远程迎头探测飞机目标的红外辐射特性研究

康丽珠，赵劲松，周 倩，倪 凯，唐 晗，赵 强，陶 亮



远程迎头探测飞机目标的红外辐射特性研究

康丽珠1，赵劲松1，周 倩2，倪 凯2，唐 晗1，赵 强1，陶 亮1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

研究了远程迎头探测飞机目标的红外辐射特性。分别介绍了飞机迎头的主要红外辐射源，飞机红外辐射特性的计算流程，以及红外光电系统入瞳接收到的蒙皮红外辐射能通量的计算模型，最后对远程探测水平路径大气透过率和飞机目标红外辐射强度进行仿真计算。

红外辐射特性；飞机目标；红外辐射强度

0 引言

随着隐身战机在现代战场上的广泛应用，特别是F-22隐身战机的出现，给现代雷达系统带来了巨大的挑战，红外光电系统能显著弥补雷达对隐身空中目标探测能力的不足，因而远程探测红外光电系统的研制恰逢其时[1-4]。在此背景下，国内外持续20多年对飞机的红外辐射特性进行研究，为红外光电系统的设计与评价提供理论依据，对于远程探测和预警敌方战机具有重要的现实意义。

但是，红外隐身技术的发展使飞机的红外辐射特性呈现显著减小的趋势，极大地增大了红外探测的困难。与此形成鲜明对比的是，飞机超音速飞行时，尾焰、尾喷管和蒙皮均会产生较大的红外辐射强度[5]。根据参考文献[6]中图9分析，F-22在左右机动、俯冲、拉升、翻滚时的红外辐射特征都较强，尤其在突破音障时，高温尾气流包裹着机身，形成强烈的红外辐射[6]。F-22红外辐射最小值发生在亚音速飞行时迎头方向，这是红外光电系统预警和探测的难点，也是研究的重点。本文对飞机亚音速飞行时迎头方向探测的红外辐射特性进行深入研究和仿真分析。

1 飞机红外辐射源及计算流程

1.1 红外辐射源

本文参考北约空中目标红外辐射特性计算软件NIRATAM[7-9]，将亚音速飞行时飞机迎头红外辐射源分为两类，如图1所示。

1）飞机蒙皮辐射：气动加热、内部热源产生的红外辐射。飞机在飞行过程中与空气摩擦产生气动加热的热量，发动机、尾喷管、喷嘴等热部件向外传导的热量对蒙皮进行的再加温，这些因素对飞机蒙皮红外辐射量的贡献是不可忽视的。

2）飞机蒙皮受到背景的辐射：飞机蒙皮受到太阳、天空、大地的背景辐射也会产生反射红外辐射量。

图1 飞机的典型红外辐射源

上述各部分辐射源的比重依赖于飞机飞行参数、飞机蒙皮特性参数、飞机结构性能参数和背景条件等因素。飞机飞行参数包括飞机姿态、飞行速度、飞行高度等。飞机蒙皮特性参数包括蒙皮吸收率、蒙皮发射率、蒙皮反射率，以及机身材料密度、比热容、导热系数等物理参数。飞机结构性能参数包括飞机零部件的位置、尺寸与形状等参数。背景条件包括天气状况、地面状况以及飞机与太阳地球的相对位置等。

1.2 计算流程

飞机目标红外辐射特性的计算是本研究的重要内容。在计算飞机红外辐射量时，需考虑机头与内部热部件及外部环境进行的能量交换，因此，飞机红外辐射特性的求解是非常复杂的，本文将在一定合理简化的基础上开展研究。另外，飞机红外辐射通过大气传输到红外光电系统的过程中，必定会伴随着辐射的衰减，因此计算中还需要考虑红外大气透过率等参数。图2给出了飞机亚音速飞行时迎头红外辐射特性的计算流程。在计算中，我们依据红外辐射源建立了相应的计算模型。

2 飞机辐射能通量计算模型

2.1 位置关系的确定

受空间位置关系的影响，入射到飞机不同零部件表面的红外辐射能量存在一定的差异，不仅如此，甚至飞机同一部件的不同局部表面也不相同。随着时间的变化，太阳光与飞机蒙皮各部分夹角也不停变化，具体情况根据飞机所处在的实际位置决定。因此，计算中需要弄清飞机、太阳和地球的位置关系。为此，本文建立3个坐标系：球坐标系(--)、地表坐标系(--)、飞机坐标系(--)，如图3所示。

