面源红外诱饵辐射强度测试方法及误差分析*

刘　颖　王明波

(1.91404部队93分队　秦皇岛　066001)(2.92493部队98分队　葫芦岛　125000)



面源红外诱饵辐射强度测试方法及误差分析*

刘颖1王明波2

(1.91404部队93分队秦皇岛066001)(2.92493部队98分队葫芦岛125000)

红外诱饵辐射强度是决定面源红外干扰弹作战使用的关键指标,用红外热像仪可实现对面源红外诱饵辐射强度的测试。论文重点对面源红外诱饵辐射强度的测试方法、数据处理方法及影响测量的误差因素进行了研究。采用简易装置进行了试验验证,试验结果表明论文提出的测试方法和计算方法提高了面源红外诱饵辐射强度计算精度。

面源红外诱饵; 辐射强度; 误差分析; 影响因素

Class NumberTN219

1　引言

本文研究的重点是面源红外诱饵辐射强度的测试方法和计算方法。目标的辐射强度测量计算的准确性与等效黑体辐射温度、大气透过率、路程的辐射、背景的辐射、目标的反射、测量距离、目标张角、测量设备参数等相关。用双波段红外热像仪可实现对面源红外诱饵辐射强度的测试,依据目标成像大小与一个像素大小比较而言确定目标为点目标、小目标还是面目标的。面源红外诱饵在形成初期到辐射最强时刻是结构复杂、材料和表面不同的较大的连续的面目标,而到燃烧中后期往往会形成不连续的面目标,此时辐射强度仍然很大,仍然是有效辐射期,因此,测试距离如何确定,如何合理地布站,如何进行辐射强度计算是关键问题。本文通过对连续面目标和不连续面目标采用区域划分的计算方法有效地测量和计算了面源红外诱饵的辐射强度。

2　测量方法

红外热像仪测量的是目标表观温度分布特性,不能直接测量得出目标的等效黑体辐射温度、目标的真实温度、目标的红外辐射亮度和红外辐射强度等分布特性。其测量原理是利用热像仪测量目标表观温度相对分布的功能推导目标辐射亮度和辐射强度等特性[1,4],推导计算所需要测量参数及相互关系如图1所示。

图1　热像仪测量计算红外辐射特性原理示意图

3　测试方法

3.1红外热像仪的标定[2,4]

测试前,要对热像仪进行标定,本文采用高温面源黑体覆盖测量系统入瞳的方法进行辐射标定。标定方法如下:

1) 调整热像仪的位置使面源黑体位于热像仪镜头前10cm处,并且保证黑体标准装置的辐射出射中心位于热像仪的视场中心。

2) 热像仪开机,调整焦距使黑体在热像仪中清晰成像,并进行非均匀性校正。热像仪开机预热1小时,待热像仪稳定后进行下一步工作。

3) 设定黑体温度,当显示板上温度显示稳定后。热像仪选用相应的标准积分时间,以25帧/秒的速度采集图像,共记录30s。

4) 选取图像中黑体区域,记录本次标定结果。

5) 检测完一点后黑体升温,需要注意此时移开被测设备接收头,以防辐射持续使设备接收头升温,从而影响标定结果。当新设定的黑体温度稳定后,重复步骤3)、4)。随后重复上述过程。

图2　面源黑体标定图

3.2测量距离的确定

测量距离一般要根据热像仪的测量视场、镜头的调焦距离、红外面源弹的面积来确定。面源弹既不能超出视场,也不能在视场中的占的比例太小,一般充满2/3视场较为理想。如果目标超出测量视场,设备将不能全部接收到其在测量方向上的全部红外辐射,造成测量值偏小。如果目标在测量视场中所占比例太小,设备在测量方向上接收到的红外辐射就包含了大部分目标以外的背景的辐射,也将引起测量误差。表1计算了不同尺寸目标在不同距离上对探测系统所张角度。

表1　不同尺寸目标在不同距离上对探测系统所张角度

3.3测试步骤

测试布站如图3所示,测试步骤如下:

1) 将标定好的红外热像仪架设在测量地点,将测量视场瞄准预定位置,进入待测试状态。

2) 听令燃放面源弹红外诱饵,同时红外热像仪实时跟踪并测量面源红外诱饵燃烧时的辐射特性,持续测量至燃放结束。

3) 激光测距设备实时测量红外热像仪到面源红外诱饵的距离。

4) 用摄像机实时记录面源红外诱饵的形成情况。

5) 事后根据数据处理方法计算面源弹的辐射强度。

图3　辐射强度测试示意图

3.4数据处理方法[1,4,7]

