一種新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計方法研究*

(91550部隊 大連 116023)

一種新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計方法研究*

杜鵬余建軍劉維國

(91550部隊 大連 116023)

論文針對艦船紅外靶標(biāo)研究現(xiàn)狀以及靶場試驗實際使用中現(xiàn)有紅外靶標(biāo)重心高、體積大、穩(wěn)定性差、布靶困難等問題,提出一種新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計方案,采用碳纖維電加熱布自動溫度控制實現(xiàn)對典型艦船目標(biāo)的紅外輻射特性模擬,較好解決了實彈打靶試驗中現(xiàn)有紅外靶標(biāo)所面臨的實際問題。

紅外成像; 表面溫度; 輻射度; 紅外靶標(biāo)

ClassNumberTN21

1 引言

紅外成像制導(dǎo)武器具有打擊距離遠,在復(fù)雜背景條件下能捕獲、識別、鎖定和跟蹤目標(biāo)的自動決策能力等優(yōu)點,成為未來海戰(zhàn)的主戰(zhàn)裝備。隨著紅外成像制導(dǎo)武器的發(fā)展,新的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的研制離不開必要的靶場試驗。為了驗證紅外導(dǎo)引頭的戰(zhàn)術(shù)性能,靶場通常采用實體靶或紅外模擬靶來構(gòu)建目標(biāo)環(huán)境特性。但采用退役艦船作為實體靶標(biāo),試驗費用高、試驗子樣少,很難進行大批量的試驗;若采用靶場現(xiàn)有的紅外模擬靶,在實彈打靶中面臨諸多困難,為此,提出一種新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計方案。

2 艦船目標(biāo)紅外特性研究

2.1 艦船紅外輻射度

艦船紅外輻射度M描述的是艦船表面單位面積向整個半球空間發(fā)射的輻射能量,真實反映了艦船目標(biāo)的紅外輻射特性[1]。根據(jù)波爾茲曼定律:

式中,λ為波長,C1為第一輻射常量,其值為3.742×10-8W·μm4/m2,C2為第二輻射常量,其值為1.4382×10-16μm·K,ε為艦船表面發(fā)射率,T為艦船表面溫度。由波爾茲曼定律可以看出,艦船紅外輻射度決定于艦船表面的溫度和發(fā)射率,即艦船表面溫度和發(fā)射率影響著艦船的紅外輻射特性[2]。

2.2 艦船紅外輻射熱像圖

艦船表面涂層的發(fā)射率與艦船所用輻射材料有關(guān),為研究問題方便,這里重點分析艦船表面的溫度分布。圖1為紅外探測系統(tǒng)探測到的某型真實驅(qū)逐艦在復(fù)雜海洋背景下的紅外輻射熱像圖。

圖1 某型驅(qū)逐艦的紅外熱像圖

紅外探測系統(tǒng)所探測的熱像圖是艦船表面輻射度的分布,而艦船表面溫度影響著輻射度的分布,因此艦船表面的溫度分布直接反映艦船紅外輻射的分布特性[3]。

從圖1可看出,艦船目標(biāo)的紅外輻射特性主要通過以下部位表現(xiàn)出來:一是被機艙通風(fēng)氣體和上升煙道熱廢氣所加熱的煙囪部位;二是煙囪頂部的上升煙道金屬,它處于上層建筑,溫度極高;三是艦船輪機艙。

2.3 艦船表面溫度分布

艦船表面溫度歸根到底是每個面元溫度的迭加。由于每個面元所處方位的不同,同一時間所接受到的外界環(huán)境條件不同,可以將艦船表面按所處方位劃分為多個小面元,通過對每個面元進行迭加計算,進而得出艦船表面溫度分布[4]。

圖2是某型艦船在中等晴天氣象條件下測得的表面溫度分布圖。由圖可知,不同面元由于其天頂角不同所受外部環(huán)境影響差異,導(dǎo)致表面溫度隨時間變化不同,表現(xiàn)在峰值大小及出現(xiàn)的時刻不同。白天外部環(huán)境條件的影響中太陽輻射占據(jù)了主導(dǎo)地位,凌晨六點前后,氣溫最低,殼體所受外界環(huán)境輻射最小,故而表面溫度最低。