图2 飞机迎头红外辐射特性计算流程

同样，当飞机处于不同的空间位置和飞行姿态时，入射到红外光电系统的红外辐射量也是不相同的，为此需要确定飞机和红外光电系统两者之间的空间几何位置关系，如图4所示。以机头为观测的起点，观测角以逆时针方向为正，则红外光电系统正迎头探测的角度（观测角）为0°。

2.2 热部件传导部分

红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮发射热部件传导的辐射能通量unit()如公式(1)所示：

式中：A1为飞机蒙皮接受内部热部件传热的有效面积；假设热部件发射面元dAu和飞机吸收面元dA1之间进行热交换；l为两面元中心连线的距离；a1和a2为面元法线与面元连线夹角；eu为热部件发射率；Eunit(l)为飞机热部件工作时T1产生的红外辐照度；e为蒙皮发射率；t(l)为飞机到红外光电探测系统的大气透过率；u为红外光电探测系统对飞机的观测角。

图4 红外光电系统与飞机的位置关系

2.3 由气动加热产生部分

当气体迎面流向钝头物体时，在头部附近受到阻滞，其前端有一个滞止点，流动速度为零，称为驻点，其温度为滞止温度0，用公式(2)计算[10-12]：

式中：为比热容比；amb为周围环境大气温度；为飞机飞行时的马赫数。

恢复温度不等于气流滞止温度，这是由于气体内部有热传导而引起的差异。飞机恢复温度可用公式(3)计算[13-14]：

式中：R为飞机的恢复温度；为恢复系数。

红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮发射由气动加热产生的辐射能通量flow()如公式(4)所示：

总而言之，农村气象服务建设作为一项长期性、系统性、复杂性工程，必须投入更多人力、物力、财力，全面提升农村气象的整体服务水平。加大气象服务工程建设力度，为有效预防和处理农业灾害、增加农民收入和农作物产量发挥出不可取代的作用。此外，农村气象服务是新农村重点建设内容，对于社会进步和国家繁荣发展等目标实现提供了有力条件。

式中：2为蒙皮发射由气动加热产生的辐射的有效面积；flow()为由气动加热导致蒙皮升温产生的辐照度。

2.4 太阳直接照射部分

式中：3为蒙皮发射太阳直接照射的有效面积；s为飞机蒙皮对太阳辐射的吸收率；s()为太阳到飞机的大气透过率；太阳天顶角度取决于目标与太阳的相对位置关系；sun()为太阳辐照度。

2.5 反射太阳部分

太阳天顶角的计算式如公式(6)所示[15]：

cos＝sinsin＋coscoscos (6)

式中：是观察者所在地理纬度；是太阳赤纬角；是太阳时角。

将反射分为两部分：一是蒙皮直接对太阳光的反射，二是蒙皮反射来自地球的太阳反照光。红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮反射太阳的辐射能通量sun-r()如公式(7)所示：

2.6 地球自身辐射部分

红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮反射地球自身辐射部分的辐射能通量earth()如公式(8)所示：

式中：5为飞机蒙皮反射地球辐射的有效面积；e为地球发射率；e()为地球到飞机的大气透过率；为飞机蒙皮法线与地球之间的夹角。

2.7 天空自身辐射部分

红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮反射天空的辐射能通量sky()如公式(9)所示：

式中：6为飞机蒙皮反射天空辐射的有效面积；s为天空发射率；sky()为天空自身辐射部分对飞机的辐照度；为飞机蒙皮法线与天空之间的夹角。

2.8 红外光电系统入瞳接收到的辐射总量

综上所述，红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮发射或反射的总辐射能通量radi()如公式(10)所示：

radi()＝unit()＋flow()＋sun-d()＋

sun-r()＋earth()＋sky() (10)

