采用面源目标的评价参数进行隐身性能评价,当温差Δtmax和Δtrss小于一定水平且温度异常影响区域尺寸At和kt满足一定要求时,红外隐身效果才能满足指标要求。

5 红外隐身技术效能评价参数

· 隐蔽距离:探测距离即为隐蔽距离[14],用该参数可以直接评价目标的红外隐身效果。容易看出,隐蔽距离越小,红外隐身效果越好。

· 隐蔽系数:也可称为红外隐身效率,其用探测距离的减小来表示。即

(9)

式中,R1为采取隐身措施前的探测距离,R2为采取隐身措施后的探测距离。

隐蔽系数法评价的也可直接评价目标的红外隐身效果,同隐蔽距离评价法相比,隐蔽系数评价法给出的是0～1表示的隐身效果,其更具有直观性[15]。容易看出,隐蔽系数越接近1,红外隐身效果越好。

· 最大反应时间:针对具有机动性的航空探潜,最大反应时间表示潜艇在先敌发现后采取机动措施规避己方被发现时可利用的时间。

(10)

式中,Rd为潜艇利用各种探测手段发现敌方飞机的最远距离,vp为飞机航速。

最大反应时间既是隐身性能效能评价中的一个重要参量,也是作战效能评估中的一个重要参量。最大反应时间越大,红外隐身效果越好。

针对在一定安全深度下潜航,或者在先敌发现后进行安全下潜的红外隐身手段,可提出两个与安全潜深相关的评价参数:

· 热影响区安全潜深hh:针对某一工况热排放形成热尾流对应的安全潜深,需对于热尾流加入该评价参数。表示在该深度下潜航,冷却水形成的热尾流上浮到海面后等效平均温差不会大于探测器的噪声等效温差。

· 冷影响区安全潜深hc:螺旋桨搅动形成冷尾流对应的安全潜深,对于冷尾流加入该评价参数。表示在该深度下潜航,推进器扰动形成的冷尾流上浮到海面后等效平均温差不会大于探测器的噪声等效温差。

安全潜深在对探测距离进行分析的基础上还需要结合红外辐射数值仿真计算模型来进行分析。安全潜深越小,红外隐身效果更好。

6 结语

对于多功能隐身材料技术,常规单一波段隐身材料难以满足要求,各类武器装备及重要目标的隐身要求从单一的红外隐身向着雷达、红外、可见光和激光等多波段复合隐身的方向发展,各种形式的多功能迷彩涂料也将应运而生。

对于综合隐身设计技术,除需要从雷达和光学等多频段来实现隐身外,还需考虑噪声控制要求,如对于热排气系统和热水排放系统的红外抑制,要在确保温度特征能降低的同时,阻力和流噪声也能得到降低。为实现综合隐身,必须考虑多物理场特征的兼容隐身设计。

对于基于虚拟仿真和视景仿真的红外隐身评估技术,可采用可视化和虚拟仿真技术,针对潜艇的红外隐身效果评估需求,建立评估系统的仿真体系结构和相关的评估模型,用直观的二维图表和三维图像等显示方式,对不同涂料和不同隐身技术对潜艇在不同作战环境下的隐身效果的影响进行定量和定性的分析,以形成全数字化的仿真评估体系。

对于光电对抗技术,随着军用光电技术和红外探测技术的快速发展,红外隐身技术将会在潜艇隐身技术中扮演越来越重要的角色,应当从理论和实际上针对红外探测和红外隐身进行全面的设计,以适应未来光电对抗技术发展的要求。

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Efficiency Evaluation System for Infrared Stealth According to Remote Sensing Detection of Submarine

WANG Jianxun DENG Haihua SUN Guocang

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205)

According to the fact that current infrared detection measures for submarine mainly come from remote sensing detection of satellite and anti-submarine plane, a summary of infrared stealth related technology is analyzed, and an evaluation system applicable to submarine infrared stealth is discussed. Given the computation model of detection distance for remote sensing detection, evaluation parameters of performance and efficiency are proposed for submarine infrared stealth technology, so as to provide analysis method for implementing impact contrast of infrared stealth technology.

remote sensing detection of submarine, infrared stealth, evaluation system, performance evaluation, efficiency evaluation

2015年4月2日,

2015年5月19日

王建勋,男,博士,工程师,研究方向:舰船总体技术。邓海华,男,硕士,高级工程师,研究方向:舰船总体技术。孙国仓,男,博士,高级工程师,研究方向:舰船总体技术。

U674.76

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.045