红外成像水面靶标的设计与实现

阎肖鹏,乔　轶

(解放军91550部队93分队，辽宁大连　116023)



红外成像水面靶标的设计与实现

阎肖鹏,乔轶

(解放军91550部队93分队，辽宁大连116023)

水面靶标为反舰武器海上飞行试验提供水面模拟舰船目标。介绍了红外成像靶的功能和技术指标,详细给出了舰船红外成像模拟实现的总体设计方案、硬件和软件实现方式。海上测试结果表明,这种靶标能够较好地实现舰船红外热像模拟,在海上试验的实际应用中取得了预期效果。

水面靶标;舰船红外成像;目标特性;模拟

水面靶标是为海上反舰武器飞行试验提供水面模拟舰船目标[1]。红外成像制导[2]是目前反舰导弹的主要制导方式之一,具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高、结构紧凑等优点,红外成像水面靶标用来模拟真实水面作战舰艇的红外辐射特性,为搭载红外成像导引头的反舰导弹海上飞行试验提供目标模拟,考核其搜索、跟踪与攻击性能。模拟水面舰艇目标的辐射温度、目标和背景的辐射温差,完成目标的形状和大小等参数的设定和控制,是红外成像水面靶标的设计关键。

1　水面舰艇红外辐射特性与模拟需求

水面舰艇在海上航行时,其动力部分和烟囱等发热部位不断地进行红外辐射[3],同时接收来自背景的各种辐射:海面自身的热辐射、海面反射太阳辐射以及海面反射天空大气辐射。随着季节、太阳天顶角、光照条件的不同,舰船的红外辐射特性也会产生不同的变化[4]。

根据对舰艇与海面背景的红外特性测量研究结果,统计实际舰艇与海面的红外辐射温差为:烟囱外壁与海面平均辐射温差为10℃～15℃;动力舱外壁与海面平均辐射温差为6℃～8℃;船舷与甲板与海面平均辐射温差为2℃～4℃。

红外制导实际上是利用弹上的红外探测器,捕获和跟踪水面舰船目标自身辐射的红外能量来实现寻的制导,红外导引系统正常工作应具备以下三个条件:一是到达红外探测器的红外辐射足够强,即入射的辐射波长与探测器的工作波长相匹配,入射的辐射能量足够多;二是目标和背景之间有一定的辐射对比度;三是目标必须具备足够的尺寸和形状。

2　红外成像靶技术实现

2.1舰船红外辐射模拟原则

水面靶标红外成像模拟的实质是通过对表面发射率及表面温度的控制,将靶标红外辐射特性控制在所需范围之内。物体的红外表面发射率与表面结构和材料密切相关,当表面材料及结构确定时,其表面辐射特性只由温度决定[5]。

红外成像靶用来模拟典型驱护舰的红外辐射特性,考虑到实际作战舰艇主体尺寸一般比较大,从靶标实现的性价比考虑,不可能也没必要全尺寸地对所有部位进行模拟,一般对重要部位或对红外辐射贡献比较大的部位进行模拟。同时,采用缩比的方法,以降低红外成像靶的研制难度、建造成本,以及提高海上使用的便捷和安全。

为了模拟不同舰艇,红外成像靶的设计一般要求辐射面积和形状可根据需求,进行相应调整变化,以完成不同水面舰艇热像模拟,因此红外模拟部分采用模块化组合。通过对不同舰艇的研究,获得不同舰艇的红外辐射源红外辐射面积为:大面积为700m2、中等面积为500m2～600m2、小面积为300m2～400m2。在具体技术手段实现上可利用多组基本红外模块,构成不同的红外辐射特性模拟组合,从而得到不同水面舰艇的红外辐射特性模拟。

水面靶标红外辐射特性模拟的设计主要完成内容包括三个方面:一是完成舰艇形状大小,即辐射面积的模拟;二是完成舰艇辐射亮度,即辐射温度的模拟;三是完成舰艇与海面的辐射温差的模拟。

2.2红外成像靶功能与技术指标

模拟目标类型:典型驱护舰;

