裝甲車輛紅外特征探測性分析

趙耀，鄭海文*，劉志同，張振友

(1.陸軍炮兵防空兵學院鄭州校區(qū)，鄭州 450052； 2.中國人民解放軍95816部隊，武漢 432200)

裝甲車輛是陸軍地面作戰(zhàn)的主要突擊力量，俄烏沖突等局部戰(zhàn)爭表明，裝甲車輛較強的紅外輻射特征容易被紅外反坦克武器發(fā)現(xiàn)和識別，進而成為被打擊的目標，其戰(zhàn)場生存能力面臨巨大挑戰(zhàn)，因此亟須對裝甲車輛的紅外輻射特性進行研究。由于發(fā)射率是控制表面熱特征的關(guān)鍵參數(shù)，對目標的隱身起到了重要作用。因此大量相關(guān)學者進行了相關(guān)研究。王剛[1]利用Fluent軟件建立了飛機蒙皮表面和內(nèi)部的傳熱模型，在考慮環(huán)境及表面發(fā)射率等因素的基礎(chǔ)上，采用OpenGL模擬得到了飛機的紅外圖像。牛春洋[2]在建立了車輛溫度場的基礎(chǔ)上計算了目標紅外輻射特性，為了使仿真結(jié)果更為精確，搭建了發(fā)射率測試平臺，對車輛表面的發(fā)射率進行了測量。李俊山等[3]研究了在水泥和土壤背景下特種車輛表面處于不同發(fā)射率時為了達到隱身所需要控制的溫度。余慧娟等[4]為了控制車輛的紅外輻射特征，降低被打擊的概率，提出了低發(fā)射率晶體裝置，最后通過對研制的樣件進行試驗來驗證紅外抑制效果。李葉[5]為了降低目標紅外輻射特性，對低發(fā)射率的隱身橡膠涂層材料的制備及性能進行了研究。趙曉楓等[6-7]為了對特種車輛紅外偽裝效果進行分析，利用改進算法對目標紅外圖像進行探測識別，能夠較為精確地評估目標的偽裝效果。孫建平等[8]為了完成在復(fù)雜背景環(huán)境中對空中目標紅外特征的精確識別，分析了不同因素對飛行器蒙皮表面紅外輻射特性的影響規(guī)律，為下一步提高紅外制導武器探測能力發(fā)展提供了理論參考。白文可[9]為了對紅外輻射的探測特性進行研究，利用搜集的實測數(shù)據(jù)集建立了雙向反射率模型，在此基礎(chǔ)上進行了外場試驗，將試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行了對比，驗證了模型的精度。劉亦舒[10]以復(fù)雜環(huán)境背景下的典型空中目標為研究對象，基于紅外探測機理提出了目標紅外圖像處理技術(shù)，最終實現(xiàn)了對目標的探測識別。但上述的研究沒有分析在發(fā)射率較低的情況下在各主要紅外波段對探測的影響，也沒有充分考慮目標反射的背景輻射，同時也沒有確定目標與背景溫差與探測距離和探測概率的關(guān)系。

現(xiàn)以某型裝甲車輛為研究對象，在充分考慮目標反射的背景輻射的情況下，首先建立紅外探測器表觀溫差計算模型，搭建試驗測試系統(tǒng)。然后利用MATLAB建立一個圖形用戶界面，仿真得到各主要輻射波段的表觀溫差。最后建立基于對比度的隱身效率評估模型，對比分析降低溫差和降低發(fā)射率兩種隱身措施的優(yōu)劣。以期能夠為裝甲車輛紅外目標特性的研究提供理論參考。

1 表觀溫差數(shù)值計算模型的建立和驗證

1.1 表觀溫差數(shù)值計算模型的建立

根據(jù)普朗克公式,黑體光譜輻射出射度計算公式為

(1)

式(1)中：λ為波長；c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)；T為目標溫度。實際物體的光譜輻射出射度計算公式為

(2)

