碘酒和碘伏的区别-读水浒传有感

第29卷第3期
2008年3月
兵工学报
ACTAARMAMENTA RII
Vol.29No.3
Mar.2008
凝视型红外搜索跟踪系统对武装
直升机作用距离的分析
牟达
1,2
,王建立,陈涛
11
(11中国 科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130031;21中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:作用距离是红外搜索跟踪(IRST)系统的主要技术指标之一,不同的战略目标具有不同< br>的红外辐射特性,需要建立不同目标的作用距离模型。通过对武装直升机的红外辐射特性进行分
析 ,建立了凝视型IRST系统对武装直升机的作用距离模型。通过实际算例的结果,进一步探讨了
影响其 作用距离的各方面因素。为凝视型IRST系统的设计和应用以及综合性能的评价提供了理
论依据。 关键词:电子技术;武装直升机;红外辐射;凝视型红外搜索跟踪系统;作用距离
中图分类 号:TP72215文献标志码:A文章编号:1000-1093(2008)03-0313-05
AnalysisonOperatingRangeofaStaringInfraredSearchan d
TrackSystemforArmedHelicopter
MUDa
1,2< br>,WANGJian-li
1
,CHENTao
1
(11Changc hunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,Chine seAcademyofSciences,Changchun130031,
Jilin,Chin a;21GraduateUniversity,ChineseAcademyofSciences,Be ijing100039,China)
Abstract:Operatingrangeisthe maintechniqueindexofaninfraredsearchandtrack(IRST) system.
Asthedifferentstrategictargetshavediffe rentinfraredradiationcharacteristics,thedifferento perat-
hanalyzingtheradiatecharac-
teristico fthearmedhelicopterintheories,theoperatingrangemod elofastaringIRSTsystemforthe
luencefactorsineve ryaspectonoperatingrangewereex-
ploredbythecalc ulatedresultofalivingexampletoprovidethetheoretica lbasisforthedesignandap-
plicationsaswellasthec omprehensiveevaluationofanIRSTsystem.
Keywords: electrontechnology;armedhelicopter;infraredradiati on;staringinfraredsearchand
tracksystem;operati ngrange
武装直升飞机具有高机动性、强大的火力系统、
有效的装甲防护和独特的超 低空飞行性能、灵活机
动的作战方式以及多功能的战场用途,可以有效地
对各种地面、水面、水 下和超低空目标进行精确的打
击,在现代立体合成作战中具有不可替代的地位。
凝视型红外搜索 跟踪(IRST)系统在军事上的
应用包括空中的或空基的监视,对天空、地面和海洋
背景下对 多种目标的地基或舰基长距离探测和跟
收稿日期:2006-03-16
作者简介:牟达( 1979)),女,博士研究生。E-mail:md
-
79@
踪。其探测能力主要表 现为作用距离,即系统对点
目标的极限探测距离。不同的飞行目标具有不同的
辐射特性,因此建 立凝视型IRST系统对武装直升
机作用距离的模型具有重要的战略意义。
1 武装直升机红外 辐射特性分析
武装直升机红外辐射特性的研究可以从实际飞
行试验测量和理论分析计算两个方面 进行。实际飞

314
兵 工 学 报
第29卷
行测量可以得到 直升机在真实飞行状态下的红外辐
射特性,但耗资巨大,工作繁琐;理论分析计算和实
际飞行试 验相比,所需经费少,也可以在一定程度上
模拟直升机的红外辐射特性。
武装直升机的红外辐射 主要包括以下几个部
分:机身蒙皮辐射、发动机排气管和其伸出蒙皮部分
的外壁辐射以及尾流的 选择性辐射。
IRST系统是对目标进行远距离探测,所以可
假设目标为朗伯源(一种均匀漫射 的物体)。已知目
标的等效温度T、发射率E,利用斯蒂芬)玻尔兹曼
4
公式L=ER TP(R为斯蒂芬)玻尔兹曼常数,R=
516697@10
-8

图1 由视线方向确定的直升机投影面积
Fig.1 Thehelicopterprojectionar eainthelineofsight
辐射看作是平行入射,将每一面元视为小平面,通过
理 想的漫反射和近似理想的镜面反射的线性组合来
计算反射强度。当背景为天空时,可以假定武装直
升机上空的上半球的平均天空辐射是与天顶成45b
角的天空辐射;当背景为地面时,可以对地面辐射 进
行工程简化,将地面视为大面积的漫射灰体表面,即
只与地面温度和发射率有关。已知面元的 定向反射
率Q、大气透过率S
a
(R)和背景的辐照度E
b
,就可< br>以通过(4)式计算蒙皮对背景辐射的反射辐射强
度为
E
b
A
p
I
sb
=Q
S
(R).
