靶标系统中的目标红外特性建模技术研究

杨翔云,吕 勇,刘 洋,刘力双

(北京信息科技大学,北京 100192)

1 引 言

靶试是红外制导武器系统研发及训练的关键环节,靶标系统对实际目标红外特性的仿真程度与实战化训练水平直接相关。目前红外靶标主要采用燃烧式(如曳光管、喷灯等),其具有辐射强度高、结构简单的优点,但是调节速度慢、精度差,无法根据双方的态势,动态准确的模拟目标红外特性。因此准确、动态的模拟飞行器目标的红外特性,对红外制导武器的研制以及实战化训练具有重要意义。而靶标系统准确、动态模拟目标红外特性的前提条件是目标红外特性的准确建模。

近年来,国内外许多研究单位对飞行器目标的红外特性开展了研究,主要采用CFD(计算流体力学)的数值计算方法对飞行器目标在特定流体环境中的辐射特性进行的研究。虽然仿真研究结果分布较为细致,但是数值计算量大,条件适用性较差。文献[3]～[5]都采用了文献[6]中的数值计算方法,该方法将目标各部分辐射源在某方向上的辐射强度的叠加作为目标在该方向的红外辐射强度。这种计算方法精简可靠,并且适用于各种飞行目标。但是这些文献研究均是针对四面体简易模型进行仿真计算分析,没有进行真实飞行目标仿真研究和相应的试验验证,不能精确处理光在传输过程中发生的光的反射、折射和吸收等光学现象。

为了能够精确且真实地反应飞行目标的红外辐射特性,本文采用较为经典且可靠的适用于红外点源目标的理论计算模型。在该模型基础上,采用了三维建模、红外光源等效和有限光线追迹法,利用LightTools光学仿真软件对某型靶机的尾喷管和尾焰两部分的各角度观察面处的红外辐射强度进行仿真,从而有效提升目标红外特性建模的精度及速度。最后结合试验实测获得的辐射特性数据,验证了该方法可靠可行,可为相关领域研究提供理论支持。

2 理论模型建立

在新型防空导弹领域中,探测器分辨率多采用中小面阵探测器,如128×128元探测器,与观瞄系统相比,其分辨率较低,因此在中远距离范围内可将飞行器目标看作是各向异性的红外点源目标进行分析模拟实验。飞行器目标的红外辐射特性主要来源于飞机蒙皮、发动机尾喷口和尾焰三个部分。目标视线方向的红外辐射强度为各部分辐射源在该方向上的辐射强度的叠加。每个辐射源的辐射强度为该辐射源的辐射强度与其投影面积的乘积。为方便计算,采用如图1所示的四面体简易模型[3-5]。四面体目标ABCD在以O点为原点的直角坐标系中,A点在y轴上,B点和C点在x轴上,D点在z轴上。向量i为平面ABD的单位法向量(xi,yi,zi),方向向外。

图1 飞机的简化分析模型Fig.1 Simplified analysis model of aircraft

探测器方向的方向矢量可以根据文献[7]中坐标系转换方法获得探测器在飞行器目标坐标系中的位置为(x0,y0,z0)。α为向量i和探测器方向的方向矢量之间的夹角。则有:

(1)

目标相对于探测器方向的投影面积等于表面面积和由面法线和探测器方向矢量之间的夹角的余弦的乘积[5]:

S′=SΔABD·cosα

(2)

当cosα小于零时,被投影面在探测器后方,属于被遮挡状态,此时其投影面积为零。这种方法能够有效的处理辐射遮挡问题,以此确定模型在探测器方向上的投影面积。

飞行器目标三维建模的精度直接决定了辐射遮挡问题处理的结果,但由于投影计算复杂程度的制约,通常采用简化模型,从而制约了最终投影仿真结果的准确性。为此,本文采用光学仿真软件LightTools通过有限光线追迹法,对各角度观察面处的红外辐射强度进行仿真,从而有效提升目标红外特性建模的精度及速度。

