红外标准靶标仿真系统研究与应用

任成才，李佩军，陈振兴，秦少刚，侯习平



红外标准靶标仿真系统研究与应用

任成才，李佩军，陈振兴，秦少刚，侯习平

（白城兵器试验中心，吉林 白城 137001）

红外热像仪在军事领域应用广泛，为解决其对多类型目标及不同目标与背景环境之间温差条件下探测距离的科学评定难题，论证了红外标准仿真靶标系统，并成功研制和应用。系统具有模拟目标种类多、靶元分辨率高、温差控制精度高和系统架设倾角可调等优点。

红外标准靶标；仿真系统；多类型目标；热单元靶

0 引言

对红外热像仪的探测距离考核时，由于受到观察目标种类少和目标与环境背景之间温差不能精确控制等条件限制，对探测距离的评定会出现不同程度偏差，为解决该问题，需要对红外热像仪所观察的各类目标进行模拟仿真，并能够对目标与环境背景之间不同温差进行精确控制等问题进行研究，因此论证了红外标准仿真靶标系统，在此基础上成功研制。该系统由多个可控热单元靶、背景单元靶、控制系统和其他辅助设施组成，可模拟生成多种类型目标，满足测量红外热像仪的MDTD、MRTD、视距[1]等参数的试验需要；另外，因反射率低，满足制导武器系统试验需要，也可用于目标指示器的照射偏差角试验；又因具有普通靶标特性，还能用于其他军用观瞄装备的测距范围、测距精度、作用距离等指标的试验。

1 系统组成及使用流程设计

1.1 系统组成

仿真系统主要由目标模拟系统、综合控制系统、温度测量系统、供电系统和方舱组成。目标模拟系统由288块可控热单元靶（0.5m×0.5m）和672块背景单元靶组成，两者具有相同的红外辐射特性。仿真系统可根据试验需要生成0.5m×0.5m～3.0m×6.0m不同尺寸、不同温差（1～10K，精度0.5K）、不同形状的模拟目标；综合控制系统由温控系统、主控系统及通讯系统组成，是整个模拟靶标系统的核心，可根据试验要求，将接收的含有目标与背景红外辐射特性数据的二维灰度图像数据，通过热靶靶元体上的电热器的闭环控制实现红外热图模拟；温度测量系统由红外热像仪、数据采集系统组成，实时监测红外标准靶标上产生的红外目标和背景的红外辐射温度，并可根据需要传送给综合控制系统｡系统组成示意见图1。

1.2 工作流程

系统工作流程分为安装与初始化、无线通讯[2]与靶元控制定位、目标控制输出、停止控制4个环节｡安装与初始化阶段主要实现系统供电输入、温度控制器和首位靶元的定位输入、环境温度与时标校正等参数初始化；无线通讯与靶元控制定位主要是通过无线网络，实现靶元位置坐标的智能化识别，确定各靶元排列位置；目标控制输出主要是输出需要的红外热图，它可手动生成，也可由数据库调入；停止控制主要是控制全系统停止工作｡具体系统工作流程见图2。

图1 红外标准靶标仿真系统组成原理

图2 系统工作流程

2 温控系统设计

温度控制系统由计算机处理生成模拟的红外目标图像，并根据图像将单元靶对应的温度数据传入由网络协调器与温度控制器组成的无线局域网系统，以闭环控制的方式完成对单元靶的温度控制，并实时将温度控制结果回传给计算机。温度控制器是主要的温控执行器件，安装在热单元靶元内，工作时，温度控制器通过对温度的采样，实时采集单元靶表面的温度，再通过相应软件控制产生脉冲控制信号，控制电热丝的实时输出功率，从而达到温度控制目的。靶标温控电路原理示意图见图3。