3 飞机红外辐射量仿真

本文根据上述“飞机辐射能通量计算模型”的推导过程，编制“飞机目标红外辐射量计算程序”APIR[16]，并计算红外光电系统入瞳接收到的F-22迎头探测时的蒙皮辐射量。首先，计算水平路径海拔10km处远距离条件下的大气透过率值，为后续红外辐射强度的计算提供参考；其次，分析不同天顶角对蒙皮反射太阳红外辐射强度的影响；最后，分析不同距离下红外光电系统入瞳接收到的红外辐射强度总量。

3.1 远距水平路径大气透过率的仿真

针对飞机目标远程迎头探测的特点，利用“红外大气透过率计算程序”（IRAT）计算水平路径海拔10km处远距离条件下的大气透过率值[17]。距离分别取250km、300km、350km、400km，假设地面温度为27℃，地面相对湿度为65%，能见度为50km。水平路径3～5mm大气透过率（海拔：10km，距离：150～400km）如图5所示，水平路径8～12mm大气透过率（海拔：10km，距离：150～400km）如图6所示。

图5 水平路径3～5mm大气透过率（海拔：10km，距离：150～400km）

图6 水平路径8～12mm大气透过率（海拔：10km，距离：150～400km）

3.2 天顶角影响的仿真

根据公式(6)编制APIR中天顶角的仿真计算程序，假设研究地址为北京（经度116.41667°，纬度39.91667°），日期为2012年7月1日，天顶角计算程序界面如图7所示。根据公式(7)编制APIR中反射太阳红外辐射量的计算程序，分析不同天顶角对蒙皮反射太阳的红外辐射强度的影响。假设海拔高度为10km，地球发射率为0.3，马赫数为0.6，观测角度为0°，在不同的太阳天顶角影响下，红外光电系统入瞳接收到的蒙皮反射太阳的辐射强度值如表1所示，天顶角和红外辐射强度的关系如图8所示，横坐标为不同时刻的天顶角，纵坐标为红外光电系统入瞳接收到的飞机蒙皮反射太阳的辐射强度。

由图8可知，正午12点太阳直射时天顶角最小，此时红外光电系统入瞳接收到的蒙皮反射太阳的辐射强度最强，反射太阳辐射强度随着天顶角的增加而较小，当天顶角q＞90°时，太阳辐射强度为0，这说明飞机辐射量随时间（或太阳天顶角）是呈现昼夜周期变化的。蒙皮反射太阳辐射部分主要以中波为主。以上结论与文献[18]给出的结论基本一致。

图7 天顶角计算程序界面

表1 天顶角及蒙皮反射太阳辐射强度值

图8 不同时刻蒙皮反射太阳的红外辐射强度

3.3 红外光电系统入瞳接收到的蒙皮辐射总量

利用APIR做仿真计算，分析红外光电系统入瞳接收到F-22迎头探测时的总蒙皮辐射量。假设地址为北京（经度116.41667°，纬度39.91667°），日期为2012年7月1日，时间为10:0:0，海拔高度为10km，观测角度为0°，蒙皮发射率为0.2，地球发射率为0.3，马赫数为0.6，红外光电系统到飞机的距离为250km、300km、350km、400km，采用IRAT计算的远距水平路径大气透过率值。在不同距离下，红外光电系统入瞳接收到的红外辐射强度总量如表2所示，距离与红外辐射强度总量的关系如图9所示，横坐标为红外光电系统到飞机的距离，纵坐标为红外光电系统入瞳接收到F-22迎头探测时的蒙皮辐射强度总量。

图9 距离对蒙皮辐射强度总量的影响

由图9可知，随着距离增加，红外光电系统入瞳接收到蒙皮辐射强度总量呈现逐渐减小的趋势，主要原因是大气透过率随着距离的增加而减小，从而导致蒙皮辐射强度总量随之减小。该结论与文献[18]给出的结论基本一致。

表2 不同距离下的总辐射强度值

4 结束语

本文主要研究了远程迎头探测飞机目标的红外辐射特性。计算过程中综合考虑了飞机蒙皮所吸收的由气动加热、内部热源产生的红外辐射，以及飞机蒙皮反射太阳、地球、天空的红外辐射。依据辐射源的分类，本文建立了红外光电系统入瞳接收到飞机辐射能通量的计算模型。并根据该计算模型编制了计算程序，重点仿真计算了不同天顶角的飞机蒙皮反射太阳辐射强度和不同距离下的蒙皮辐射强度总量，得到的结论与文献[18]给出的结论基本一致，由此证明了本文研究结果的正确性。

[1] 王慧君, 赵寅, 倪树新. 机载红外预警探测系统[J]. 激光与红外, 2007, 37(11): 1133-1136.

