舰空导弹典型作战目标红外辐射特性计算方法研究∗

梁彦 王铎

（92941部队 葫芦岛 125001）

1 引言

红外辐射特性是舰空导弹典型作战目标重要特性之一，由于影响红外辐射特性的因素较多，除了自身的发动机工况外，还受环境温度、湿度、运动速度、气动加热、观察距离等多个因素的影响，且其中的一些因素又很难进行量化处理，使得目标红外辐射特性的数值计算变得比较困难［1～2］。因此对舰空导弹典型作战目标红外辐射特性的研究及模拟，对于构建逼真战场环境，充分考核舰空导弹的战术技术指标和作战使用性能具有十分重要的意义。

2 模型建立

空中目标的红外辐射主要包括蒙皮、散射环境、发动机尾喷管、尾焰等［3］。这些辐射源对空中目标整体红外辐射的贡献取决于发动机运行状态、目标外形、温度、蒙皮表面材料的光学特性、飞行条件和环境条件等因素［4］。视点处传感器接收到的辐射除了与目标本身的辐射有关之外，还与大气沿路径的传输与辐射密切相关。视点处探测到的空中目标红外辐射特性可以表示如下［5］。

视点处总辐射=［蒙皮热辐射（自身辐射+散射环境辐射）+尾喷管热辐射+尾焰热辐射］×大气透过率+大气辐射。

舰空导弹典型目标红外辐射特性建模的组织流程如图1所示，主要辐射源之间相互影响、相互关联，最终计算出典型目标的整机红外辐射特性。

图1 红外辐射特性建模的组织流程图

在建模过程中为了提高模型精度和适用性，采取了多种措施。

1）分模块单独建模。红外辐射特性计算模型按照辐射源分别建立了蒙皮辐射模型、蒙皮散射环境辐射模型、发动机内流场模型、尾焰辐射模型等。

2）引入经过校验的经验或半经验模型。蒙皮辐射采用常用的蒙皮恢复温度的工程计算方法；发动机内流场特性计算采用共同工作点模型进行反演，并结合测量数据建立半经验模型；主要输入的参数包括蒙皮辐射和散射特性参数等都是在测量数据基础上反演模拟建立的半经验模型。

3）设计软件与国外成熟的专业软件结合。在计算大气传输特性和大气背景辐射特性时运用了MODTRAN软件。

2.1 蒙皮红外辐射

当飞行速度处于亚音速状态时，在蒙皮温度分布的计算中，通常采用的飞机蒙皮恢复温度的工程计算方法。典型目标蒙皮由于气动加热而温度升高，从而产生相应的红外辐射，蒙皮自身的红外辐射与蒙皮表面的发射率和温度分布有关，根据Plank辐射定律，蒙皮表面的光谱辐射亮度可表示为［6］

其中ε(λ)为表面的光谱发射率，N0(λ,T)是表面温度为T的黑体的光谱辐射亮度。

波长范围在λ1～λ2间的波段辐射亮度为

2.2 散射环境辐射

环境辐射主要包括三部分：太阳辐射、地面辐射和天空辐射［7］。对这三部分的散射辐射分别进行计算，即可得到蒙皮对环境辐射的散射。处于地球大气层内的飞机目标散射辐射计算相当复杂，目标除了受到太阳的直接辐射还受到来自大气和云的天空背景辐射和地面背景或海面背景的散射辐射，同时还要受到大气的衰减［8］。由于大气的辐射特征与气象条件和大气中的各种分子、悬浮物（气溶胶）的浓度及其光学特性有着密切的关系，因此建立具代表性的特定地理位置和气象条件的大气辐射传输模型对光谱计算具决定性作用［9］。

MODTRAN大气传输模型能适用于从紫外、可见、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围，不仅包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射，大气透过率、大气背景辐射、单次散射的阳光和月光辐射亮度、太阳直射辐照度等多个计算功能，还增加了多次散射的计算、臭氧和氧气在紫外的吸收参数。空中目标散射辐射计算是基于MODTRAN软件的功能上来完成的。