圖2 艦船表面溫度動態(tài)分布

3 艦船紅外靶標(biāo)研究現(xiàn)狀

艦船紅外靶標(biāo)的研制是以紅外成像技術(shù)為基礎(chǔ),通過對艦船表面溫度分布、紅外圖像產(chǎn)生原理分析計算來確定紅外靶標(biāo)的整體設(shè)計的[5]。近年來,根據(jù)國內(nèi)外的研究狀況以及靶場海試打靶的需求,多種形式的可供外場使用的艦船紅外模擬靶相繼研制成功。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,艦船紅外模擬靶主要有以下兩類。

3.1 陣列式智能紅外模擬靶標(biāo)

國內(nèi)靶試采用的艦船紅外靶標(biāo)多為陣列式紅外靶,采用電阻類加熱模塊,通過一個復(fù)雜的電子控制系統(tǒng),對加熱電阻陣列的加熱量進行控制,從而生成紅外熱像圖,實現(xiàn)對艦船目標(biāo)的紅外輻射特性模擬[6]。

加熱電阻陣列由許多微小加熱元件首先組成加熱電阻模塊,然后每個加熱電阻模塊根據(jù)需要集成在不良導(dǎo)熱體基片上組成大的加熱模塊,形成加熱電阻陣列。陣列可以單片設(shè)計,也可以把許多陣列合成大陣列,構(gòu)成一幅紅外圖像輻射源,這樣就可以模擬真實艦船形狀尺寸,形成足夠的艦船紅外輻射有效面積[7]。

圖3為陣列式智能紅外模擬靶標(biāo)常用的加熱電阻單元模塊,為32×32元件陣列。

圖3 加熱電阻單元模塊

3.2 紅外激光直投模擬靶標(biāo)

美國Amord工程發(fā)展中心研制過一種紅外激光直投模擬靶標(biāo),它的工作原理是紅外景象信息轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)目刂菩盘?通過一個復(fù)雜的電子控制系統(tǒng),控制聲光儀器,該聲光儀器將一束激光進行角偏移和強度調(diào)制,調(diào)制的激光經(jīng)過光學(xué)窗口和光學(xué)透鏡直接投射到目標(biāo)焦平面陣列上,對焦平面陣列上的每個像素點進行加熱,模擬生成艦船目標(biāo)紅外圖像。

針對目前國內(nèi)外艦船紅外靶標(biāo)研究現(xiàn)狀,結(jié)合靶場實彈打靶試驗中現(xiàn)有紅外靶標(biāo)的實際使用情況,采用陣列式紅外模擬靶一方面因其加熱電阻陣列體積較大、質(zhì)量較重,元件自身的阻值會隨著溫度的變化而變化,導(dǎo)致加熱電阻的熱容量、熱慣性較大,達到熱平衡需要較長的加熱時間且難以準(zhǔn)確控制加熱電阻的溫度值[8];另一方面,加熱電阻陣列采用模塊化拼接方式固定在船體支架上,導(dǎo)致透風(fēng)性差、質(zhì)心高、受風(fēng)面積大、船體穩(wěn)定性差,靶試時無論是拖靶還是布靶,難度極大。因此,提出一種新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計方案。

4 新式艦船紅外靶標(biāo)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

擬設(shè)計的新式艦船紅外靶標(biāo)整體結(jié)構(gòu)與靶場現(xiàn)有的靶標(biāo)大抵相同,主要由浮筒式簡易船體、紅外輻射源、緊固框架和外圍供電控制系統(tǒng)組成。因采用卷簾式碳纖維電加熱布設(shè)計,靶標(biāo)系統(tǒng)額外增加了卷簾控制裝置。

1)船體。船體的主要作用是用來為靶體和靶載設(shè)備提供運載、安裝平臺,在滿足試驗要求的前提下,盡量減小船體尺寸,結(jié)構(gòu)盡量簡單,盡量減少武器直接命中時造成的損失。紅外試驗靶標(biāo)擬采用浮筒式簡易金屬船體,考慮到典型艦船目標(biāo)的外形尺寸,設(shè)計紅外試驗靶標(biāo)的船體尺寸為75m×10m。

