车辆红外特征控制系统研究

余慧娟，王丽伟，刘相新，韦学中

车辆红外特征控制系统研究

余慧娟，王丽伟，刘相新，韦学中

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

地面军事车辆有诸多热源，在行驶过程中，车体与不断变化的地物背景热惯量差异悬殊，使得车辆与地物背景红外特征存在较大差异，易被红外成像侦察设备和制导武器识别和跟踪。文中提出了通过红外特征隐身、特征示假和特征变化来破坏红外成像探测，并研究了基于相变温控装置、低发射率光子晶体装置、热源疏导与隔热装置、动态电致变温装置和应急红外对抗装置组成的车辆红外特征控制系统，经样件试验验证了应用效果明显。

红外特征控制；红外对抗；红外特征；隐身；相变温控

0 引言

当前，红外成像侦察系统作用距离长、探测视场广、分辨率高，对地面静止和行驶中的目标反侦察构成严重威胁[1]；红外成像制导武器具有制导范围广、命中精度高、抗干扰能力强和准全天候工作能力，能够在复杂地物背景中准确捕获目标[2]。目标红外特征是红外成像侦察系统和制导武器进行目标发现、识别、锁定和跟踪的主要信息源[3]，有效控制目标红外特征是规避红外成像探测的关键[4-5]。本文以地面军事车辆（导弹发射车、装甲车和坦克等，以下简称车辆）为研究对象，系统研究车辆红外特征控制的需求、原理、技术途径和系统方案，解决车辆难隐蔽和易损性等问题。

1 车辆红外特征控制需求

车辆行驶性能较好地满足了机动作战的需要，但不同地物背景具有较大差异性，使得车辆红外特征控制需求差异大，具体表现在：

1）车辆长时间行驶后车载发动机、车载电源、排气管等热源产生大量热量，各热源点附近结构表面升温产生强的红外辐射，与地物背景（沥青路面、林地等）形成显著的红外辐射对比度，易成为红外成像探测的重要判据。

2）车辆外部结构复杂多样且热惯量差异悬殊，导致车辆各部位表面温度的变化速率不一致；且车辆材料与地物背景的热惯性不同，造成一天之内不同时间段车辆与地物背景辐射温度不一致，车辆与地物背景红外特征存在差异。

3）车辆行驶过程中地物背景时刻变化，传统针对特定环境和地物背景的车辆静态伪装材料或器材无法根据地物背景自适应变化，经过红外伪装隐身设计的车辆在某时刻或某地域反而成为新的显著性红外暴露特征。

车辆红外特征控制是通过抑制、模拟或改变目标在红外波段上的辐射强度，减弱车辆与地物背景红外辐射对比度，隐蔽车辆红外暴露显著性，变化车辆红外图像特征信号，降低车辆被红外成像探测概率。

2 红外特征控制原理

红外成像侦察和制导的作用过程大致分为3个阶段：目标探测和发现——识别和认清——跟踪和定位[6]。目标和地物背景的红外特征经过大气传输媒介后到达成像探测系统；红外成像系统的摄像头摄取目标和地物背景的红外图像并进行预处理，得到数字化图像，经图像处理和图像识别，区分出目标、地物背景信息，识别出要攻击目标并抑制噪声信号；跟踪处理器形成的跟踪窗口的中心按预定的跟踪方式跟踪目标图像，并把误差信号送到摄像头跟踪系统，控制红外摄像头继续瞄准目标，同时向导弹的控制系统发出导引指令信息，控制导弹的飞行姿态，使导弹飞向选定的目标。因此，可通过上述作用过程的薄弱环节对抗红外成像侦察和制导，即红外特征控制原理如下：

1）红外特征隐身

在红外成像系统探测和发现目标阶段，通过控制目标红外辐射强度的下降，使得敌方红外成像传感器接收到的目标特征强度不够，图像信号的信噪比降低，难以在地物背景中检测目标；

