末敏子彈的紅外成像實(shí)驗(yàn)方法

張 俊，劉榮忠，郭 銳，徐國(guó)軍

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.南京理工大學(xué)智能彈藥國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

末敏子彈作為靈巧彈藥的典型代表，能夠在目標(biāo)區(qū)上空自動(dòng)搜索、掃描、識(shí)別并攻擊裝甲目標(biāo)頂部，它具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、毀傷效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。研究末敏彈的紅外輻射特性不僅能為其彈道測(cè)試、隱身技術(shù)、紅外成像仿真及小目標(biāo)的跟蹤捕獲等提供理論基礎(chǔ)，而且對(duì)于發(fā)展對(duì)抗末敏彈的技術(shù)也有重要意義。倘若紅外偵察預(yù)警系統(tǒng)能夠盡早發(fā)現(xiàn)末敏彈，使被攻擊目標(biāo)有一定的反應(yīng)時(shí)間，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)或防御措施。比如及時(shí)彈射誘餌氣囊，發(fā)射紅外煙幕彈、電磁干擾信號(hào)或主動(dòng)擊落等，這些措施都能夠有效降低裝甲目標(biāo)被末敏子彈命中或毀傷的概率[2]。

飛行器的紅外輻射特性一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，但科研人員主要針對(duì)高速飛行器開展研究[3-5]，而對(duì)于末敏彈這類有著復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是其穩(wěn)態(tài)掃描階段的速度很低，其紅外輻射特性的研究很少。在飛行器熱輻射特性的實(shí)驗(yàn)方面：Sidonie提出了一種模擬飛行器散射紅外特征的試驗(yàn)方法[6]；Engelhardt開發(fā)了一種可自動(dòng)根據(jù)環(huán)境的紅外輻射亮度調(diào)節(jié)飛行器蒙皮溫度的實(shí)驗(yàn)裝置[7]，通過控制電路可對(duì)蒙皮進(jìn)行加熱或冷卻，使飛行器蒙皮的紅外輻射亮度始終與環(huán)境輻射亮度相近，從而達(dá)到降低飛行器的紅外輻射對(duì)比度并縮短紅外導(dǎo)引頭的探測(cè)距離。文獻(xiàn)[8]針對(duì)高速飛行器的氣動(dòng)熱環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其原理是通過熱輻射傳遞給飛行器表面的熱流等于氣動(dòng)加熱傳遞給飛行器的熱流，以進(jìn)行瞬態(tài)飛行熱環(huán)境的模擬和結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析。文獻(xiàn)[9]分析了末敏子彈的氣動(dòng)換熱、熱輻射及內(nèi)部導(dǎo)熱的耦合作用機(jī)理，計(jì)算了彈體表面的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)比分析了彈體和降落傘的紅外輻射特性，并對(duì)探測(cè)視線方向的天空背景輻射特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10—11]通過理論建模結(jié)合數(shù)值模擬的方法，研究了末敏彈減速減旋段的氣動(dòng)加熱及紅外輻射特性。文獻(xiàn)[12]研究了末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外輻射特性，針對(duì)動(dòng)態(tài)紅外圖像淹沒于復(fù)雜云層背景的特點(diǎn)，提出了一種組合空域?yàn)V波算法，進(jìn)行了紅外圖像處理與目標(biāo)特征提取，但沒有分析末敏子彈的靜態(tài)熱輻射特性。

本文提出了一種針對(duì)末敏子彈的紅外成像實(shí)驗(yàn)方法，得到了末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像和降落過程中的動(dòng)態(tài)紅外圖像序列，結(jié)合紅外實(shí)驗(yàn)圖像特點(diǎn)，對(duì)比分析了末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外特征及大氣透過率在不同波長(zhǎng)和斜程下的分布規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步開展末敏彈的跟蹤識(shí)別、偵查預(yù)警等對(duì)抗評(píng)估技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。