模拟内容:模拟典型舰艇的主要辐射源面积和辐射温度分布等红外特性;

平均辐射温差:靶标主要辐射源与海面平均辐射温差,Ti=2K～18K;

模拟舷角范围:要求模拟0°、正横±45°舷角范围内目标舰艇的主要红外特性(辐射温度和辐射面积);

典型目标等效辐射面积模拟近似度:≥0.85;

靶标从开始加温到温度稳定时间:≤30min。

具体功能:模拟典型驱护舰基本外形与红外辐射温度分布特性;手动/遥控完成红外辐射单元的开关机及温度、工作状态等技术参数检测、显示和记录;具有拼装、组合和调整红外辐射模块位置和尺寸;可对目标红外特性分析评估,根据试验要求完成不同目标的红外特性分析,生成靶标红外辐射单元配置方案;完成对比误差分析与模拟近似度分析。

2.3红外成像靶总体设计

如图1所示,红外成像靶主要由红外辐射单元、测温控温模块、气象站以及船体、控制分系统、定向侧推装置和船体航向测量等组成。由于靶标工作时无人值守,控制分系统完成系统各部分的控制,而其指令的发出实际上由位于陆地的遥控地面站通过遥控实现。

测温控温模块主要由加热、温度测量与控制以及电源等部分组成;由于舰船的红外辐射特性与周围的环境密切相关,气象站可提供试验海域的风向、风速、大气温度、湿度和海水温度等气象参数;红外成像靶使用时,要求船体的艏艉线角度与反舰导弹攻击方向在一定的角度范围内,定向侧推装置的作用是将船体的航向保持在一定的范围内。

地面站的遥控操作人员,根据预定的试验方案、海上的实时气象参数与预模拟的海上典型目标,由舰船红外特性分析评估软件,确定红外靶上各部分加热模块的加热温度,通过遥控计算机发出遥控指令。红外特性分析评估软件[6]由典型目标红外辐射特性数据库、靶标设计方案库及红外特性分析处理模块等组成。

红外辐射单元的种类、加热控制手段和在船体上的安装组合是红外成像靶的关键实现技术。根据模拟舰艇部位的不同,红外辐射单元包括加热辐射单元和非加热辐射单元两部分。

1) 加热辐射单元

靶标上的加热辐射单元模拟舰船的烟囱、动力舱外壁,加热辐射单元由多块温度可控的加热辐射模块拼装而成。红外加热辐射单元采用“反射加隔热”的加热技术,加热辐射单元为封闭的金属外壳,内有玻纤硅橡胶加热片、铝箔反射膜、橡塑聚酯膜作为隔热绝缘材料。

红外加热辐射单元的拼接处于垂直于海面的平面上,而在实际舰船上是三维立体分布,在阳光的照射下,由于遮挡和表面法线与入射太阳光线的夹角不同,形成明暗不同的红外分布特征。这些细节用一个平面组合表现十分困难,技术上也难以实现。红外成像靶是将真实舰船的关键部位的红外分布特性进行抽象简化,实现目标舰的红外特性模拟,这些特性已能够满足目前红外制导武器系统海上跟踪要求。

2)非加热辐射单元

非加热辐射单元模拟舰船的部位为舰桥、船舷。非加热辐射单元采用涂漆方式实现。理论和实验表明,漆层的表面颜色决定其吸收率和发射率,在阳光照射条件下可形成不同的表面辐射温度。利用这一原理对舰桥、船舷表面采用不同发射率的涂漆,靠阳光照射和不同时间环境温度变化的影响形成具有温度梯度的温度分布特性,构成局部的红外辐射分布特征,达到与海水辐射温差值。

3)红外辐射单元安装固定

加热和非加热两种单元结构的安装尺寸完全相同,便于安装固定和不同位置的互换。通过红外辐射单元的拼接和组装,完成模拟典型舰船烟囱外壁、动力舱外壁、舰桥和船舷等相应单元的尺寸和位置。