红外特征隐身是通过消除和降低目标与地物背景的红外辐射强度对比度，使其低于红外成像检测阈值，从而实现目标图像融合于地物背景杂波之中难以被检测。

2）红外特征示假

在红外成像系统识别和认清目标阶段，通过控制目标红外特征的示假，使得目标红外成像图像信号与其它目标具有相似特征，干扰红外成像系统对某类目标的正确选择；

红外特征示假是通过总体特征模拟、局部特征隐身或细节特征增强，使得其它假目标或军事价值不高的目标红外特征与真目标特征相似，从而干扰敌方对目标正确选择和执行任务。

3）红外特征变换

在红外成像系统跟踪和定位目标阶段，控制目标红外特征的变化，使得目标红外图像瞬时发生较大的变化，导致敌方跟踪和定位点发生较大的偏差，破坏稳定跟踪和攻击；

红外特征变换是通过主动控制和改变目标红外特征分布，实现目标特征的两种或多种应急变化或根据需要不断变换，从而达到破坏红外成像系统精确识别和跟踪定位。

3 车辆红外特征控制系统的实现

3.1 总体思路

车辆外形结构复杂、温度分布不均，因此需要依据车辆结构特点和使用工况进行红外特征控制系统的研究。据调查和测试，车辆典型结构的红外特征分布主要有以下几类：

1）表面红外特征完全受太阳辐射影响的车辆结构，主要包括钢质材料的驾驶室、仪器舱、顶甲、前甲等，简称为Ⅰ类结构；

2）表面大量散热引起的显著红外暴露特征的车辆结构，主要包括暴露在外的排烟管、轮胎、水箱等，简称为Ⅱ类结构；

3）表面红外特征受封闭空间内部热流传导影响的车辆结构，主要包括车载电源舱、空调舱等，简称为Ⅲ类结构；

4）表面红外特征单一需要进行红外特征多样变化的车辆结构，主要包括弹舱、炮筒、驾驶室、舱体等车辆顶面随机结构，简称为Ⅳ类结构。

传统红外特征控制方法包括伪装涂料、降温、遮障等，基本上均是针对特定环境条件精心设计的，普遍存在伪装静态化、环境适应性差等问题。因此需要依据上述车辆结构控制要求，在传统控制方法基础上，延伸和开展新型动态红外控制方法和系统研究，根据各类方法的使用特点确定适用于车辆部位和场合，以达到各类方法相辅相成，组合使用效果最佳，共同形成车辆红外特征控制系统，并从理论分析和样机试验中初步探索系统应用效果。

3.2 Ⅰ类结构红外特征控制系统方案

车辆Ⅰ类结构与地物背景热惯量差异造成的目标白天温度高于地物背景，而夜晚温度低于地物背景，需要实现Ⅰ类结构与地物背景在一个自然天内或不同季节时间段内与地物背景红外特征融合，由此设计了相变温控装置（PCTCD）解决该问题，属于红外特征隐身技术领域。

PCTCD利用相变材料在发生相变时，温度近似不变，却可以吸收和放出大量的相变潜热的机理[7]，因此白天通过相变材料吸收热量来降低车辆表面温度，在晚上通过相变材料释放热量来保持车辆温度，从而控制和平衡车辆目标表面与地物背景昼夜温差。

PCTCD具体应用于Ⅰ类结构时，需要在分析目标与地物背景辐射温差的基础上，对系统的相变潜热、导热系统和相变温度进行优化匹配设计，其中相变材料的相变温度区间选择尤为关键，其上限应与地物背景温度的最高值接近，而相变区间的下限不应低于地物背景温度的最低值。图1为PCTCD应用试验效果示意图，结果表明，目标表面辐射温度与地物背景具有较好融合性。

相变材料设计形式多种多样，包括涂覆型、胶囊型、容器封装型等，PCTCD具体应用于车辆Ⅰ类结构为容器封装型，具有良好稳定性、便于结构封装、导热性优良、易于移动操作等优点。