式(2)中：ε為半球光譜發(fā)射率。

紅外探測器所接收到的裝甲車輛輻射包含車輛自身輻射和對周圍環(huán)境輻射的反射，這些輻射經(jīng)大氣衰減和輻射，到達探測器，裝甲車輛輻射Mtot的計算公式為

Mtot=ετMbλ+(1-ε)τMamb+(1-τ)Matm

(3)

式(3)可以被寫為

(4)

可以得到表觀目標溫度Tobj和表觀環(huán)境溫度Tamb的計算公式為

(5)

(6)

表觀溫差ΔT的計算公式為

ΔT=Tobj-Tamb

(7)

1.2 試驗驗證

為了驗證紅外熱像儀表觀溫差計算模型的準確性，搭建了試驗測試系統(tǒng)，測試場布置如圖1所示。

圖1 測試場布置圖Fig.1 Test field layout diagram

探測目標為裝甲車輛，環(huán)境背景為土砂路，選取裝甲車輛動力艙的紅外特性為目標紅外特性，選取相鄰路面作為背景。測試時紅外探測儀和目標的垂直距離為13.5 m，水平距離為31.5 m，直線距離為34.3 m，紅外探測儀采用FLIR A65型紅外熱像儀，該熱像儀包括專用試驗臺架，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)，該儀器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 FLIR A65型紅外熱像儀參數(shù)Table 1 FLIR A65 infrared thermal imager parameters

表觀溫差數(shù)值計算模型試驗驗證結(jié)果如圖2所示。可以看出，動力艙溫度最大值為45.9 ℃，路面的溫度為21.5 ℃，表觀溫差為24.4 ℃，按照模型的計算結(jié)果為26.8 ℃，相對誤差為10.71%，符合工程的要求，說明表觀溫差數(shù)值計算模型精度較高。

圖2 表觀溫差數(shù)值計算模型試驗驗證結(jié)果Fig.2 Model test results of apparent temperature difference numerical calculation

2 發(fā)射率對目標探測的影響

在MATLAB中編制了程序，利用該程序，計算了在給定目標和背景真實溫差的情況下，計算目標發(fā)射率對紅外探測系統(tǒng)表觀溫差的影響。圖3為目標發(fā)射率對中紅外輻射波段的表觀溫差的影響?？梢钥闯?，隨著目標發(fā)射率從1降低到0.35，各個真實溫差在探測儀上顯示的表觀溫差都出現(xiàn)了降低，當發(fā)射率降低到0.35時，真實溫差為9、8、7、6、5 K時，表觀溫差分別降低了16.07%、18.01%、19.04%、23.83%、52.44%。這說明在中紅外輻射波段，目標和背景真實溫差越小，發(fā)射率對表觀溫差的影響就越明顯。

圖3 目標發(fā)射率對中紅外輻射波段的表觀溫差的影響Fig.3 Effect of target emissivity on apparent temperature difference in mid-infrared radiation band

圖4為目標發(fā)射率在遠紅外輻射波段對表觀溫差的影響。可以看出，隨著目標發(fā)射率從1減少到0.35，真實溫差9、8、7、6、5 K在探測儀上顯示的表觀溫差分別為6.34、4.59、2.66、0.73、-1.42 K?？梢园l(fā)現(xiàn)，當目標和背景真實溫差為5 K時，隨著發(fā)射率的降低，甚至出現(xiàn)了負表觀溫差的情況。這說明，在遠紅外輻射波段，如果目標和背景的真實溫差較低，則發(fā)射率過低，甚至低到一定值時，會導致負表觀溫差的情況。

圖4 目標發(fā)射率在遠紅外輻射波段對表觀溫差的影響Fig.4 Effect of target emissivity on apparent temperature difference in far-infrared radiation band

紅外制導武器發(fā)現(xiàn)裝甲目標的距離關(guān)系著裝甲目標的戰(zhàn)場生存能力，對同樣的裝甲目標，探測距離越長，說明目標越容易被發(fā)現(xiàn)并打擊，探測距離越短，則說明目標的隱身性能較好。紅外探測器距離探測性能存在著許多計算模型，采用NVTHERM模型建立了探測距離計算模型，探測距離R的計算公式為

