末敏子弹的红外成像实验方法

张 俊，刘荣忠，郭 锐，徐国军

(1.上海海洋大学工程学院，上海 201306；2.南京理工大学智能弹药国防重点实验室，江苏 南京 210094)

0 引言

末敏子弹作为灵巧弹药的典型代表，能够在目标区上空自动搜索、扫描、识别并攻击装甲目标顶部，它具有作战距离远、毁伤效果好、成本低等优点[1]。研究末敏弹的红外辐射特性不仅能为其弹道测试、隐身技术、红外成像仿真及小目标的跟踪捕获等提供理论基础，而且对于发展对抗末敏弹的技术也有重要意义。倘若红外侦察预警系统能够尽早发现末敏弹，使被攻击目标有一定的反应时间，并采取相应的应对或防御措施。比如及时弹射诱饵气囊，发射红外烟幕弹、电磁干扰信号或主动击落等，这些措施都能够有效降低装甲目标被末敏子弹命中或毁伤的概率[2]。

飞行器的红外辐射特性一直是国内外研究热点，但科研人员主要针对高速飞行器开展研究[3-5]，而对于末敏弹这类有着复杂运动规律，尤其是其稳态扫描阶段的速度很低，其红外辐射特性的研究很少。在飞行器热辐射特性的实验方面：Sidonie提出了一种模拟飞行器散射红外特征的试验方法[6]；Engelhardt开发了一种可自动根据环境的红外辐射亮度调节飞行器蒙皮温度的实验装置[7]，通过控制电路可对蒙皮进行加热或冷却，使飞行器蒙皮的红外辐射亮度始终与环境辐射亮度相近，从而达到降低飞行器的红外辐射对比度并缩短红外导引头的探测距离。文献[8]针对高速飞行器的气动热环境进行了实验研究，其原理是通过热辐射传递给飞行器表面的热流等于气动加热传递给飞行器的热流，以进行瞬态飞行热环境的模拟和结构热响应分析。文献[9]分析了末敏子弹的气动换热、热辐射及内部导热的耦合作用机理，计算了弹体表面的动态温度场，对比分析了弹体和降落伞的红外辐射特性，并对探测视线方向的天空背景辐射特性进行了研究。文献[10—11]通过理论建模结合数值模拟的方法，研究了末敏弹减速减旋段的气动加热及红外辐射特性。文献[12]研究了末敏弹稳态扫描阶段的红外辐射特性，针对动态红外图像淹没于复杂云层背景的特点，提出了一种组合空域滤波算法，进行了红外图像处理与目标特征提取，但没有分析末敏子弹的静态热辐射特性。

本文提出了一种针对末敏子弹的红外成像实验方法，得到了末敏子弹的静态红外图像和降落过程中的动态红外图像序列，结合红外实验图像特点，对比分析了末敏子弹稳态扫描阶段的红外特征及大气透过率在不同波长和斜程下的分布规律，研究结果对于进一步开展末敏弹的跟踪识别、侦查预警等对抗评估技术奠定了重要基础。

1 典型末敏弹的作用原理

典型末敏弹是一种由子弹弹体、中央控制器、红外探测器、毫米波天线及天线罩组件、稳态扫描装置、减速减旋装置、伞弹连接装置、爆炸成型弹丸(EFP)战斗部系统及电源等组成的智能弹药[12]。减速减旋装置在稳定子弹的同时，可将末敏子弹的速度和转速按照规定时间或距离降至有利于主涡环旋转降落伞可靠张开的条件，随之抛出涡环旋转伞，带动弹体同步旋转并稳定降落。此时，弹轴与铅垂方向成一定角度，复合敏感器在地面以螺旋线形式由外向内对预定目标进入扫描搜索状态，当子弹距地面高度进入预定攻击范围时，复合探测系统进一步识别目标，此时，子弹的落速稳定于约10 m/s，转速约3 r/s。当探测系统确认并锁定目标后，根据其距地面高度、转速以及检测识别算法等，计算最佳瞄准点并起爆EFP战斗部攻击目标顶部。如未能识别目标，在离地20 m或者落地后当热电池的电压降低至给定值时自毁。伞弹系统的稳定运动姿态是末敏子弹复合探测系统能否准确识别目标的必要条件。稳态扫描状态下的结构模型主要由子弹弹体、涡环旋转降落伞、伞绳、伞盘、摩擦盘、连杆等组成，其中，涡环旋转降落伞由伞衣幅和不同长度的伞绳连接而成。伞衣幅上不对称的开口设计可以实现降落伞在充满气的情况下，形成一定的凸面和倾斜度，在下落过程中由于不对称空气动力和力矩的作用下保持稳定旋转状态。图1为典型伞降末敏弹的全弹道作用原理。