图1 PCTCD调温效果图

3.3 Ⅱ类结构红外特征控制系统方案

车辆Ⅱ类结构在长时间行驶后产生大量热量引起目标表面迅速升温，使之成为车辆上典型高温辐射热源，无法通过单纯的降温消除红外暴露特征，需要抑制Ⅱ类结构在红外大气窗口（3～5mm和8～14mm）的红外辐射强度，由此设计了低发射率光子晶体装置（LEPCD）解决解决该问题，属于红外特征隐身技术领域。

LEPCD由两种或两种以上不同介电常数的材料呈周期性重复排列，排列周期为光波波长数量级，具有光子能带和光子带隙，可以抑制光波在其中传播，从而降低目标在红外波段的辐射[8]。光子晶体系统在未明显改变目标表面实际温度的基础上大幅度降低目标表面红外辐射强度，使得目标与地物背景红外辐射对比度下降。

LEPCD具体应用于Ⅱ类结构时，需要在分析目标与地物背景辐射温差的基础上，得到目标表面发射率指标要求，对系统中光子晶体的带隙与晶格结构、晶格尺寸、填充率和组成材料的折射率比等进行优化匹配设计。图2为LEPCD应用试验效果示意图，结果表明，目标表面红外辐射强度得到明显抑制。

光子晶体制备方法为真空热蒸镀，LEPCD具体应用于车辆Ⅱ类结构为粘贴于目标外表面的薄膜材料，应用过程中需要重点解决系统表面清洁问题，否则将影响低发射率性能的发挥。

图2 LEPCD抑制红外辐射强度效果图

3.4 Ⅲ类结构红外特征控制系统方案

车辆Ⅲ类结构具有功率大、散热量高和封闭空间等特点，结构表面常设计有栅格排导热量，受其影响周围结构表面辐射温度高于地物背景，栅格排热结构无法应用LEPCD，由此设计了热源疏导与隔热装置（HEID）解决该问题，属于红外特征隐身技术领域。

HEID具体应用于Ⅲ类结构时，需要在保持车辆舱体功能、位置和整体框架结构基本不变的情况下，通过速度场、压力场和温度场的优化设计，舱内气流的分区域、分层次的有效组织，促进舱内热量的有效排导；同时利用多层隔热材料（聚酯薄膜镀金属薄层、玻璃纤维等）的许多高反射率的屏面的层层反射，对辐射热流造成很高的热阻，从而阻隔大量的热传至车体表面，全面降低舱体红外特征信号。图3为HEID应用试验效果示意图，结果表明，装置能够有效抑制内部热量向结构表面传导，从而初步抑制目标红外辐射强度。

HEID应用于车辆内部结构，需要与其它功能结构进行一体化设计，同时更要结合PCTCD的应用，来实现目标与地物背景的红外特征融合。

3.5 Ⅳ类结构红外特征控制系统方案

车辆Ⅳ类结构在红外图像中占据较大面积，且红外特征单一，无法根据应急需要瞬时调整目标红外图像特征，需要实现Ⅳ类结构表面的温度瞬时变换，由此设计了动态电致变温装置（DEVTD）解决该问题，属于红外特征变换技术领域。

图3 HEID控制热量效果图

DEVTD利用半导体帕尔贴效应[9]，通过向两种不同导体（N型元件和P型元件）组成的环路通以直流电流时，在接点处会出现放热（目标表面温度升高）和吸热（目标表面温度降低）现象，放热和吸热工况取决于工作电流方向，而温度变化幅值则取决于通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。

DEVTD具体应用于Ⅳ类结构时，由威胁告警模块、目标和地物背景辐射温度动态采集模块、数据处理与控制模块、半导体调温模块组成。通过动态获取威胁告警信息和温度调节信息，并将获取的信息传送给数据处理与控制模块，其按照一定的控制策略驱动半导体调温模块调节目标表面温度高低，目前可在Ⅳ类结构基础温度上升温20℃、降温10℃。图4为DEVTD应用试验效果示意图，结果表明，目标表面辐射温度可按一定策略任意调高调低，甚至与地物背景红外特征融合。