(8)

式(8)中：C為對比度；IB為背景紅外輻射強度；τ0為光學系統(tǒng)透過率；D0為系統(tǒng)通光孔直徑；D*為探測器歸一化探測率；F為焦比；SNR為系統(tǒng)信噪比；ω為瞬時視場角；Δf為等效噪聲帶寬。

利用探測距離計算模型模擬了目標發(fā)射率在中紅外輻射波段對探測距離R的影響，如圖5所示?？芍?，隨著目標發(fā)射率從1降低到0.35，真實溫差9、8、7、6、5 K在探測儀上的探測距離分別從6.344 67、5.994 3、5.700 7、5.361 7、5.022 57降到了6.028 14、5.530 94、5.259 74、4.751 17、3.497，降幅分別為4.99%、7.73%、7.74%、11.39%、30.37%?？梢钥闯觯谥屑t外輻射波段，發(fā)射率在真實溫差越小的情況對探測距離影響比較顯著。

圖5 目標發(fā)射率在中紅外輻射波段對探測距離的影響Fig.5 The influence of target emissivity on detection range in mid-infrared radiation band

利用探測距離計算模型模擬了目標發(fā)射率在遠紅外輻射波段對探測距離的影響，如圖6所示。從圖中可知，隨著目標發(fā)射率從1降低到0.35，真實溫差9、8、7、6、5 K在探測儀上的探測距離分別從6.427 9、6.125 05、5.766 13、5.351 01、5.059 37降到了6.041 99、5.537 26、5.212 03、4.123 86、3.529 45，降幅分別為6.00%、9.60%、9.61%、22.93%、30.24%。其中需要注意的是：在真實溫差為5 K且發(fā)射率為0.472時，3.285 62 km為最小探測距離，當發(fā)射率繼續(xù)降低時，探測距離的變化趨勢跟其他溫差不同，開始出現(xiàn)了上升的趨勢，這說明在遠紅外波段，并不是發(fā)射率越低探測距離就越低，如果目標和背景的真實溫差較低，則發(fā)射率低到一定值時，不僅會造成表觀溫差為負值，甚至會導致目標更長的被探測范圍。

圖6 目標發(fā)射率在遠紅外輻射波段對探測距離的影響Fig.6 The influence of target emissivity on detection range in far-infrared radiation band

3 目標隱身效果評估

紅外制導武器對目標的發(fā)現(xiàn)和識別主要依據(jù)目標與背景的對比特性及其成像特征來實現(xiàn)。目標的隱身效果評價涉及兩個要素：探測距離和探測概率。因此，裝甲車輛目標隱身效率的評價首先要確定溫差與探測距離和探測概率的關(guān)系。

3.1 相同探測距離下探測概率與溫差的關(guān)系

作用距離是紅外制導武器的一個重要的綜合性能指標，它主要取決于紅外導引頭成像系統(tǒng)的性能，是系統(tǒng)探測的信噪比為某一定值時的最大探測距離[11]。

對于裝甲車輛目標來說，紅外制導反坦克導彈大多采用面源目標探測方式，紅外探測儀以圖像探測方式進行工作，用于探測目標的信號強度由接收到的目標與背景之間的輻射度差ΔI決定，其計算公式為

ΔI=τ(Iobj-IB)

(9)

式(9)中：Iobj為目標的紅外輻射強度。

裝甲車輛目標采用紅外隱身措施后，被紅外導引頭發(fā)現(xiàn)的距離減小，或者說在相同距離內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的概率降低。因此，目標的紅外隱身效果可由在一定的探測概率條件下紅外熱成像系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)距離進行評估，也可由在一定的距離內(nèi)的探測概率進行評估。