图3 靶标温控电路原理

3 热单元靶设计

红外标准靶标仿真系统在野外露天环境下使用，因使用地区具有冬季寒冷、夏季炎热的特点，对热单元靶提出了苛刻要求，在温度控制方面要求精度高；在与环境热能交换方面要求少。热单元靶设计时应该考虑：内部导热材料具有较高的导热系数，确保大靶靶面温度具有较高的一致性；同时为保证大靶靶面温度稳定性，要求导热部分的热单元靶热容量足够大｡

3.1 热单元靶的热交换模型

红外标准靶标仿真系统主要工能，就是使各热单元靶表面温度达到目标值，并在目标值状态下保持热平衡，这个过程是基于系统与外界环境的热交换、自身热能量补偿的基础上进行的，也就是任一工作时刻，每个热单元靶热能量的输入功率与靶元外环境耗散的输出功率相等。

假定热单元靶的输入热能为I，热单元靶输出到机械结构体上的传导热能为c，热单元靶耗散的对流热能为f，热单元靶的辐射热能为e，热单元靶吸收外界环境的辐射热能为a，D为一段时间内热单元靶本身吸收的热能。根据能量守恒定律：

I－c－f－(e－a)＝D(1)

热单元靶升温时要求D＞0，热稳定平衡时要求D＝0。将(1)式写成瞬态微分方程：

I¢－c¢－f¢－(e¢－a¢)＝¢(2)

1）传导热能c

给热单元靶通电加热时，大部分热能以热传导的方式传递给机械结构体，同时有小部分热能在隔热材料中损耗。稳态导热时，有效传导作用距离为在单位时间内所传导的能量为：

式中：为导热系数；为导热时间；为热单元靶与机械结构体框架的接触面积；为有效的传导作用距离；u为热单元靶温度；m机械结构体框架温度。

2）对流热能f

自然对流空间内，竖直放置的热单元靶表面的呈现层流换热状态。对流换热时，单位时间内固体表面向流体放热的热量可以表示为：

式中：为传热面积；u是物体的表面温度；e是流体温度；为对流换热系数。对流换热系数的经验关系式为：

3）辐射输出热能e：

式中：为热单元靶面积；()为热单元靶发射率；后项为普朗克黑体辐射方程。

4）辐射吸收热能a

a为环境辐射热能，对于热单元靶吸收的环境辐射热能，需要通过实测，最终通过比较分析确定。

3.2 热单元靶导热特性及材料选择

为保证目标与背景之间具有满足试验要求的温度差，热单元靶必须具有升温或降温功能，考虑到研制成本，本系统采用升温方式制造温差，热能由内部热靶单元的电路中的电热丝产生，假设热能通过热传导层到热单元靶表面时热能为，热传导层与电热丝的热流密度[3]关系：

式中：D1为电热丝面和热单元靶面间的温度差值；1为热传导层的设计厚度｡

热单元靶面的热流量：

热传导层的时间响应1：

1＝/(9)

若(9)式成立，则电热丝在1时间最终输出热能I＞，情况相反，所以需要电热丝补充能量，所需时间2：

2＝/(10)

式中：为消耗功率。由(9)、(10)式得到，要保证热单元温度稳定，则希望1、2越小越好，因此，应该选用具有高热传导系数的材料、同时，对电热丝的功率、材料、耐热性也有较高要求｡

热传导层厚度与系统响应时间常数有关，厚度时选取应充分考虑系｡设计的热单元面积为25.0cm×25.0cm。在热单元靶稳定导热时，依据比热容公式(4)：

式中：比为热传导层的比热容；为热传导层的密度；为热传导层的质量。

(11)式改写：

＝比××××D(12)

(12)式左右两边微分得：

将(12)和(13)式联立：

(14)式左右两边取积分得：

其中，可以看作是控制系统的时间响应特性，即上式可表示成：

比××2＝×(16)