DEVTD作为独立器件直接组装于车辆Ⅳ类结构表面，可根据需要进行拆装，具有连续工作时可靠性高、调节相应时间短、结构尺寸可调节等优点。应用该系统的结构表面无需再次设计PCTCD，仅需启动目标和地物背景辐射温度动态采集模块，动态获取目标表面和地物背景辐射温度差值并驱动半导体调温模块加热或制冷，直至目标表面和地物背景辐射温度相同即可。

图4 DEVTD变温效果图

3.6 整车外加式红外特征控制系统方案

为实现车辆能够根据来袭威胁预警信息或实际作战需要迅速从一种红外特征状态变换到另外一种或几种红外特征状态，从而造成红外图像信号发射较大变化影响敌方继续跟踪，由此设计了整车外加式的应急红外对抗装置（EICD）解决该问题，属于红外特征变换技术领域。

EICD由伪装遮障释放装置和烟幕释放装置组成。伪装遮障释放装置由具有红外图像分割效果的多块复合材料“布料”组成，平时以卷曲的形式由顶端磁石固定于车体，启动后车体侧面遮障利用重力作用直接展开，伪装遮障下端安装磁石，可以使其展开后固定在车体侧面，在几秒钟之内完全遮蔽目标，应用效果示意图如图5所示。烟幕释放装置由具有的红外衰减特性的固体红外干扰粉末烟剂组成，通过发射器瞬时在车辆外形成大面积的中/远红外遮蔽烟幕，大幅度改变目标红外特征，应用效果示意图如图6所示。

EICD方案适用于车辆外部，作为单独器件与车辆功能结构进行一体化设计。其中烟幕释放装置的应用效果首先与车辆行驶风速或者自然环境风速影响。

图5 伪装遮障释放装置应用效果示意图

图6 烟幕释放装置应用效果示意图

4 结论

从红外成像探测过程中的薄弱环节及目标红外特征控制的原理来说，文中提出的基于红外特征隐身、特征示假和特征变化的设计思想具有很强的指导意义，较好地解决了传统静态伪装材料和器材无法根据地物背景自适应或应急变化车辆红外特征的问题，将能有效对抗红外成像侦察系统和制导武器。从车辆红外特征控制效果上看，根据车体红外暴露特征分布及各技术方案特点设计完成的车辆红外特征控制系统具有实际应用价值，区别于以往研究论文重点阐述技术原理和特点，从系统工程角度论证并形成了基于车辆的系统方案。结合具体目标实际工况和应用特点，该系统方案还可应用于其它地面固定和机动军事装备中，能极大提高装备反红外成像探测的能力。

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Research on Infrared Signature Control System for Vehicle

YU Hui-juan，WANG Li-wei，LIU Xiang-xin，WEI Xue-zhong

(,100076,)

By reason of the surface high temperature and thermal inertia disparity between the vehicle body and the ground background in the process of maneuvering of military ground vehicle, the infrared signature of vehicle couldn't blend with the ground background, and is easily identified and tracked by infrared imaging reconnaissance equipment and guided weapons. The vehicle infrared signature control technology including infrared signature stealth, infrared signature decoy and infrared signature change to disrupt and damage the infrared imaging detection was presented. The vehicle infrared signature control system based on the phase change temperature control device (PCTCD), low emissivity photonic crystal device (LEPCD), heat exhaust and insulation device (HEID), dynamic electrochromic variable temperature device (DEVTD) and emergency infrared countermeasure device (EICD) was study. The prototype experimental results show that the system application effect is obvious.

infrared signature control，infrared warfare，infrared signature，stealth，phase change temperature control

TN219

A

1001-8891(2015)07-0608-05

2015-03-31；

2015-06-09。

余慧娟（1985-），女，江西人，工程师，硕士，主要从事目标特性研究。E-mail：yuhuijuan15@163.com。