2)緊固框架。緊固框架用于固定并支撐碳纖維加熱布,采用獨立框架模塊設(shè)計,每個獨立框架模塊采用角鋼拼成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。紅外試驗靶標(biāo)的緊固框架焊接在船舷和甲板上,并采用加強材進行加固,以保證足夠的結(jié)構(gòu)強度。例如,每個獨立框架模塊尺寸為5m×5m,緊固框架由20個獨立框架模塊分成10組,每組框架上下兩層,橫向間距200mm,就可形成最大紅外輻射面積為50m×10m的矩形面,比較真實模擬戰(zhàn)場典型艦船目標(biāo)的紅外有效輻射面積。

緊固框架在船體上的整體布局如圖4所示。

圖4 緊固框架整體平面結(jié)構(gòu)圖

3)紅外輻射源。紅外輻射源是靶標(biāo)系統(tǒng)的主要組成部分,由碳纖維電加熱布、溫度控制裝置、外圍供電設(shè)備等組成。

(1)碳纖維電加熱布

現(xiàn)有紅外靶標(biāo)加熱電阻元件質(zhì)量重、易與支架鋼板產(chǎn)生熱交換,導(dǎo)致靶標(biāo)整體重心高、穩(wěn)定性差且影響靶標(biāo)系統(tǒng)熱平衡,因此采用碳纖維電加熱布作為靶標(biāo)的紅外輻射材料。

如果虐待來自家庭成員以外的人，報警后由人民檢察院向法院提起公訴。我國法律規(guī)定，對未成年人、老年人、患病的人、殘疾人等負有監(jiān)護、看護職責(zé)的人虐待被監(jiān)護、看護的人，情節(jié)惡劣的，處三年以下有期徒刑或者拘役。

碳纖維加熱布是近年來新發(fā)展的一種高韌性電加熱合成材料,其質(zhì)量輕、強度大、不易磨損,且內(nèi)表面為碳纖維材料組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),外表面為絕緣布,可以將其看成灰體,發(fā)射率恒定不變[9]。加熱布通電以后為面狀發(fā)熱,且可以按需進行溫度控制。因此,碳纖維電加熱布可有效解決現(xiàn)有紅外靶標(biāo)重心高、穩(wěn)定性差、易與外界熱交換等問題。

(2)溫度控制裝置

溫度控制裝置是靶標(biāo)紅外輻射源的核心裝置,其主要任務(wù)是根據(jù)被模擬艦船目標(biāo)的表面溫度場分布,或者根據(jù)被模擬艦船目標(biāo)主要的溫度特征點,自動控制電加熱布的表面溫度,實現(xiàn)對艦船目標(biāo)表面溫度的真實模擬。

其控制原理為:將傳感器粘貼于加熱布表面,用以獲取加熱元件表面溫度值。實際試驗時,通過主控計算機向溫控儀表發(fā)送溫度設(shè)置命令,溫控儀表根據(jù)傳感器傳回的溫度信號自動控制繼電器的開關(guān),從而實現(xiàn)對加熱布表面溫度的控制。圖5為溫度控制裝置原理圖。

圖5 溫度控制裝置原理圖

4.2 卷簾式聯(lián)動控制

1)卷簾式設(shè)計

為了真實模擬戰(zhàn)場典型艦船目標(biāo)的紅外有效輻射面積,電加熱布需要固定且套在每個獨立框架上,整體形成面積很大的矩形加熱輻射面,將使靶標(biāo)透風(fēng)性差、受風(fēng)面積大,很難滿足靶場試驗對靶標(biāo)的要求。本方案擬采用卷簾式設(shè)計[10],以每組緊固框架為一個單元,碳纖維加熱布按緊固框架的外形尺寸將整體加熱面切分為幾個小的面以卷曲的形式固定在緊固框架的頂端。實際供靶時,靶標(biāo)達到預(yù)定地點之前,加熱布以卷曲的形式始終固定在緊固框架的頂端,使得靶標(biāo)的透風(fēng)性良好,最大限度地減小海面風(fēng)力形成的風(fēng)帆效應(yīng),降低布靶的難度;到達預(yù)定布靶地點時,釋放卷簾式電加熱布,通過聯(lián)動控制裝置,控制加熱布展開并固定在緊固框架的表面,形成加熱布紅外輻射面。