P
a
(4)W(m
#K
)),就可以计算出蒙皮的
24
全辐射亮度L.红外探测器都 是工作在一定响应波
段(K
1
~K
2
)内,则目标在该波段的辐射亮 度为
L
$$K
=
E
[F(KT
4
.
2
T)-F(K
1
T)]R
P
(1)
若已知目标的温度T,通过查阅 文献[1]中表1-3
的黑体函数表,就可以算出F(KT)的值。若再求出
目标的有效辐射面 积A
t
,就可以通过(2)式计算出
目标的波段辐射强度
E
4
I
$$K
=L
$$K
A
t
=
P
[F(K2
T)-F(K
1
T)]RTA
t
.
(2)
总 之,如果已知目标的发射率,又能求出目标的
等效温度和有效辐射面积,就可以利用(2)式计算
出目标的波段辐射强度。
111 蒙皮辐射
蒙皮辐射可分为蒙皮自身辐射、蒙皮对太阳辐射的反射、蒙皮对背景(天空、地面等)辐射的反射。
蒙皮自身辐射的计算首先应该对直升机进行三
维几何建模,明确蒙皮的红外发射率、传导率和表面
太阳吸收率。建立平衡状态下的热传导方程 ,并求
解得到蒙皮表面的等效温度。
如图1所示,直升机在观测方向上的三维投影
面积 为
A
p
=lhcosAsinB+whcosAcosB+lwsinAcosB,< br>(3)
式中:l、w、h分别为直升机的实际长度、宽度和高
度;A为俯仰角,B为方位 角,是相对于直升机机头
给定的。这样通过(3)式就可以算出直升机在不同
观测方向上的投影 面积,即蒙皮的有效辐射面积。
把蒙皮看作为一个朗伯源,就可以通过(2)式算出蒙
皮的波段 辐射强度I
s
.
在计算蒙皮对太阳辐射的反射时,可以把太阳
研究表明,对于 IRST系统,蒙皮反射的太阳辐
射只是在3~5Lm波段是重要的,而在8~12Lm波
段, 太阳辐射是微不足道的。
112 发动机排气管与外壁辐射
现代直升机一般配有1~3台涡轮轴 发动机,装
在机身外的后上方,并由蒙皮包着,排气管伸出机身
蒙皮0~300mm不等,喷口 方向与机轴后向成60b
或90b角。通常尾喷口面积较小,也比较浅,加上尾
喷口的上翘,一 般很难探测到自由涡轮后的高温物
体的辐射。所以发动机排气管与外壁的辐射与发动
机的数量、 安装位置、排气口安装角、排气管伸出蒙
皮的尺寸有密切关系。
把发动机排气管看作是一个朗伯 源。根据相关
资料可以查阅到发动机排气管内、外壁的等效温度
T
pi
、T< br>po
,发动机排气管内、外壁的发射率EE
pi
、
po
.计算出排气管内、外壁的有效辐射面积A
pi
、A
po
,就
可以 通过(2)式分别计算出发动机排气管内、外壁的
波段辐射强度I
pi
和I
p o
.