通过红外特性分析软件,根据典型舰艇的拼接方案库得到红外辐射单元安装位置和温度控制范围。按照红外特性分析软件提供的拼接方案完成靶船红外辐射单元的整体拼接。整个拼接过程在码头完成,局部单元调整可依靠手工完成。单元调整时吊装方法如图2所示,吊装架为轻型钢支架,利用滑轮和绳索,进行吊装。

2.4测温控温模块

红外成像靶上的控温模块多达几十个,从加电到满足温度要求时间一般小于30分钟,采用PWM输出接口,实现PID温度控制。温控算法采用脉宽调制法进行,当每个独立加电单元的温度值低于目标温度值时,根据实测温度值与目标温度值之间的差值大小,进行频率相同但占空比不同的脉冲加热方式,频率设计为5Hz,占空比为1%～100%。测温模块为非控温只测量的点。控温模块和测温模块可进行硬件扩展。红外成像靶的红外模拟面积一般为几百平方米,因此各温度区域需要分散测量控制。温度传感器选用铂电阻pt100,优点是性能稳定、线性好、精度高。

靶标上通信模块包括两部分:数传电台完成与遥控地面站的通信;电力载波通信接口,实现靶标上各加热模块与中心控制计算机之间的通讯。

由于采集的温度点多且分散,将采集的温度点分组,利用CAN总线连接,控制器与总线之间通过总线驱动器实现。每个加热单元配备一个温度控制器。各个温控节点接收控制计算机发送的温度目标值,然后控制固态继电器通断,使加热单元温度稳定在目标值上,温差控制在0.5℃以内,脉宽调制加热由TMS320F2812的PWM输出实现[7]。加热区域为烟囱和动力舱共90m2,每个加热单元尺寸为1.5m×1.5m,共40个。对于非温控单元,每个节点采集8路温度传感器信号,非温控的温度传感器共36个,设置5个节点控制器采集温度。另设置一个中心节点控制器向数传电台转发温度、采集气象数据以及太阳辐照数据。

2.5红外特性分析评估软件

红外特性分析软件的主要功能包括:典型目标结构分析;典型目标主要辐射源特性和主要辐射源组合特性分析计算;红外成像靶模拟组合特性分析计算;对比误差分析与模拟近似度分析计算。红外特性分析软件由典型目标红外辐射特性数据库、靶标设计方案库及红外特性分析处理模块等组成。红外特性分析评估软件各部分关系如图3所示。

图3　红外特性分析评估软件各部分关系图

1) 靶标设计方案库

靶标设计方案库存储模拟典型舰船目标的几何模型、在不同观测方向上的投影图像以及投影面积等信息,同时存储红外成像靶模拟此典型目标的红外辐射单元安装设置方案。靶标设计方案库的技术要求包括典型目标、典型水平观测方向(0°,±10°,±20°,±30°,±40°,±45°)和辐射面积模拟近似度(≥0.85)。由于船体形状固定,只有红外辐射面板的数量和位置可变,一旦确立红外辐射单元的数量、类型、安装位置和几何形状,红外成像靶的几何形状就可确定。

2) 红外特性分析处理模块

目标特性分析处理模块完成靶标的几何构型[8]、红外模型运算以及红外特性显示[9]。

靶标的几何构型生成包括以下功能:根据典型目标舰艇在给定方向上对辐射面积的要求,设置红外辐射单元的位置和需要的基本辐射源模块数量;从靶标设计方案库中载入已有典型靶船几何构型;存储新生成的靶船几何构型配置方案。

红外模型运算的功能是调用典型目标红外辐射特性数据库,基于典型目标烟囱、动力舱外壁、舰桥、舰舷等的温度与海面温度,以及目前海面气象参数,计算提供靶标与海面的红外特性、以及靶船与海面的红外辐射温差。由两个部分组成:靶船目标红外特性计算和海面辐射特性分析。

红外特性显示模块调用红外模型运算子模块计算出靶船及海面的红外特性,以红外成像方式显示靶船的红外成像,以及靶船与海面的红外辐射温差。

3　红外成像靶海上测试

实际上经常采用的舰艇红外辐射特性测量可利用红外成像仪、激光测距仪(如距离远可采用两端GPS定位获取测量距离)和气象计等设备来进行。待测目标舰进行机动,使船体在预定距离的不同方位对准红外成像仪,从而获得不同距离、方位的舰艇红外辐射图像。同时利用气象计进行环境辐照气象测量,测量记录试验海区的温度、湿度、气压值,风速。