2.1 蒙皮红外辐射

作战飞行器目标蒙皮红外辐射特性,由目标表面温度场和目标表面材料特性决定。如图2所示,探测器面元接收到蒙皮的辐射过程[9]。本文只讨论气动热产生的蒙皮红外辐射。

图2 典型飞机的红外辐射源Fig.2 Infrared radiation source of a typical aircraft

目标表面温度场由目标所处的环境特性、目标的速度和几何特征确定。飞机高速运动时,机体与环境气体摩擦,机体蒙皮温度上升,产生的热辐射不可忽略。这种由气动加热产生的飞机蒙皮热辐射可以采用求驻点(气流速度为0的位置)温度的方法求得蒙皮的辐射,计算公式如式(3)所示:

(3)

式中,Ts是蒙皮表面温度；Ta为环境温度；γ为空气在常压常容下的比热容的比值,无大的加热时,该值接近1.4[5]；k为温度恢复系数(层流一般取值为0.82,紊流为0.87)；Ma为飞行马赫数。

已知蒙皮表面温度,假设机身蒙皮是一种均匀漫反射的朗伯源物体。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律可以得到全辐出度为:

(4)

式中,Mb为蒙皮全幅出度；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ=5.6697×10-8W/(m2·K4)。

考虑到蒙皮的辐射发射率,有:

(5)

式中,ε为蒙皮的辐射发射率,将蒙皮看作是ε=0.7的灰体。

结合蒙皮的有效辐射面积在探测器方向的投影面积S,可以计算出蒙皮沿探测器方向的总的辐射强度Im[4]:

Im=M×S

(6)

2.2 尾喷管红外辐射

加力燃烧的发动机,虽然尾喷管容易被机身所遮挡,但对侧向及尾向红外辐射探测起着关键作用。被发动机高温排气加热的机尾外露金属型腔体热部件,是典型的灰色辐射体,计算时将外露尾喷管看作是发射率为ε=0.9的灰体辐射源[8]。

发动机热气体的温度关系式为:

(7)

飞行目标稳定飞行时,尾喷管的温度约为管内气体的温度,辐射面积为尾喷管表面积。试验可知发动机尾喷管在不开加力的条件下的温度约为600～800K。在计算尾喷管的辐射强度时,要充分考虑辐射遮挡的情况。可以按照公式(4)～(6)计算尾喷管的红外辐射强度Il。

2.3 尾焰红外辐射

发动机排出的气体尾焰的方向主要由尾喷口的方向决定,如图3所示排出的尾焰通常被分成起始段、初始段、过渡段、混合区、边界层及核心区这六个区域[11]。

图3 尾焰流场结构示意图Fig.3 Diagram of the plume flow field structure

尾焰的辐射主要来自于初始段中核心区,该区内温度和压强基本恒定且和尾喷口数值相当,在不开加力的条件下温度Ts约为600～800 K。考虑到尾焰是选择性辐射体,可以将尾焰看作是一个发射率εs=0.7的圆柱体形的等温辐射面。

知道了尾焰的温度,根据普朗克公式,可得红外辐射亮度为:

(8)

式中,λ为辐射波长；c1=3.7415×108W· μm4·m-2;c2=1.438×104μm·K。

尾焰辐射波长主要在3～5 μm,则对普朗克公式进行相应波长的积分,有全辐亮度为:

(9)

结合尾焰在探测器方向的投影面积S处理遮挡,即可按照公式(6)计算出蒙皮沿探测器方向的总的辐射强度Is[4]。

综上所述,某视线方向上的飞行器目标的红外辐射为:

I=Im+Il+Is

(10)

3 仿真模拟实现

基于上述分析结果,本文对某型靶机的全向红外特性进行建模分析,采用光学仿真软件LightTools作为光线追迹仿真平台,将各部分红外辐射源等效为红外光源,通过有限光线追迹法,对各角度观察面处的红外辐射强度进行仿真,从而有效提升目标红外特性建模的精度及速度。

首先建立靶机的三维模型,因为试验为地面测试,蒙皮温度约为室温,其红外辐射贡献小,这里不考虑蒙皮红外辐射,只对尾喷管和尾焰进行仿真计算。如图4根据所提供的某型靶机资料建立的靶机三维模型图。

图4 靶机三维模型Fig.4 Three-dimensional model of the target machine

根据理论计算模型将靶机模型仿真设置如下:

1)机体材料属性为机械吸收材料,以便精确有效地处理遮挡；

2)根据理论模型尾喷管为朗伯辐射体,仿真将其等效为表面发朗伯光的圆台型红外光源；

3)尾焰等效为圆柱体型红外光源,其侧面发均匀光,前后表面发后向朗伯光。

4)靶机在不开加力的条件下,尾焰长度约为尾喷口半径10倍左右。

5)因为试验采用的红外相机获取到的目标图像为波长8～14 μm的图像,所以仿真所有光源波长均为720 ℃黑体辐射8～14 μm波长状态。

试验时靶机机身没有加侧翼和尾翼,本文仿真建模采用与试验相同状态。以靶机模型目标为中心,在各个观察角度处设置观察面,如图5中(a)图所示为L=0时靶机模型分析平面。利用LightTools中的光线追迹分析功能获得模拟目标在L=0平面的光强度剖切图,仿真结果如图5中(b)图所示,其中机头朝向0°方向,机尾朝向180°方向。从仿真结果图中可以看到目标自后向(180°方向)到前向(0°方向)辐射强度逐渐减小,并且在后向辐射强度最大；前向因为机身的遮挡,辐射强度随着角度的变化迅速减小,且最小为0。 该结果与理论分析相符合。

图5 L=0仿真分析Fig.5 L=0 simulation analysis

以相等的差值来改变剖切平面L的值,即旋转Z轴相等的角度,获得目标不同的剖切面的红外特性,进而可以获得目标的全向红外辐射特性数据。因为仿真模型采用与实际试验靶机机身状态相同,是没有机翼和尾翼的,所以仿真结果呈沿机身方向旋转对称。三维图结果如图6所示,图中飞行器目标处于原点处,Z轴正向为机头方向,Z轴负向为机尾方向。因为机身遮挡机头方向红外辐射最小,机身尾部最强。

图6 目标全向红外辐射特性三维图Fig.6 Three-dimensional map of the omnidirectionalinfrared radiation characteristics of the target

4 试验结果

为了校验所建立模型方法的正确性,对上节仿真所建立靶机模型进行实际测试。测试采用地面测试,只能进行水平方向测试。设备采用FLIR公司TAU2系列的非制冷热成像仪,在距离靶机目标200米远处,分别从靶机目标尾向0°、45°、90°和135°的观察角度下拍摄目标稳定状态下在8～14 μm范围的长波红外视频。试验环境如图7所示。

图7 试验环境Fig.7 Test environment

从视频中提取目标尾喷管处红外图像,按如下步骤对图像进行处理:

1)通过迭代阈值分割法,对图像进行分割,获取目标所在位置。

2)截取目标所在位置较小范围图片,目的是去除环境的影响,使被处理对象基本只包含目标信息。

3)LOG算子方法处理目标边缘信息,获取目标信息区域。

靶机目标尾向0°方向红外图像如图8所示,图8(b)中标记区域为目标信息区域。

(a) (b)图8 尾向0°方向红外图像处理Fig.8 Infrared image processing in the 0° direction of the tail

试验获得的图像为TIFF格式图像,其像素值几乎不存在像素饱和。红外图像的像素灰度值的大小响应的是辐射场中的红外辐射能量的强度。对确定的目标信息区域内的像素灰度值求平均值得到的数据如表1所示。

表1 试验结果Tab.1 Test results

由于试验没有直接获取目标的辐射强度信息,不能对图像进行辐射标定。这里只讨论其趋势。仿真在L=0时,即为试验平面。将获得目标仿真辐射强度数据与试验数据进行对比,结果如图9所示。曲线为仿真结果,圈点为试验结果。从图可以看出,仿真结果与试验结果具有较好的一致性。以此验证该仿真建模方法可靠可行。

图9 试验结果与仿真结果对比图Fig.9 Comparison of test results and simulation results

5 结 论

本文采用较为经典且可靠的适用于红外点源目标的理论计算模型,采用了三维建模、红外光源等效和有限光线追迹法,通过光学仿真软件LightTools,对某型靶机进行尾喷管和尾焰两部分的仿真模拟及试验测试。并验证了将飞行器目标主要红外辐射源等效为红外光源,采用LightTools通过有限光线追迹法,对各角度观察面处的红外辐射强度进行仿真的方法可行。这为后期硬件条件下的红外模拟靶标的研制提供了基础。