1 典型末敏彈的作用原理

典型末敏彈是一種由子彈彈體、中央控制器、紅外探測(cè)器、毫米波天線及天線罩組件、穩(wěn)態(tài)掃描裝置、減速減旋裝置、傘彈連接裝置、爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部系統(tǒng)及電源等組成的智能彈藥[12]。減速減旋裝置在穩(wěn)定子彈的同時(shí)，可將末敏子彈的速度和轉(zhuǎn)速按照規(guī)定時(shí)間或距離降至有利于主渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘可靠張開的條件，隨之拋出渦環(huán)旋轉(zhuǎn)傘，帶動(dòng)彈體同步旋轉(zhuǎn)并穩(wěn)定降落。此時(shí)，彈軸與鉛垂方向成一定角度，復(fù)合敏感器在地面以螺旋線形式由外向內(nèi)對(duì)預(yù)定目標(biāo)進(jìn)入掃描搜索狀態(tài)，當(dāng)子彈距地面高度進(jìn)入預(yù)定攻擊范圍時(shí)，復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步識(shí)別目標(biāo)，此時(shí)，子彈的落速穩(wěn)定于約10 m/s，轉(zhuǎn)速約3 r/s。當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)確認(rèn)并鎖定目標(biāo)后，根據(jù)其距地面高度、轉(zhuǎn)速以及檢測(cè)識(shí)別算法等，計(jì)算最佳瞄準(zhǔn)點(diǎn)并起爆EFP戰(zhàn)斗部攻擊目標(biāo)頂部。如未能識(shí)別目標(biāo)，在離地20 m或者落地后當(dāng)熱電池的電壓降低至給定值時(shí)自毀。傘彈系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是末敏子彈復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)能否準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)的必要條件。穩(wěn)態(tài)掃描狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模型主要由子彈彈體、渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘、傘繩、傘盤、摩擦盤、連桿等組成，其中，渦環(huán)旋轉(zhuǎn)降落傘由傘衣幅和不同長(zhǎng)度的傘繩連接而成。傘衣幅上不對(duì)稱的開口設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)降落傘在充滿氣的情況下，形成一定的凸面和傾斜度，在下落過程中由于不對(duì)稱空氣動(dòng)力和力矩的作用下保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖1為典型傘降末敏彈的全彈道作用原理。

圖1 傘降末敏彈的作用原理Fig.1 Working principles of TSS with a parachute

2 紅外成像及輻射傳輸模型

利用紅外熱像儀對(duì)末敏子彈進(jìn)行熱輻射測(cè)溫時(shí)，其自身的熱輻射、反射的環(huán)境輻射以及大氣輻射經(jīng)鏡頭被聚焦到紅外探測(cè)器的焦平面列陣上，經(jīng)過視頻信號(hào)放大器的放大處理，信號(hào)處理系統(tǒng)將目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為三維熱分布圖像信號(hào)，最后在監(jiān)視器上以灰度或偽彩的方式顯示出來，其光譜變換作用主要表現(xiàn)在紅外探測(cè)器對(duì)入射到光學(xué)窗口內(nèi)的紅外輻射的選擇性接收和顯示器熒光屏的光譜輻射分布。圖2為末敏子彈的紅外圖像生成原理。

圖2 末敏子彈的紅外圖像生成原理Fig.2 Infrared image generation of TSS

紅外熱像系統(tǒng)的入瞳輻射由三部分組成，被測(cè)目標(biāo)表面的輻射能、環(huán)境物體反射的輻射能以及大氣的輻射能：

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

(1)

根據(jù)熱像儀工作波段下的響應(yīng)電壓和普朗特公式，可導(dǎo)出被測(cè)目標(biāo)表面溫度為：

(2)

當(dāng)被測(cè)目標(biāo)表面滿足灰體漫射特性，并近似認(rèn)為大氣吸收率等于發(fā)射率時(shí)，可得灰體表面的真實(shí)溫度：

(3)

式中，Eλ為熱像儀接收的輻射能；Ebλ為同溫度下的黑體輻射能；To為被測(cè)目標(biāo)的表面溫度；Te為環(huán)境溫度；Ta為大氣溫度；ελ為被測(cè)目標(biāo)表面發(fā)射率，τaλ為大氣光譜透射率，εaλ為大氣發(fā)射率；對(duì)于InSb(3～5 μm)探測(cè)器，n為8.68；對(duì)于HgCdTe探測(cè)器，工作波段為(6～9 μm)時(shí)，n為5.33，(8～14 μm)時(shí)，n為4.09。