根據(jù)獨立緊固框架的外形尺寸可將每組加熱布切分為五個小的面源,分別對應(yīng)緊固框架的不同部位,以卷曲形式固定在框架的頂端。

圖6為每組電加熱布切分示意圖。采用卷簾式設(shè)計,除了能夠較好解決實彈打靶時紅外靶標(biāo)的布靶問題,還有以下優(yōu)點:

圖6 電加熱布切分示意圖

(1)通用性強,可互換使用;

(2)易于維修,避免一點損壞,全部更換,減小后勤保障壓力;

(3)以卷曲的形式固定,可有效保持加熱布的表面清潔。

2)聯(lián)動控制裝置

聯(lián)動控制裝置采用機械化設(shè)計,人工手動操作,主要任務(wù)是控制加熱布的卷曲、展開并固定在緊固框架的表面。靶標(biāo)在拖至布靶地點之前以及試驗任務(wù)結(jié)束后返回碼頭過程中,聯(lián)動控制裝置始終控制加熱布以卷曲的形式固定在緊固框架的頂端;當(dāng)靶標(biāo)到達預(yù)定布靶地點時,布靶人員啟動聯(lián)動裝置,加熱布展開并固定在緊固框架上,形成有效輻射面。

4.3 電加熱布表面溫度模擬

紅外靶標(biāo)系統(tǒng)以真實艦船目標(biāo)表面溫度分布為真值數(shù)據(jù)源,通過對電加熱布表面溫度的自動控制,最終實現(xiàn)真實目標(biāo)與背景紅外特性的逼真再現(xiàn)。

加熱布固定在緊固框架的表面,形成電加熱布輻射面。將典型艦艇目標(biāo)的空間布局在加熱布輻射面上做平面幾何投影圖,按照典型艦艇的紅外輻射特征,在碳纖維加熱布輻射面上劃分上層建筑、雷達、煙囪、煙囪口、艦炮、輪機艙、船身等7個板塊,將各個板塊都近似為矩形,給定每個板塊的范圍,按照典型艦船目標(biāo)表面溫度場分布特點,確定每個板塊需要模擬的溫度值,自動控制電加熱布按需進行溫度控制。其中,煙囪、煙囪口和上層建筑應(yīng)作為主要溫度特征點進行重點模擬。

5 結(jié)語

隨著紅外探測技術(shù)的進步,對紅外靶標(biāo)模擬的真實性越來越高,靶標(biāo)設(shè)計復(fù)雜程度越來越大,試驗供靶越來越難。采用卷簾式電加熱布溫度模擬的靶標(biāo)設(shè)計方案,較好解決了試驗供靶中出現(xiàn)的紅外靶標(biāo)受風(fēng)面積大、重心高、船體穩(wěn)定性及海況適應(yīng)能力差等難題。但在試驗使用中還是存在一些不足之處,比如電加熱布采用卷簾式設(shè)計增加了溫度控制的難度;在高海況條件下,較難控制電加熱布的卷曲、展開與固定等等。我們只有正視這些不足,不斷提出改進的方法,才能有效提高試驗靶標(biāo)保障水平,滿足日益繁重的試驗、訓(xùn)練和演練的需要。

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DesignMethodforInfraredDroneofANew-styleShip

DU Peng YU Jianjun LIU Weiguo

(No.91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

In this paper, the study status of ship infrared drone is introduced.There are some questions in the trial range use of infrared drone, such as higher center of gravity, bigger volume and lower stability.A new-style design scheme of ship infrared drone is provided.In the scheme the infrared radiant characteristics of typical ship are modeled with an auto-control for temperature.The actual problems in use of existing infrared drone are better solved.

infrared imaging, skin temperature, radiant intensity, infrared drone

2014年3月7日,

:2014年4月14日

杜鵬,男,工程師,研究方向:武器裝備試驗與仿真。余建軍,男,工程師,研究方向:武器裝備試驗總體技術(shù)。劉維國,男,博士,高級工程師,研究方向:武器裝備試驗及作戰(zhàn)使用。

TN21DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.09.041