2.3 发动机内流场计算

在发动机内流场计算中，将利用部件特性来计算发动机的稳态性能［10］，这是目前应用最为广泛的发动机稳态性能数学模型，如图2所示。其特点是已有各部件特性，选定发动机控制方案，给定飞行高度、飞行速度、发动机工作状态，按照各部件共同工作条件确定共同工作点，即确定满足共同工作条件的压气机增压比、涡前总温、空气流量、涡轮膨胀比、油气比、排气速度和排气压力等，然后再计算发动机推力、耗油率、燃油流量、喷管气体参数。

图2 发动机性能模型示意图

2.4 尾焰红外辐射特性计算

发动机尾焰是燃烧产物射流与大气相互作用的结果，并在红外光谱范围产生大的辐射［11］。计算尾焰红外辐射特性（光谱辐射强度、光谱辐射）的最后一步是积分辐射传输方程，沿着一个非均匀路径穿过包含燃烧产物的几何体一直积分到辐射传感器。参考标准尾焰红外辐射模型（The Standard In-frared Radiation Model，SIRRM），尾焰红外辐射计算模块的流程图如图3所示。

图3 尾焰红外辐射模块的流程图

2.5 环境辐射与传输特性计算

环境辐射与传输特性计算通过集成美国大气辐射传输特性专用计算软件MODTRAN，考虑标准大气、中纬度夏季、中纬度冬季和热带共四种大气模式以及晴空、典型云（均匀的）等典型环境背景条件，形成辐射与传输特性计算模块并嵌入到飞机、导弹整机红外特性模型软件中［12～13］。

环境辐射与传输特性计算模块中集成MODTRAN，主要是根据需求，对MODTRAN作相应的改造，集成后的环境辐射和传输特性模型的计算分三步来完成：计算并构造符合MODTRAN要求格式的输入数据并完成MODTRAN输入卡片；调用MODTRAN主计算程序PcModWin的“exe”文件完成计算；计算完毕后读取MODTRAN的输出结果，获得所需数据并进行处理；最后根据接口要求输出文件。

3 仿真计算结果

3.1 飞机类目标仿真计算

选定飞机类仿真模型，在飞机高度10km，速度0.8Ma巡航，标准大气状态下，红外特性计算结果见图4，不同波段的辐射强度见表1～3。

表1 1μm～3μm波段，辐射强度W∕sr

图4 飞机类目标仿真模型红外特性计算结果

该条件下的3μm～5μm波段的亮度图见图5。

表2 3μm～5μm波段，辐射强度W∕sr

表3 8μm～12μm波段，辐射强度W∕sr

图5 3μm～5μm波段迎头尾追亮度图

仿真计算结果与已有的红外特性测量结果进行了模型初步校验，模型计算结果与相近条件下的测量值一致。

模型计算对比：

计算条件：飞行高度350m、速度0.8Ma、距离1500m、视线仰角10°、方位180°、标准大气状态、晴空、波段3μm～5μm、加力状态。

计算结果：2725.04W∕sr。

表4 红外测量结果

对比结果可以看出，与测量数据相比，计算结果高于测量结果18%，引起计算和测量偏差的原因较多。由于计算时理论模型计算了全加力条件，而实际测量条件下的飞机可能没有完全加力，因此尾焰辐射理论值可能高于实际值，这可能是引起偏差的主要原因，在以后的工作中需要继续进行模型校验。

3.2 导弹类目标仿真计算

反舰导弹红外辐射特性分析主要来自理论建模计算，建立计算几何模型如图6，红外特性分布图如图7，计算条件为飞行高度300m，飞行速度0.9Ma，标准大气。

图6 计算几何模型图

图7 红外特性仿真分布图

从理论计算结果可知：该模型在中波波段前侧向辐射强度小于90W∕sr，长波波段辐射强度小于5W∕sr，计算结果见表5。

表5 反舰导弹模型红外特性计算结果

从表5的中、长波辐射强度的结果可见，计算结果在量级上反映模型的辐射强度。

4 结语

本文采用较为简便且可靠的红外辐射特性模型建立方法，将舰空导弹典型作战目标辐射按来源分为蒙皮、散射环境、发动机尾喷管、尾焰等，分别对各部分红外辐射特性进行建模，综合运用热辐射理论，采用分模块单独建模与经验模型相结合的方法，构建了典型目标的红外辐射仿真计算模型，并将仿真计算结果与实测数据进行比较，能够反映模型的辐射强度等级，提高了舰空导弹典型作战目标红外辐射特性计算的准确性。