图1 伞降末敏弹的作用原理Fig.1 Working principles of TSS with a parachute

2 红外成像及辐射传输模型

利用红外热像仪对末敏子弹进行热辐射测温时，其自身的热辐射、反射的环境辐射以及大气辐射经镜头被聚焦到红外探测器的焦平面列阵上，经过视频信号放大器的放大处理，信号处理系统将目标的红外辐射信号转换为三维热分布图像信号，最后在监视器上以灰度或伪彩的方式显示出来，其光谱变换作用主要表现在红外探测器对入射到光学窗口内的红外辐射的选择性接收和显示器荧光屏的光谱辐射分布。图2为末敏子弹的红外图像生成原理。

图2 末敏子弹的红外图像生成原理Fig.2 Infrared image generation of TSS

红外热像系统的入瞳辐射由三部分组成，被测目标表面的辐射能、环境物体反射的辐射能以及大气的辐射能：

Eλ(T)=τaλελEbλ(To)+
τaλ(1-αλ)Ebλ(Te)+εaλEbλ(Ta)

(1)

根据热像仪工作波段下的响应电压和普朗特公式，可导出被测目标表面温度为：

(2)

当被测目标表面满足灰体漫射特性，并近似认为大气吸收率等于发射率时，可得灰体表面的真实温度：

(3)

式中，Eλ为热像仪接收的辐射能；Ebλ为同温度下的黑体辐射能；To为被测目标的表面温度；Te为环境温度；Ta为大气温度；ελ为被测目标表面发射率，τaλ为大气光谱透射率，εaλ为大气发射率；对于InSb(3～5 μm)探测器，n为8.68；对于HgCdTe探测器，工作波段为(6～9 μm)时，n为5.33，(8～14 μm)时，n为4.09。

对于气流温度为T∞、相对湿度为r、降雨强度为Jr、降雪强度为Js的气象条件下，红外辐射在倾斜路程(探测距离S、仰角θ、海拔高度H0)总的大气光谱透射率为：

(4)

式(4)中，f为温度T为时，饱和空气中的水蒸汽质量；μo、μc分别为大气温度为5℃、相对湿度为100%时，水蒸汽和二氧化碳的光谱吸收系数；Vm表示最大气象视程；q为取决于大气能见度的经验常数。

在红外图像中，目标与背景的全光谱辐射对比度为：

(5)

式(5)中，Mt为末敏子弹在红外波段λ1～λ2内的辐射出射度，Ma为天空大气背景在相同波段内的辐射出射度；将背景温度Ta和温差ΔT代入上式，即可求得目标与背景的全光谱辐射对比度。由上式看出目标与背景温度差ΔT越大，其辐射对比度越大，成像效果越好。

3 末敏子弹的红外成像实验

3.1 静态红外成像

图3 末敏子弹的静态红外图像序列Fig.3 Static infrared image sequences of TSS

由末敏弹的作用原理可知，目标存在两次减速导旋运动过程，其稳态扫描运动过程中的速度较低，不存在气动加热，而弹体内部的热电池为中央处理器和复合探测系统供电，在工作过程中所释放的热量是主要热源。图3为末敏子弹的热电池激活后，利用热像仪监测得到的红外图像序列，热像仪为军用高分辨率MIKRON型号。采用黑体标定后，发射率设定为0.6，工作波段为长波8～14 μm，存储速率为每秒25帧，每次可记录24 s，测试距离约为1.6 m。实验图像结果表明，热电池激活后，弹上热电池附近的温度迅速升高，末敏子弹的零视距红外特征明显，并主要以热传导的方式逐渐向整个弹体扩散，监测到第24 s时，热电池附近的最高温度接近80 ℃，面向探测器的其它区域温度约为45 ℃。