红外靶各部位分别布有多个温度传感器,测量温度Ti,并且有该部件的外形尺寸,以及对应的表面材料发射率ε,同时可测得对应波段的天空辐照度Lb,得到在观测方向上靶船对应部位的辐亮度L,并可计算得到其对应的辐射温度Tb。红外成像靶的海上实际测试结果如图4所示。

利用红外热像仪定量分析处理软件对红外成像靶各辐射源和全船、对比典型目标舰艇的的强辐射源和全船以及海面背景红外辐射特性进行分析处理[9]。为检验理论模型的计算精度,将理论模型计算结果与热像仪测量的实际辐射温度进行比较,对比分析理论模拟目标红外热像的近似度。靶船模拟近似度评价包含几何外形以及辐射面积两个方面。理论建模计算红外成像靶以及海面的辐射温度,存在较多误差因素,加之理论建模的简化,理论模型计算结果与实际测量图像存在一定误差,主要来源于以下几个方面:

1)发射率的精确度[10]。靶标表面材料的发射率通过测量获得,发射率测量在长波波段误差在±0.05以内;

海面发射率通过理论计算获得,也存在一定的误差;

2)靶船和海面的测量温度。靶船和海面的辐射温度基于测量温度数据,此误差直接影响最终计算的辐射温度,并且对最终辐射温度的影响较大。

3)背景辐照度的测量误差。辐射温度的计算中需要用到辐照计测量的在7.7μm～9.5μm的红外辐照度Lb,该部分测量误差也会反映到辐射温度的理论计算中。

4　结束语

在总结分析反舰导弹红外导引头对海上舰船热像要求的前提下,提出水面靶标红外辐射特性模拟原则,给出红外成像靶的系统功能组成和实现原理,利用加热单元与非加热单元组合的技术手段完成舰船红外辐射特性的模拟。此红外成像靶标通过海上实际测试验证,已在反舰武器海上飞行试验中多次成功使用,达到了预期目的。

[1]王文斌. 海军装备试验靶标技术[M]. 北京:国防工业出版社,2007.

[2]何启予.飞航导弹红外成像导引头[M]. 北京:宇航出版社,1995.

[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.

[4]李刘苗.海天背景目标红外辐射特性研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[5]徐淦卿.红外物理与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1989.

[6]马艳,田宇. 红外仿真中舰船辐射模型建模方法[J]. 战术导弹技术,2013(3):67-70.

[7]吴春光,王爱民.红外面目标模拟器温度控制技术的研究[J].长春理工大学学报,2010,33(4): 74-76.

[8]杨宝成,沈国土.海面目标热像理论模拟中的几何构型问题[J].华东师范大学学报,2001(3):34-36.

[9]G.Gerhart,G.Martin,T.Gonda.Thermal image modeling[J]. SPIE infrared Sebsors and Sensor Fusion.1987,vol.782:3-9.

[10]Harrison D.C. Infrared System Engineering[M]. John Wiley & Sons,INC,1996.

Design and Realization of a Infrared Imaging Target Ship

YAN Xiao-peng, QIAO Yi

(Element 93 of Unit 91550 of PLA, Dalian 116023,China)

A target ship provides the simulating naval surface target in a anti-ship weapon launching test at sea. The functionality and technical parameters of the infrared imaging target is introduced,and the overall project design,the realization method of hardware and software are given in details.The experimental result shows that the infrared imaging target ship not only can simulate infrared image of sea warship,but also works well at sea engineering environment.

target ship;ship infrared image; target characteristics; simulation

1673-3819(2016)04-0119-04

2016-05-22

2016-06-13

阎肖鹏(1973-),男,吉林德惠人,硕士,高级工程师,研究方向为靶场测控技术。

乔轶(1986-),女,工程师。

TJ760.6

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.024