113 发动机尾流辐射
发动机排气装置排出的尾流的热辐射强度与其
温 度和温度场的分布、化学成分和尾流形状有关。
由于涡轮轴发动机排气管排出的燃气流速度较慢,

第3期凝视型红外搜索跟踪系统对武装直升机作用距离的分析315
加上喷口方向的 放置和旋翼风冷,使得辐射强度偏
低。一般排气尾流红外辐射主要来自CO
2
、H2
O和
C粒子。当直升机在飞行时,发动机尾流将会受到
旋翼洗流的干扰,文献[ 7]采用自由尾流计算技术来
分析旋翼洗流,确定尾流中心线的轨迹和速度分布,
计算出不同位 置尾流截面的形状及温度分布,这样
就可以计算尾流的辐射强度I
w
.
综上所 述,武装直升机的辐射强度为
I=I
s
+I
sb
+I
pi< br>+I
po
+I
w
.(5)
Ec
b
=L
b
(X-X
t
)S
a
S
0
.
和输出的瞬 时噪声电压U
2
分别为
E=E
t
+Ec
b
=
P=EA
0
=
U
2
=PR=
(9)
这时探测器靶 面上的总辐照度E、辐射功率P
I
+L
b
(X-X
t
)S< br>a
S
0
,(10)
R
2
I
+L(X-X)S AS,(11)
bta00
R
2
I
+L
b
(X-X
t
)]S
a
A
0
S
0
R.(12)
R
2
I
-LXS(R)ASR
bta00
.
R
2
(13)
两相邻探测器瞬时的输出信号电压差为
U
s
=U
2
-U
1
=
2 作用距离方程的建立
探测器输出的信号电压U是照射到 探测器上
的辐射功率P和响应率R的乘积。即U=PR.R=
U
N
D
为探测器的波段响应率,式中,U
N
为噪
(A
d
$$f)
12
声电压;D
*
为探测器的波段探测率;A
d
为探测器
有效光 敏面面积;$$f为噪声等效带宽(Hz).
设自然背景辐亮度为L
b
;A
d< br>为探测器面积;X
为红外系统的瞬时立体视场角,即X=A
d
f
2;A
0
P
2
D,D为入瞳直径;f为光
4
00
学系统焦距,S
0
为光学系统透过率。当IRST系统
为入瞳的面积,A
0< br>=
视场内只有背景时,背景通过光学系统汇聚到探测
器靶面上的辐照度E
b、辐射功率P
b
和输出的瞬时
噪声电压U
1
分别为
E< br>b
=L
b
XS
a
S
0
,
P
b
=E
b
A
0
=L
b
XS
a
A< br>0
S
0
,
U
1
=P
b
R=L
b
XS
a
A
0
S
0
R.
(6)
(7)
(8)
*
U
N
D
*
A
p
将 R=的值代入(13)式,
12
和X
t
=
(A
d
$$ f)R
2
整理得
R=
(I-L
b
A
p
)S
a
S
0
A
0
D
12
(A
d
f)(U
s
U
N
)
*
12
.(14)
对 选用焦平面阵列器件的凝视型红外系统,系
统的带宽$$f主要由器件的积分时间t
int
决定,即
1
P
2
$$f=
.再将A
0
=D
0
和A
d
=Xf
2
代入(14)
2t
int
4
式,整理得
PS
a
S
0
D
0
D
*
(I-L
b
A
p
)t
int
1212
R=,
X
22FSNR
(15)
式中:SNR=U
S
UN
为系统可分辨的极限信噪比;
F为光学系统的F数:F=fD
0
.3 作用距离方程中相关参数的确定
311 大气透过率的计算
目前,工程上广泛利用现成 的大气传输计算软
件来计算大气透过率。其中,使用最普遍的是
N7于1989年由美国政府< br>公布,是美国地球物理管理局开发的大气效应计算
软件,只要给定温度、气压、水气含量、气溶胶 模型和
能见距离,以及辐射波长范围,路径长度和类型(水
平或斜程),就能得到光谱透射比、 平均透射比和路
程辐射亮度等结果。LOWTRAN7主要作为工作于
下层大气和地表面战术系 统的辅助工具。
312 背景辐射的分析
31211 天空辐射
由于大气光程中的发射 率与路径中大气分子的
含量有关,所以计算天空背景辐射亮度时,还必须知
道大气温度和系统工 作仰角。背景辐射亮度可以用
如图2所示,当IRST系统探测到武装直升机
时,由于探测器探 测直升机的作用距离R较远,直
升机并没有完全充满探测器视场,此时仍有一部分
背景辐射入射 到探测器靶面上。设直升机在观察视
角上的投影面积为A
p
,则X
t
=A
p
R为目标对系
统入瞳中心所张的立体角。则背景在探测器靶面上
的辐照 度为
2
图2 IRST系统探测直升机示意图
Fig.2 Sketchfordet ectinghelicopterwithIRSTsystem

316
兵 工 学 报
第29卷
白昼与夜晚晴朗天空的辐射亮度曲线来分析计算。
用L
b d
和L
bn
分别代表白天与夜间的背景辐射亮度,
计算得到的参数值分别为< br>L
bd
U211@10
-4
Wsr#cm
2
,
L
bn
U112@10
-4
Wsr#cm
2
.