3.2 动态红外成像

图4为试验样弹，热气球距地面的高度一定。以热气球在地面上的投影为中心，等间距对称布置六个模拟装甲目标，用于考核末敏子弹上的红外与毫米波复合探测系统对金属目标的探测识别效能。高速摄像仪的视场角一定，用于测试末敏子弹的下落速度。采用热成像系统的配套软件MIKROSPEC R/T实时监测并存储实验图像，图5为红外图像存储与处理的软件界面。

图4 实验样弹Fig.4 Sample projectiles

图5 红外图像存储与处理的软件界面Fig.5 The software for infrared images storage and processing

图6为末敏子弹稳定降落过程中的部分红外图像序列，“方框”标出了末敏子弹所在区域。图7给出了其中两帧图像的三维灰度分布规律。对比分析红外图像序列发现：末敏子弹几乎完全淹没于复杂云层背景和噪声之中，其空间分辨力比可见光图像低很多，在整体效果上没有立体感，分辨率极低；这不仅是由于红外成像器件的分辨率、灵敏度以及噪声(主要包括热噪声、散粒噪声、光子电子涨落噪声等)的影响，更主要是由于红外波段的辐射波长比可见光长，在红外辐射的传输过程中会经过大气吸收和随机散射的作用。另外，复杂云层背景对成像的影响很大，红外图像的视觉表现为模糊、噪声大、串扰、畸变等非均匀性，末敏子弹为只占几像素到十几像素的奇异点，缺乏尺寸、形状等结构信息，属于典型的红外弱小目标；降落伞的红外特征比弹体明显，这是由于伞衣的几何尺寸和发射率相对较大；对比分析末敏子弹的静态、动态红外实验图像发现，末敏子弹稳态扫描阶段的红外辐射特征弱，利用红外系统远距离跟踪定位、探测识别的难度较大。

图6 末敏子弹稳定降落过程中的红外图像序列Fig.6 Infrared image sequences in the falling process of TSS

图7 红外图像的三维灰度分布Fig.7 3-D grayscale distributions of infrared images

3.3 红外辐射的大气透过率

设气象条件为天气晴朗，无云、雾、雨、雪等气象粒子的衰减，空气相对湿度为80%，大气能见度为10 km，海拔高度为1 km，传播角度为30°。图8给出了该气象条件下，大气透过率随不同波长和作用距离的三维分布规律。 图9给出了H2O和CO2气体分子在不同波段下对红外辐射的吸收衰减规律。结果表明，红外辐射衰减随着红外系统的作用距离增加而增大，而且在各波长区间范围内，其衰减程度的差别较大，其中，在1～3 μm、3～5 μm及8～14 μm这三个大气窗口的波长范围内，红外辐射的衰减程度较低；在2.6～3.1 μm和5.1～7.6 μm波段内因水蒸气吸收衰减，其透过率几乎为零；在4.2～4.4 μm波段内，由于CO2气体分子对红外辐射的吸收衰减作用，其辐射透过率也几乎为零。

图8 大气透过率在不同波长、斜程下的分布规律Fig.8 Distribution of atmospheric transmittance at different wavelengths and slant paths

图9 H2O、CO2的热辐射吸收规律Fig.9 Absorption laws of thermal radiation in H2O and CO2

4 结论

采取红外成像实验研究方法，获得了末敏子弹的静态红外图像序列和降落过程中的动态红外图像序列，结合实验图像对比分析了末敏子弹的静态、动态红外特征以及红外辐射大气透过率在不同波长和斜程下的分布规律，得到以下结论：

1)末敏子弹的腔内热电池是其稳态扫描阶段的主要热源，热电池激活后，电池附近区域的温度迅速升高，热量逐渐向弹体表面扩散，约24 s时，最高温度接近80 ℃，面向探测器的其它区域温度约为45 ℃。

2)在红外辐射的传输过程中，由于受到大气吸收、散射以及复杂云层背景的影响，其红外图像空间分辨力比可见光图像低，目标淹没于复杂的云层背景和噪声中，红外图像表现为只占几像素到十几像素的奇异点，缺乏几何形状和尺寸等特征信息。利用红外系统远距离实时跟踪探测识别此类红外弱小目标的难度较大。

研究结果对于结合末敏弹的运动特点开展动态红外图像的目标检测以及红外侦查预警仿真系统的对抗评估技术奠定了理论基础。