初步选定铜、铁、铝3种材料作为导热层所选材料，将三者物理特性进行比较，结果见表1。

将表1中导热系数、密度、比热容等参数代入(16)式，得到在一定温度下，铜、铁、铝的时间响应特性和导热体厚度之间关系图，如图4。

图4 导热体厚度与响应时间的关系

由图4可以看出，相同体积时，铜、铝的导热特性较接近，大大优于铁。由于铝价格比铜低，因此，确定铝作为靶元的导热材料，同时考虑温度控制响应速度，材料热导的时延越小越好，时延选在10ms时，铝板的厚度约为2mm｡设计的热靶单元结构示意如图5。

3.3 热单元靶表面涂层及加工

表面涂层材料选择主要与两个因素有关，一是需要涂层材料有较高发射率[4]；二是保证对1.064mm激光的漫反射系数为0.2～0.3。选择表面涂层时主要考虑：一是温度与发射率[5]之间关系；二是填充材料与发射率之间的关系，即材料种类、复合程度、颗粒大小对发射率的影响特性。加工单元靶时，在电热丝与辐射板中间填充热硅脂，保证靶面热输出的均匀性｡通过对仿真系统的单元靶的表面涂层及热硅脂的高温＋80℃、低温－40℃的48h实验验证，发现单元靶性能稳定，各单元靶之间无明显热影响，满足使用要求。

表1 铜、铝、铁导热体材料的物理特性

4 应用举例

根据某型红外热像仪的识别距离考核项目的试验需要，在夏季夜晚系统模拟坦克侧面、正面目标，坦克目标与背景之间的温度差为4K时。并用红外热像仪[6]对模拟目标进行观测，系统所模拟生成的目标图像见图6(a)、(b)；在白天模拟坦克、卡车侧面目标，目标与背景之间的温度差为2K时。并用红外热像仪对模拟目标进行观测，系统模拟生成的目标图像见图6(c)、(d)。

5 结论

仿真系统安置在地势较高的开阔平原地带，可满足今后一段时间内常规武器装备的新一代红外系统的探测与识别距离[7]（最远16km）的试验需要；仿真系统的温度高、范围广，控制范围1～10K，控制精度0.5K，可以满足某些红外系统目标与背景之间小温差（D≤2K）的考核需要；仿真系统靶面材料对1.06mm激光漫反射系数0.2～0.3，可以作为评定激光目标指示器的激光照射精度的标准靶标。

图5 靶元结构示意图

图6 系统在夜晚、白天模拟不同目标红外热图

[1] 张幼文. 红外光学工程[M]. 上海: 上海科学技术出版社.

[2] 苏建志. 指挥自动化系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999: 36-100.

[3] 郑魏婧. 大型红外靶板热辐射控制系统研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2009.

[4] 程显东. 红外目标模拟靶板结构设计[D]. 长春: 长春理工大学, 2010.

[5] 陈武. 高温高发射率红外辐射涂层的制备与研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2008.

[6] 蔡毅, 王岭雪. 红外成像技术中的9个问题[J]. 红外技术, 2013, 35(11): 671-682.

[7] 曲兆俊, 张二磊, 周方方. F35隐身战斗机红外辐射特性建模[J]. 红外技术, 2014, 36(11): 920-925.

Standard Target Simulation System for Infrared Thermal Imager

REN Cheng-cai，LI Pei-jun，CHEN Zhen-xing，QIN Shao-gang，HOU Xi-ping

（,137001,）

Infrared thermal imagers are widely applied in military field. To solve the problem of the scientific assessment on the temperature difference between different types of target or between target and its background environment, the simulation system for standard infrared target is discussed and manufactured. The system can simulate multi-type targets with the characteristics of point target or area target, and it also can satisfy the test demand of the irradiating precision under the way of infrared observation. Our system has many advantages, such as high resolution of target cell, wide range of simulated temperature difference, high precision of temperature control, and flexible obliquity set of targets.

infrared standard target，simulation system，multi-type targets，hot target cell

TN216

A

1001-8891(2015)07-0593-05

2013-08-08；

2015-03-18。

任成才（1974-），男，硕士研究生，主要从事光电装备试验科研工作。

国防基金项目。