对人工红外光照射地面目标的红外特性研究＊

2011-12-07杜石明吕相银冯云松

弹箭与制导学报 2011年4期

杜石明，冯源，吕相银，曾凯，冯云松，袁飞

（1电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，合肥 230037；2电子工程学院安徽省红外与低温等离子体重点实验室，合肥 230037；3解放军电子工程学院，合肥 230037）

0 引言

目标与背景的光学特性是对可探测与可识别物理量之间的描述，它反映了光波同目标与环境相互作用的物理现象，揭示了目标与环境的某种固有属性。研究目标的光学特性对于光学成像、制导和引信等军用设备的论证、设计、仿真、试验等提供依据，同时也是精确制导武器等所运用的关键技术之一[1]。目前，目标探测技术已越来越受到重视，利用红外辐射特性探测目标是一种有效的方法，因此，研究目标的红外特性具有重要的意义。从国内外的文献来看，在自然环境下对目标红外特性研究的比较多，对外界采用红外光源照射目标的红外特性研究的较少。因此，文中采用人工光源照射目标的方法对目标红外辐射特性进行了研究，得到了一些有价值的结论，为目标红外特征的模拟以及其它相关技术的研究提供一定的理论基础。

1 人工光源照射目标的理论模型

由于地面目标的结构形状复杂，外界环境不断变化，目标表面的温度随时间而变化，很难从理论上对人工光源照射目标的红外特性作出精确的计算与分析，因此，作出假设对问题进行简化：1）假设目标没有内热源，表面的温度根据目标实际的温度来确定；2）假设目标为不透明的朗伯体，环境因素只与太阳、地面、天空大气、对流以及人工红外光源有关；3）目标材料为各向同性的均匀材料，目标室内空气温度不变，忽略目标内壁间的辐射换热与外壁面的汽化潜热。

2 目标表面温度场的确定

2.1 导热微分方程

利用导热微分方程可以求出在一定边界条件作用下目标内的温度随空间和时间的分布状态，由此可以得出目标表面的温度分布状态和随时间的变化。三维直角坐标系下的瞬态热传导方程为[2]：

式中：ρ为密度；c为比热容；τ为时间；κ为导热系数；φv为微元单位体积的发热功率。

当没有内热源而且平面板壁的高度和宽度远大于厚度时，三维导热则可按一维导热处理。对于大部分地面目标如方舱式车体外壳、水泥混凝土路面以及建筑物的外墙壁等很多目标外表面结构，大都满足此条件，温度场的基本方程可简化为无内热源的一维导热微分方程[3]：

2.2 边界条件的确立

边界条件通常有三类[2]：第一类边界条件为规定沿导热物体边界面上的温度值，第二类边界条件为给定导热物体边界面上的热流密度，第三类边界条件为规定边界面上的换热状态。对于目标的外边界，大都属于第三类边界条件。由前面的理论模型中的假设条件可以得外边界条件为：

式中n为边界面某处的外法线方向。上式左边表示由目标表面向内部导热而损失的热量，右边表示由辐射和对流综合作用造成的目标表面得到的热量。对于目标的内边界，一般情况下其边界条件仍然满足此方程式，但对于具有较好保温结构的目标，由于其内部空调等设备的控温调节措施，通常可认为内壁的温度近似保持不变，此时可简化为第一类边界条件。

对于层与层之间的接触边界，根据能量守恒原则，接触面上不仅温度一样，热流密度也必须保持一致，例如对于第一层和第二层的边界面，应符合以下条件[4]：

此式也通常被称为第四类边界条件。

3 仿真计算分析

以合肥某钢筋混凝土结构的建筑物上表面为例，其面积为6m×8m，在2010年4月3日上午7点至8点时刻，人工采用氙灯[5]垂直照射目标（指入射角为0°）。对于光源与该表面的角系数可以采用定义或解析法计算，具体表达式可参考文献[6]，设建筑物厚度为0.25m，并把壁面从外向内分为5个薄层，且设底层绝热，同时令计算时间t＝kΔτ，k＝1，2，3，4……，时间间隔为10s，计算时间为3600s。