3 1212 地面辐射
地面背景辐射包括两部分:一是地面反射的太
阳光辐射;二是地球本身的辐 射,它的辐射主要在
4Lm以上的区域。当波长大于415Lm时,背景辐
射主要是地面和大气 的近似300K的热辐射。因
此,地面本身的辐射可以粗略地考虑为一个温度为
300K的黑体 辐射。这样根据普朗克定律,就可以得
到地面背景的光谱辐亮度。
31213 海天辐射
在海天背景中,包括了海面的热辐射、海面反射
天空(太阳和云层)的辐射、海面与系统间光学路径< br>上的大气辐射。上述各项都与海面温度、海表面粗
糙度(风速)和观察角度有密切关系。
关的气象视距23km、无云无雨等条件下,计算直升
机飞行高度015km和3km时不同路径上的大 气透
过率S
a
(R)如图3、图4所示。
图3 飞机飞行高度015km时不同季节的大气透过率
Fig.3 Theatmospherictran smissivityindifferent
seasonsatflyingheight015k m

4 计算实例
411 目标简介
假定目标为国外某型号武装直升机,其主 要相
关性能参数:机长(旋翼、尾桨旋转)17176m,机高
(至垂尾)3152m,(至尾 桨)4130m,短翼翼展
5123m;最大允许速度365kmh,最大平飞速度与
巡航速度 293kmh,实用升限6400m,悬停高度
(有地效)4570m.两台通用电器公司的涡轮轴发动
机T700-GE-701C安装在机身两个肩部。
根据相关资料和文献[9-10],T70 0的火焰筒
长度约108mm(不含涡流器),燃烧室进口温度
460e,增压比达到了17, 燃烧室出口温度1260e.
壁面约400~800e,燃烧室出口温度达880~
1280e ,燃烧室进口直径320mm.
412 IRST系统基本参数
IRST系统的瞬时立体视场角 X为115b@
110b;F数为3;焦距300mm,口径100mm;探测波
段3~5Lm ;取探测器辐射探测率波段平均值,
D
*
=210@10
11
cm# Hz
12
#W
-1
;积分时间2ms;光
学系统透过率S
0
为017;取信噪比SNR为5,可以
满足目标探测概率及空间频率要求。
413 计算结果分析
41311 LOWTRAN710计算结果分析
大气条件为中纬度夏季、运行模 式为散射辐射、
应用气溶胶模型为乡村消光系数与乡村消光系数有

图4 飞机飞行高度3km时不同季节的大气透过率
Fig.4 Theatmospherictransm issivityindifferentseasons
atflyingheight3km
从这两个图可以看出,在同一高度下,大气透过
率随着路径的增加而减小;冬季要比夏季的透过率高;在同一季节,相等的传播路径飞行高度越高,透
过率越大。
41312 IRST系统 对武装直升机作用距离的估算
按探测方向为迎头0(俯仰角A为-45b、方位
角B为0b)和 侧视0(俯仰角A为-45b、方位角B
为90b)两个方向来计算该武装直升机各个部分的
波 段辐射强度。利用(15)式计算不同观测条件下的
作用距离如表1所示。
5 结论
通 过对凝视型IRST系统作用距离方程的推导
过程和实际算例结果的分析,可以得出以下结论:
1)武装直升机的红外辐射主要是排气管和外
壁的高温灰体辐射,其次是尾气流的选择性辐射;
2)作用距离与探测目标的红外辐射强度与背

第3期凝视型红外搜索跟踪系统对武装直升机作用距离的分析317
表1 不同观测条件下对武装直升机的作用距离
Tab.1 Theoperatingrangesfort hearmedhelicopter
indifferentobservedconditions
状态
飞机飞行高度015km
辐射强度
中纬度夏季
迎头
I( W#sr
-1
)
I
bn
(W#sr
-1
)
ZHANGJing-xian,LIYu-dan,logyofglim-
merandinfra redimaging[M].Beijing:BeijingInstituteofTech-
n ologyPress,1995:251-258.(inChinese)
[3] 杨宜禾,岳敏, 周维真.红外系统[M].北京:国防工业出版
社,1985:228-281.