紅外導引頭成像系統(tǒng)能夠檢測到的目標的探測距離的計算方法一般是利用目標和背景的表觀溫度而非真實溫度，而在對裝甲目標的隱身效果進行評估時，目標與背景紅外輻射強度差和大氣透過率是測量要素，紅外導引頭的作用距離和探測概率則是評估要素。

對于空間頻率為f的目標，它與背景的真實溫差ΔTa在經(jīng)過大氣衰減到達熱成像系統(tǒng)時的表觀溫差ΔT，應(yīng)大于或等于系統(tǒng)對應(yīng)該頻率的最小可分辨溫差MRTD(f),同時目標對系統(tǒng)的張角θ應(yīng)大于或等于觀察等級所要求的最小視角，人眼通過熱成像系統(tǒng)才能觀察到目標[12]。視距估算計算模型為

(10)

式(10)中：H為目標自身高度；Ne為不同觀察等級所要求的目標等效條帶數(shù)。

依據(jù)Johnson準則，可得出其不同探測概率下的探測距離與溫差的關(guān)系如圖7所示。可以看出：隨著真實溫差增加，不同探測概率下的探測距離都有所增加，但增加的幅度并不呈現(xiàn)線性增長的趨勢。

圖7 不同探測概率下的探測距離與溫差的關(guān)系Fig.7 Relationship between detection distance and temperature difference under different discovery probability

通過式(10)計算，得到了在固定距離20 km處，溫差與可分辨線對數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

針對圖8計算的結(jié)果，可采用冪函數(shù)來擬合真實溫差和可分辨線對數(shù)的關(guān)系為

圖8 20 km處溫差與可分辨線對數(shù)的關(guān)系Fig.8 The relationship between temperature difference at 20 km and the number of distinguishable lines

n=-7.527ΔT0.068+15.95

(11)

式(11)中：n為可分辨線對數(shù)。

通過式(11)可得到相同距離下溫差與探測概率的關(guān)系，因此可以計算出在20 km處，當真實溫差降至0.625 ℃時，目標的探測概率接近為0。

3.2 相同探測概率下探測距離與溫差的關(guān)系

根據(jù)式(10)可以求解得到目標探測距離與真實溫差的關(guān)系如圖9所示。

采用冪函數(shù)對圖9中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到的公式為

圖9 目標探測距離與真實溫差的關(guān)系Fig.9 Relationship between target detection distance and real temperature difference

R=-8.513ΔT0.056+17.4

(12)

當溫差由大變小時，相同探測距離下的探測概率會變小，同時當溫差由大變小時，相同探測概率下，目標被發(fā)現(xiàn)的距離也會變小。經(jīng)計算可以發(fā)現(xiàn)：當溫差降至42 ℃時，95%探測概率的情況下，裝甲車輛被發(fā)現(xiàn)的最遠距離為10 km。

3.3 試驗分析

3.3.1 評估準則

隱身效果評估主要研究的是在不同的探測概率情況下的目標能被發(fā)現(xiàn)的最遠距離與溫差的變化關(guān)系，在評估時以紅外熱像系統(tǒng)對未采取隱身措施的裝甲車輛目標達到50%的探測概率時的作用距離為基準，比較在此距離內(nèi)紅外熱成像系統(tǒng)對采取隱身措施前后的目標的探測概率，依據(jù)探測概率的變化倍率確定目標的紅外隱身效果[13]。

假設(shè)目標隱身前后紅外熱成像系統(tǒng)的探測概率分別為p0和p1，探測概率的變化倍率k的計算公式為

(13)

將目標的紅外隱身效果根據(jù)k分為5級，分級公式為

(14)

對于n次試驗，目標的探測概率p的計算公式為

(15)