3.1 计算方法

在采用Matlab数值法求解目标温度场时，首先应对区域进行离散化，然后利用后向差分法得出内部接点方程：

最后经过整理得：

对于边界节点方程，则对式（3）进行变形并利用能量平衡方法可以得出边界接点方程为：

对于底层绝热时的节点方程经过整理可得：

图1 距离2m、光照时间为10s时光照功率与目标温度场的关系

图2 距离2m、照射功率为103 W时光照时间与目标温度场的关系

图3 光照时间10min、光照功率103 W时光照距离与温度场的关系

3.2 结果分析

从图1～图3中可以看出，目标温度场与人工光源照射功率、光照时间以及光源的照射距离有很大关系。在照射距离一定的条件下，光源的照射功率越大，对目标照射时间越长，目标温度场变化越明显，在相同条件下，目标表面温度变化速率比较明显，而内层的温度变化比较缓慢。随着功率的增加、时间的增长，目标外表面与内表面的差值越来越大。对表面而言，在短时间里温度改变缓慢，如对目标照射10s时，功率从100W增加到103W时，目标的温度改变0.3K，但是随着时间的增长，目标表面的温度改变比较明显，在功率为103W时，对目标照射1h，其表面温度可以改变8K左右。在不考虑其他影响因素下，光源距离一定时，随着时间的增长、功率的增加，目标表面温度的改变就越明显。当照射时间与照射功率一定时，目标的表面温度随着光照距离的增大而减小，光源越靠近目标，目标的温度场变化越明显，光源越远离目标，目标的温度场变化越不明显，当距离远到一定位置时，目标的温度场趋于平衡，最终目标与背景保持原来的状态，这时光源对目标温度的影响几乎可以忽略。因此，在外界条件影响很小的情况下，在合理的条件下，对目标采用人工光照可以使目标的温度场发生改变，从而改变目标的红外特性。

4 目标的红外辐射特性

4.1 目标的反射辐射

目标的反射辐射由两部分组成，一部分是目标对太阳、天空大气以及地面的反射，在本理论模型中已经作了假设，即以某一时刻来算，可以近似的把太阳、天空大气以及地面的总辐射看作是一个不变量；另一部分就是人工光源照射目标时目标的反射。则目标的反射辐射可以表示为：

式中，ρe为等效反射系数，则目标反射的辐射亮度可由漫反射源的辐射特性得出：

4.2 目标的自身辐射

在上面计算出目标表面温度以后，根据全电磁波段辐射出射度的公式M＝εσT4可以计算目标自身的辐射出射度。则目标的辐射亮度为：

综上所述，目标总的辐射亮度为L＝Ls＋Lr。

4.3 计算结果与分析

图4、图5为在光照距离2m的情况下，目标在不同光照功率与不同光照时间时的辐射亮度，为了便于分析结果，同时给出了温度场曲线与目标反射的辐射亮度曲线。

由图4、图5可以看出，对目标进行人工光源照射时目标的红外特性将发生改变，不管是短时间还是长时间的光照（文中以1h为例），目标的红外特性将发生改变。在短时间照射时，改变的程度主要取决于反射辐射，而自身辐射改变量可以忽略；在不考虑其他因素时，光照功率越大，目标反射辐射部分越大，目标总的辐射亮度越大，目标的红外特性变化越大。以10s来计算，功率从100W变化到103W时，目标的总辐射亮度改变32W／（m2·sr）。对于长时间的光照，由于目标表面的温度变化较明显，因此自身辐射将不能忽略，所以改变的程度主要取决于自身辐射与反射辐射。综上所述，人工采用红外光源照射目标时，目标的红外辐射特性将发生改变，条件的不同，改变的程度将不同。