飞机飞行高度 3km
中纬度夏季
迎头侧视
中纬度冬季
迎头侧视
YANGY-ihe ,YUEMin,edsystem
[M].Beijing:NationalDefenseInd ustryPress,1985:228-
281.(inChinese)
[4] 小哈得 逊.红外系统原理[M].北京:国防工业出版社,1975:
59-60.
edsystem engineering[M].Beijing:Na-
tionalDefenseIndustr yPress,1975:59-60.(inChinese)
[5] ngsecondgener ationthermalimagingsys-
tems[J].SPIE,1990,1309: 2-16.
[6] MarascoLP,edinfraredsensorperfor-
mance[C].SPIE,1993,2020:363-378.
[7] 苏媛,王吉飞,曹义华 ,等.旋翼洗流对发动机喷流影响的计算
分析[J].北京航空航天大学学报,2001,27(3): 297-300.
SUYuan,WANGJ-ifei,CAOY-ihua,ofrotor
downwashonenginejet[J].JournalofBeijingUniversity of
AeronauticsandAstronautics,2001,27(3):297-30 0.(inCh-i
nese)
[8] 洪流,张荫锡.直升飞机近区红外辐射特性测试技术研 究[J].
红外与激光工程,1999,28(3):24-27.
HONGLiu,ntes ttechnologyofhel-i
copternearfieldinfraredradia tion[J].InfraredandLaserEng-i
neering,1999,28(3 ):24-27.(inChinese)
[9] 郭允良.军用涡轴发动机的红外抑制[J].国际航 空,1990,6:
44-45.
raredsuppressionforthemilit aryturbo
shafts[J].InternationalAviation,1990,6 :44-45.(inChinese)
[10]孔祥鑫.国外军用直升机的动力装置[J].航空科学 技术,
1995,5:30-32,46.
erplantoftheoverseasmil itaryhel-i
copter[J].AviationTechnology,1995,5: 30-32,46.(inCh-i
nese)
中纬度冬季
迎头侧视侧视
23 6
349134016
0107
70
S
a
(R)
R km
6010290105
655
景辐射亮度密切相关;
3)系统的积分时间 t
int
与作用距离R成正比;
4)在同一季节和相同的探测方向,直升机飞得
越高,凝视型IRST系统对其的作用距离越大;
5)在直升机飞行的同一高度,冬季时凝视型
IRST系统对直升机的作用距离要大于夏季时系统
对直升机的作用距离;
6)大气透过率S
a
(R)是作用距离R的函数,
所以凝视型IRST系统对目标的探测能力与实际现< br>场的天气情况密切相关。
参考文献(References)
[1] 杨臣华,梅遂生, 林钧挺.激光与红外技术手册[M].北京:国
防工业出版社,1990:1-20.
YANG Chen-hua,MEISu-isheng,ndin-
fraredtechnologyhan dbook[M].Beijing:NationalDefenseIn-
dustryPress ,1990:1-20.(inChinese)
[2] 张敬贤,李玉丹,金伟其.微光与红外成像技 术[M].北京:北
京理工大学出版社,1995:251-258.