WANG Huijun, ZHAO Yin, NI Shuxin. Airborne IR early warn detect system[J]., 2007, 37(11): 1133-1136.

[2] Ohammad Rahamat Kalam, Akhtar Akella Ravikiran. A cost-effective early warning system for improving the reliability of power system[J]., 2013, 9(3): 1-6.

[3] Jadi Amr, Zedan Hussein, Alghamdi Turki. Risk management based early warning system for healthcare industry[C]//, 2013: 1-6(DOI: 1001109//ICCMA.2013.6506181).

[4] Allison Fusswinkel. The advanced hawkeye as a system of systems[C]//, 2007, 4: 1-12.

[5] TONG Zhongxiang, LU Yanlong, LI Chuanliang , et al. Optimal method for interfering with infrared homing missile by airborne infrared smoke[C]//, 2008: 588-592( DOI: 10.1109/ASCI-ICSC.2008.4576428).

[6] 康丽珠, 赵劲松, 李振华, 等. 飞机目标红外辐射特性研究现状概述[J]. 红外技术, 2017, 39(2): 105-115.

KANG Lizhu, ZHAO Jinsong, LI Zhenhua, et al. The overview of the research work developments on infrared signature of aircrafts[J]., 2017, 39(2): 105-115

[7] BEIER K. Infrared radiation model for aircraft and reentry vehicle[C]//, 1988, 972: 363- 374.

[8] Bakker E J. Modeling multi-spectral imagery data with NIRATAM v3.1 and NPLUME v1.6[C]//, 1991, 3699: 275-282.

[9] Sidonie Lefebvre, Antoine Roblin, Suzanne Varet, et al. A methodological approach for statistical evaluation of aircraft infrared signature[J]., 2010, 95: 484-493.

[10] YU Yanwen, LIU Yiyun. Generation of realistic infrared image for moving objects[J]., 2004, 25(7): 1087-1097.

[11] John D McGlynn, Steven P Auerbach. IR signature prediction errors for skin-heated aerial targets[C]//, 3062: 22-30.

[12]Hudson R D.[M]. New York: Wiley-Interscience, 1968.

[13] 苗瑞生, 居贤铭, 吴甲生. 导弹空气动力学[M]. 北京: 国防工业出版, 2006: 15-39.

MIAO Ruisheng, JU Xianming, WU Jiasheng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006: 15-39.

[14] LIU Juan. Researches on modeling and simulation of airplane infrared characteristic[C]//2010, 2010, 5: 47-51(DOI: 10.1109//ICCASM.2010.5619361).

[15] 刘鉴民. 太阳能利用原理技术工程[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

LIU Jianmin.[M]. Beijing: Electronic Industry Press. 2010.

[16] KANG Lizhu. The computation program of Infrared radiation intensity of aircrafts (APIR)[Z]. Kunming institute of physics, 2016. (internal sources)

[17] KANG Lizhu. The computation program of infrared atmospheric transmittance(IRAT)[Z]. Kunming institute of physics, 2016. (internal sources)

[18] Campana S B.:[M]. Bellingham: SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1993.

Research on Infrared Signature for Remotely Detection from the Nose of Aircrafts

KANG Lizhu1，ZHAO Jinsong1，ZHOU Qian2，NI Kai2，TANG Han1，ZHAO Qiang1，TAO Liang1

(1.,650223,; 2.,,518055,)

The infrared signature for remotely detection from the nose of aircrafts is studied in this paper. The major infrared sources, the calculation process of infrared signature, and the calculation model of infrared radiation flux which reach into the entrance pupil of infrared imaging systems is introduced respectively. Finally, the atmospheric transmittance from horizontal remote path and the infrared radiation intensity are simulated.

infrared，infrared signature，aircraft target，Infrared radiation intensity

TN214

A

1001-8891(2017)04-0365-07

2017-02-18；

2017-03-17.

康丽珠，女（1983-），博士研究生，主要从事红外光学技术的研究。E-mail：kangbingxin@126.com。