對(duì)于氣流溫度為T∞、相對(duì)濕度為r、降雨強(qiáng)度為Jr、降雪強(qiáng)度為Js的氣象條件下，紅外輻射在傾斜路程(探測(cè)距離S、仰角θ、海拔高度H0)總的大氣光譜透射率為：

(4)

式(4)中，f為溫度T為時(shí)，飽和空氣中的水蒸汽質(zhì)量；μo、μc分別為大氣溫度為5℃、相對(duì)濕度為100%時(shí)，水蒸汽和二氧化碳的光譜吸收系數(shù)；Vm表示最大氣象視程；q為取決于大氣能見度的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在紅外圖像中，目標(biāo)與背景的全光譜輻射對(duì)比度為：

(5)

式(5)中，Mt為末敏子彈在紅外波段λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度，Ma為天空大氣背景在相同波段內(nèi)的輻射出射度；將背景溫度Ta和溫差ΔT代入上式，即可求得目標(biāo)與背景的全光譜輻射對(duì)比度。由上式看出目標(biāo)與背景溫度差ΔT越大，其輻射對(duì)比度越大，成像效果越好。

3 末敏子彈的紅外成像實(shí)驗(yàn)

3.1 靜態(tài)紅外成像

圖3 末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像序列Fig.3 Static infrared image sequences of TSS

由末敏彈的作用原理可知，目標(biāo)存在兩次減速導(dǎo)旋運(yùn)動(dòng)過程，其穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動(dòng)過程中的速度較低，不存在氣動(dòng)加熱，而彈體內(nèi)部的熱電池為中央處理器和復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)供電，在工作過程中所釋放的熱量是主要熱源。圖3為末敏子彈的熱電池激活后，利用熱像儀監(jiān)測(cè)得到的紅外圖像序列，熱像儀為軍用高分辨率MIKRON型號(hào)。采用黑體標(biāo)定后，發(fā)射率設(shè)定為0.6，工作波段為長(zhǎng)波8～14 μm，存儲(chǔ)速率為每秒25幀，每次可記錄24 s，測(cè)試距離約為1.6 m。實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)果表明，熱電池激活后，彈上熱電池附近的溫度迅速升高，末敏子彈的零視距紅外特征明顯，并主要以熱傳導(dǎo)的方式逐漸向整個(gè)彈體擴(kuò)散，監(jiān)測(cè)到第24 s時(shí)，熱電池附近的最高溫度接近80 ℃，面向探測(cè)器的其它區(qū)域溫度約為45 ℃。

3.2 動(dòng)態(tài)紅外成像

圖4為試驗(yàn)樣彈，熱氣球距地面的高度一定。以熱氣球在地面上的投影為中心，等間距對(duì)稱布置六個(gè)模擬裝甲目標(biāo)，用于考核末敏子彈上的紅外與毫米波復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)對(duì)金屬目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別效能。高速攝像儀的視場(chǎng)角一定，用于測(cè)試末敏子彈的下落速度。采用熱成像系統(tǒng)的配套軟件MIKROSPEC R/T實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)圖像，圖5為紅外圖像存儲(chǔ)與處理的軟件界面。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣彈Fig.4 Sample projectiles

圖5 紅外圖像存儲(chǔ)與處理的軟件界面Fig.5 The software for infrared images storage and processing