红外凝视型焦平面热像仪,采用红外面阵探测器。依据目标成像大小与一个像素大小比较而言确定目标为点目标、小目标还是面目标的。点目标可能在热像仪一个探测像素上成像,也可能在四个像素中间使四个像素都成像。面目标在多个探测像素上成像,形成一个区域,在区域内的探测像素上是满视场的面目标成像、在区域边缘的情况就比较复杂。在实际辐射量计算时,要以实际目标结构与状态(近距离观测或远距离电视同向同步观测)为参考进行区域划分和边界像素处理。

面目标表面辐射量分布的计算首先要划分出计算区域来。区域划分要考虑到像素点的电平值大小、实际目标的结构、形状和大小、材料一致性和表面粗糙度均匀性等因素。区域划分直接关系到辐射量计算的精度性。对于结构复杂、材料和表面不同的较大的连续的面目标,可采用选择一个固定大小的区域,将区域在目标成像像素面内沿一定方向逐像素点移动的方法积分计算区域内的辐射量,然后平均作为区域中间像素点的辐射量,通过移动积分平均的方法,最终给出像面内所有像素点的辐射量分布。对像面边界视不同情况采用逐像素点处理的办法计算辐射量分布。对于不连续的面目标,还需要参考实际目标结构进行间断点逐点分析,修正上述积分结果。为减小计算量,提高计算速度,应首先对获取的目标图像进行预先处理,去除背景区域,然后进行计算。

1) 目标表观辐射亮度计算公式

(1)

2) 面目标和点目标辐射亮度计算公式:

(2)

(3)

式中:L为目标辐射亮度,单位W/sr·m2；τair为大气透过率；Lp为目标表观辐射亮度,单位W/sr·m2；Lair为大气程辐射亮度,单位W/sr·m2；LBp为背景表观辐射亮度,单位W/sr·m2；N为目标区域内的像素数；R为目标距离,单位m；θH探测器水平方向的瞬时视场,单位rad；θV探测器垂直方向的瞬时视场,单位rad；Sreal目标在探测器方向的投影面积,单位m2。

3) 等效黑体辐射温度计算公式

目标的等效黑体辐射温度分布是根据目标的辐射亮度分布推算出来的。首先设定目标像素点等效黑体辐射温度的上限和下限(T上和T下),按式(15)计算目标的辐射亮度L上和L下,然后与目标的辐射亮度L进行比较。当L上小于L时将T上增大2倍；当L下大于L时将T下减少一半,直到L上>L>L下时为止。此时找出了等效黑体温度的上限和下限。然后根据给定的精度要求折半计算等效黑体温度。取T中=(T上+T下)/2,根据T中按式(4)计算目标的辐射亮度L中并与L进行比较,当大于目标的辐射亮度时让T下=T中。重复上述过程直到满足指定计算精度为止。

(4)

4) 目标辐射强度计算公式

I=L×Sreal

(5)

式中:I为目标的辐射强度,单位W/sr。

4　试验及结果分析

为了验证测试方法的可行性,采用简易装置模拟面源诱饵进行了试验。测试布站如图4所示。模拟面源诱饵的面积150m2左右,依据表1的计算结果,将中长波两台热像仪分别布设于距离模拟面源诱饵装置5km的位置,测试面源红外诱饵起爆燃烧过程中,光谱辐射特性及温度特性,并求出燃烧过程中3μm～5μm、8μm～14μm积分辐射强度值、积分时域分布。

图4　红外辐射强度测试布站图

4.1系统参数设置

系统参数设置如表2所示。

表2　热像仪参数设置

4.2测试结果及分析

模拟红外面源诱饵的红外辐射强度在3μm～5μm大于1500W/sr,8μm～14μm大于1000W/sr并持续20秒以上。依据大量外场实际测量经验数据,舰船表面蒙皮平均温度与周围环境温差大于5℃。假设海平面温度为25℃时,舰船蒙皮温度为30℃,可得出舰船的红外辐射特性数据如表3所示。由此,红外诱饵的辐射强度如果远远大于被保护目标舰的红外辐射强度,那么,当施放面源红外诱饵时,由于其红外辐射能量很大,成像制导系统跟踪舰船和面源红外假目标的能量中心,随着依次布放的面源红外假目标逐渐远离舰船时,最终跟踪面源红外假目标中心,形成有效干扰。