式(15)中：m為發(fā)現(xiàn)目標的次數(shù)。

根據(jù)式(15)可以計算紅外探測系統(tǒng)在裝甲目標采用隱身措施前后的探測概率，然后根據(jù)式(14)來評估目標的隱身效果。

3.3.2 試驗分析

(1)試驗方案。試驗地點為某駕駛車場，風速為2.54 m/s，大氣溫度為9～19 ℃，大氣壓力為101 kPa，天空晴朗少云，大氣透明度為0.75，2輛裝甲車輛同時發(fā)動，一輛未采用任何隱身措施，一輛則噴涂了低發(fā)射率的隱身涂料，試驗工況為2 000 r/min，油門開度為80%。讓裝甲車輛工作至柴油機達到熱平衡狀態(tài)，散熱器進出口水溫和油溫保持穩(wěn)定，這時開始測試。

(2)測試儀器。FLIR A65型紅外熱像儀1臺，用于拍攝試驗對象熱像圖；NP 15型便攜式紅外測溫儀1臺，用于測試試驗對象標記部位的溫度；RS 485型溫濕度表用于獲取試驗中的氣象數(shù)據(jù)；RWRFC2-6000H型激光測距儀，用于準確測量試驗?zāi)繕说木嚯x。

(3)測試時間。從當日上午10：00到次日上午10：00，每30 min測量1次數(shù)據(jù)。

(4)結(jié)果分析。通過測量可知未采用任何隱身措施的裝甲車輛與環(huán)境某點的溫差為42 ℃，在50%探測概率下，其被發(fā)現(xiàn)的距離為20.6 km。然后依據(jù)評估準則在20.6 km處使用紅外熱像儀來評定采用隱身材料和溫差變化對裝甲車輛隱身效果的影響。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，噴涂隱身涂料的裝甲車輛在同一時刻，其探測概率經(jīng)過計算為23.5%，換算成探測概率的變化倍率，數(shù)值為0.47，屬于3級隱身效果，說明采用隱身涂料等隱身技術(shù)措施可以顯著增強隱身效果。當未采用任何隱身措施的裝甲車輛與環(huán)境的溫差降低為19.9 ℃時，通過計算，其探測概率為27%，換算成探測概率的變化倍率，數(shù)值為0.54，屬于2級隱身效果。

通過進一步計算可以發(fā)現(xiàn)：未采用任何隱身措施的裝甲車輛的溫差降幅為52.6%，但探測概率的降幅僅為46%，小于溫差降幅，同時測量發(fā)現(xiàn)溫度下降到19.9 ℃的時間長達23 min。對比噴涂隱身材料的裝甲車輛，在同樣的車況下，探測概率降幅則達到了53%，可以看出采用隱身材料等技術(shù)手段可以顯著降低裝甲車輛目標的探測概率，提高裝甲車輛的隱身效果。

4 結(jié)論

以某型裝甲車輛為研究目標，研究了表面發(fā)射率對探測目標的影響，并對目標隱身效果評估進行了研究，主要結(jié)論如下。

(1)發(fā)射率對探測儀器的表觀溫差的影響都比較大，隨著目標發(fā)射率降低，表觀溫差均出現(xiàn)了下降，目標和背景真實溫差越小，發(fā)射率對表觀溫差的影響就越明顯，在遠紅外輻射波段甚至出現(xiàn)表觀溫差為負值的情況。

(2)目標與背景的真實溫差和目標發(fā)射率對探測距離的影響都比較大，一般情況下隨著真實溫差的降低和目標發(fā)射率的降低，探測距離也呈現(xiàn)下降的趨勢，但是在遠紅外輻射波段，當溫差特別小且目標發(fā)射率降低到一定程度后，探測距離則會出現(xiàn)升高的趨勢。

(3)對計算結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著真實溫差增加，不同探測概率下的探測距離都有所增加，但增加的幅度并不呈現(xiàn)線性增長的趨勢。當溫差由大變小時，相同探測距離下的探測概率會變小，同時當溫差由大變小時，相同探測概率下，目標被發(fā)現(xiàn)的距離也會變小。

(4)與通過降低溫差相比，采用低發(fā)射率的隱身涂料等技術(shù)措施，能夠顯著地降低探測概率，提高隱身效果。