圖6為末敏子彈穩(wěn)定降落過程中的部分紅外圖像序列，“方框”標(biāo)出了末敏子彈所在區(qū)域。圖7給出了其中兩幀圖像的三維灰度分布規(guī)律。對(duì)比分析紅外圖像序列發(fā)現(xiàn)：末敏子彈幾乎完全淹沒于復(fù)雜云層背景和噪聲之中，其空間分辨力比可見光圖像低很多，在整體效果上沒有立體感，分辨率極低；這不僅是由于紅外成像器件的分辨率、靈敏度以及噪聲(主要包括熱噪聲、散粒噪聲、光子電子漲落噪聲等)的影響，更主要是由于紅外波段的輻射波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，在紅外輻射的傳輸過程中會(huì)經(jīng)過大氣吸收和隨機(jī)散射的作用。另外，復(fù)雜云層背景對(duì)成像的影響很大，紅外圖像的視覺表現(xiàn)為模糊、噪聲大、串?dāng)_、畸變等非均勻性，末敏子彈為只占幾像素到十幾像素的奇異點(diǎn)，缺乏尺寸、形狀等結(jié)構(gòu)信息，屬于典型的紅外弱小目標(biāo)；降落傘的紅外特征比彈體明顯，這是由于傘衣的幾何尺寸和發(fā)射率相對(duì)較大；對(duì)比分析末敏子彈的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)紅外實(shí)驗(yàn)圖像發(fā)現(xiàn)，末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的紅外輻射特征弱，利用紅外系統(tǒng)遠(yuǎn)距離跟蹤定位、探測(cè)識(shí)別的難度較大。

圖6 末敏子彈穩(wěn)定降落過程中的紅外圖像序列Fig.6 Infrared image sequences in the falling process of TSS

圖7 紅外圖像的三維灰度分布Fig.7 3-D grayscale distributions of infrared images

3.3 紅外輻射的大氣透過率

設(shè)氣象條件為天氣晴朗，無云、霧、雨、雪等氣象粒子的衰減，空氣相對(duì)濕度為80%，大氣能見度為10 km，海拔高度為1 km，傳播角度為30°。圖8給出了該氣象條件下，大氣透過率隨不同波長(zhǎng)和作用距離的三維分布規(guī)律。 圖9給出了H2O和CO2氣體分子在不同波段下對(duì)紅外輻射的吸收衰減規(guī)律。結(jié)果表明，紅外輻射衰減隨著紅外系統(tǒng)的作用距離增加而增大，而且在各波長(zhǎng)區(qū)間范圍內(nèi)，其衰減程度的差別較大，其中，在1～3 μm、3～5 μm及8～14 μm這三個(gè)大氣窗口的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紅外輻射的衰減程度較低；在2.6～3.1 μm和5.1～7.6 μm波段內(nèi)因水蒸氣吸收衰減，其透過率幾乎為零；在4.2～4.4 μm波段內(nèi)，由于CO2氣體分子對(duì)紅外輻射的吸收衰減作用，其輻射透過率也幾乎為零。

圖8 大氣透過率在不同波長(zhǎng)、斜程下的分布規(guī)律Fig.8 Distribution of atmospheric transmittance at different wavelengths and slant paths

圖9 H2O、CO2的熱輻射吸收規(guī)律Fig.9 Absorption laws of thermal radiation in H2O and CO2

4 結(jié)論

采取紅外成像實(shí)驗(yàn)研究方法，獲得了末敏子彈的靜態(tài)紅外圖像序列和降落過程中的動(dòng)態(tài)紅外圖像序列，結(jié)合實(shí)驗(yàn)圖像對(duì)比分析了末敏子彈的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)紅外特征以及紅外輻射大氣透過率在不同波長(zhǎng)和斜程下的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)末敏子彈的腔內(nèi)熱電池是其穩(wěn)態(tài)掃描階段的主要熱源，熱電池激活后，電池附近區(qū)域的溫度迅速升高，熱量逐漸向彈體表面擴(kuò)散，約24 s時(shí)，最高溫度接近80 ℃，面向探測(cè)器的其它區(qū)域溫度約為45 ℃。

2)在紅外輻射的傳輸過程中，由于受到大氣吸收、散射以及復(fù)雜云層背景的影響，其紅外圖像空間分辨力比可見光圖像低，目標(biāo)淹沒于復(fù)雜的云層背景和噪聲中，紅外圖像表現(xiàn)為只占幾像素到十幾像素的奇異點(diǎn)，缺乏幾何形狀和尺寸等特征信息。利用紅外系統(tǒng)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)跟蹤探測(cè)識(shí)別此類紅外弱小目標(biāo)的難度較大。

研究結(jié)果對(duì)于結(jié)合末敏彈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)開展動(dòng)態(tài)紅外圖像的目標(biāo)檢測(cè)以及紅外偵查預(yù)警仿真系統(tǒng)的對(duì)抗評(píng)估技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。