表3　舰船目标红外辐射强度

此外,面源红外诱饵是利用火药燃烧形成的火焰产生很强的辐射。通过本文的测量与分析,得到火焰最高温度在600K～1500K之间。火焰辐射来自火焰中的高温颗粒和燃烧产生的热气体,如果诱饵的红外光谱与被保护目标的红外能量分布相近,则施放面源红外诱饵时,可对成像制导系统的跟踪波门进行干扰,使得跟踪波门随面源红外诱饵运动,并不断扩大,远离目标,直至最后向全视场开放,使跟踪系统重新进行搜索,对目标进行捕获。

5　误差分析

5.1测量误差

1) 测量距离[3]

一般根据红外热像仪测量视场、动态范围和红外烟云面积、红外辐射强度估计值确定测量距离。火焰既不能超出设备测量视场,也不能在测量视场中所占比例太小。如果烟云面积超出设备测量视场,设备将不能全部接收面源红外干扰弹在测量方向上的红外辐射,造成测量值偏小；如果烟云所占测量视场比例太小,设备接收的背景辐射将增多,也将引起测量误差。

2) 风向风速

红外烟云诱饵燃烧时,伴随火焰有大量黑烟产生。如果黑烟遮挡了测量光路,将严重影响测量的准确性,因此设备不能逆风布设。风速大小直接影响着红外烟云的漂移与扩散速度,如果风速太大,红外烟云将会瞬间飘离测量视场,使测量数据的有效性和准确性受到影响,因此试验测量时一般要求的风速条件是不超过3m/s。

3) 测量通视性和背景

布站时设备与面源红外弹之间通视性要好,要求背景单一,热辐射低。必须避免阳光直射设备接收系统,最好选择天空为背景,以便降低背景噪声干扰。

4) 大气红外透过率[5]

由于影响大气透过率的因素很多(如大气温度、气压、相对湿度、经纬度、测量设备仰角等),很难准确测量和计算大气透过率的绝对值。在一定的试验条件下,我们采取记录试验的外围条件,即影响大气透过率的相关因素,事后对试验测量数据进行软件修正。

由以上分析可知,测量红外辐射强度时,要选择合适的测量距离,使测得的信号既不饱和又有较高的幅值；并保持红外烟云既不超出测量视场又占有较大的测量视场空间；还要根据风向风速选择合适的测量光路和气象条件,降低大气透过率的影响。

5.2数据处理过程中产生的误差[6,8]

进行红外辐射特性测量时,测量误差外,在数据处理过程中,还会因系统的标定精度及人为地划定目标区域等因素造成一定的误差。这里,仅就数据处理中的误差作一粗略讨论。

在计算目标强度时所产生的误差由下式决定:

(6)

式中,第一项为系统的标定误差,它取决对于黑体的控温精度,其值小于4%,第二项为取样区域的平均电平值的相对误差,其值约为1%,第三项为几何测量误差,该项是在进行数据处理时,划定目标区域面积大小的误差而带来的误差,其值约为0.5%。因此,由于数据处理而造成的总误差约为5.5%。

6　结语

本文研究了面源红外诱饵强度的测试方法、数据处理方法,并对影响测量的误差因素进行了分析。并采用简易模拟装置对测试方法进行了试验,试验结果表明,该测试方法能够较准确地测量和计算面源红外诱饵的辐射强度,对开展红外诱饵辐射特性测试具有较实用的参考价值。但是对于以下几个问题还需要进一步深入研究:

1) 复杂背景下目标的跟踪

对背景复杂的红外面源诱饵的辐射测量特性测量研究。

2) 典型情况分析

本文中的试验仅采用模拟装置,弹药成分、发射手段、烟云的实际干扰面积等均未在研究范围,对于一些没有考虑到的情况,测试效果未知。

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Measurement Method and Error Analysis on Flare Radiant Intensity of Surface-type IR Decoy

LIU Ying1WANG Mingbo2

(1. Unit 93, No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066001) (2. Unit 98, No. 92493 Troops of PLA, Huludao125000)

Rdiation intensity of IR decoy is a key factor to determine the operation performance of a surface-type infrared jamming bomb. Flare radiant intensity of surface-type IR decoy can be measured by infrared thermograph. The emphasis discussed in paper is about measurement method on flare radiant intensity of surface-type IR decoy and data processing method. The factors which can affect the IR decoy flare radiant intensity are discussed at the same time. Simple device is used to experience and the result shows that this method can solve the problem of surface-type IR decoy and enhance the algorithm precision of IR decoy flare radiant.

surface-type IR decoy, IR radiant intensity, error analysis, affected factors

2016年4月19日,

2016年5月27日

刘颖,女,硕士研究生,工程师,研究方向：电子对抗技术。王明波,男,工程师,研究方向：电子对抗总体技术。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.013